削弱永磁直線電機(jī)法向力波動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王天鴻, 崔皆凡

(沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110000)

0 引 言

永磁直線電機(jī)(PMLM)的進(jìn)給系統(tǒng)定位精度高、響應(yīng)快、效率高且無行程限制，因此在高速進(jìn)給系統(tǒng)的領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位。直線電機(jī)存在初級(jí)鐵心斷開、開齒槽等特殊結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致齒槽效應(yīng)和端部效應(yīng)[1-2]。在PMLM運(yùn)行過程中，動(dòng)子與定子之間會(huì)產(chǎn)生法向力波動(dòng)，其數(shù)值很大，工作臺(tái)會(huì)因此振動(dòng)，同時(shí)法向力波動(dòng)過大還會(huì)引起摩擦攝動(dòng)、推力波動(dòng)，影響加工精度，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了廣泛的研究。針對(duì)齒槽法向力，文獻(xiàn)[3]通過計(jì)算動(dòng)子最佳齒頂寬度削弱齒槽法向力波動(dòng)。文獻(xiàn)[4]采用在永磁體表面粘貼薄銅片削弱氣隙磁場(chǎng)高次諧波，從而抑制齒槽法向力波動(dòng)。文獻(xiàn)[5]通過磁極偏移使永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消，消除諧波，削弱齒槽法向力波動(dòng)，但其計(jì)算過程相對(duì)復(fù)雜，每一個(gè)磁極的偏移距離均需要單獨(dú)計(jì)算，并且在一定程度上受到空間限制。文獻(xiàn)[6]通過在動(dòng)子上開輔助槽抑制齒槽法向力波動(dòng)，但其應(yīng)用范圍窄，只適用于整數(shù)槽電機(jī)，分?jǐn)?shù)槽電機(jī)開輔助槽反而會(huì)使法向力波動(dòng)增大。針對(duì)端部法向力，文獻(xiàn)[7]通過端齒倒角的方法抑制端部效應(yīng)。文獻(xiàn)[8]分析了階梯狀分布的端部輔助齒結(jié)構(gòu)對(duì)端部效應(yīng)的影響。文獻(xiàn)[9]通過增加輔助極來減小法向力波動(dòng)，取得了較好的效果。文獻(xiàn)[10]將端部設(shè)計(jì)成V型結(jié)構(gòu)。但這些方法均增加了電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。除結(jié)構(gòu)優(yōu)化外，文獻(xiàn)[11]通過使用電流補(bǔ)償，有效抑制了端部法向力波動(dòng)。

本文采用最優(yōu)極弧系數(shù)和磁極倒角法削弱齒槽法向力波動(dòng)，優(yōu)化鐵心長(zhǎng)度及端齒形狀削弱端部法向力波動(dòng)，并通過有限元仿真分析電機(jī)整體的法向力波動(dòng)，驗(yàn)證所提方法的有效性。

1 最優(yōu)極弧系數(shù)削弱法向力

1.1 PMLM法向力分析

為了簡(jiǎn)化分析，作出以下假設(shè)[12]：

(1) 電樞鐵心磁導(dǎo)率μFe為無窮大；

(2) 永磁體的磁導(dǎo)率與空氣相同；

(3) 永磁體的磁力線是垂直進(jìn)入動(dòng)子鐵心的，即只有法向磁場(chǎng)，而無切向磁場(chǎng)；

(4) 動(dòng)子為無限長(zhǎng)，即不考慮端部效應(yīng)。

根據(jù)磁路基爾霍夫第二定律，永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)為

(1)

式中：Br(x)為永磁體的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度；hPM為永磁體的磁化長(zhǎng)度；μ0為真空磁導(dǎo)率；x為動(dòng)子和定子之間的相對(duì)位置；y為電機(jī)某一點(diǎn)到原點(diǎn)的位置。

氣隙比磁導(dǎo)為

(2)

式中：λ0為氣隙比磁導(dǎo)的不變部分；λk為氣隙比磁導(dǎo)周期分量的幅值；z為電機(jī)槽數(shù);l為鐵心長(zhǎng)度;k為諧波次數(shù)，k=1,2,3,…。

且有λ0、λk分別為

(3)

式中:δ為氣隙長(zhǎng)度;bt為齒寬。

永磁體剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度波Br(x)的傅里葉級(jí)數(shù)展開式為

(4)

(5)

式中：p為極對(duì)數(shù)；αp為極弧系數(shù)；Brm為永磁體剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值。

由麥克斯韋張力張量定理得，動(dòng)子鐵心單位面積法向力：

(6)

則PMLM動(dòng)子法向力為

(7)

式中:lFe為鐵心有效長(zhǎng)度；τ為極距。

將式(1)、式(2)、式(4)、式(6)代入式(7)得PMLM動(dòng)子法向力為

(8)

對(duì)Br(x)進(jìn)行傅里葉分解之后，結(jié)合式(8)可以看出，對(duì)法向力波動(dòng)產(chǎn)生作用的只有kz=np和kz=2np次傅里葉分解系數(shù)。

12槽11極PMLM，其極弧系數(shù)理論上選擇3/4、5/6或2/3時(shí)，齒槽法向力波動(dòng)最小。

1.2 PMLM推力分析

直線電機(jī)齒槽力的產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩原理相同，因此可通過旋轉(zhuǎn)電機(jī)求出直線電機(jī)的齒槽推力。旋轉(zhuǎn)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩為

(9)

式中:W為電機(jī)磁場(chǎng)能量；a為位置角，即永磁體中心線與齒槽中心線的夾角。

電機(jī)磁場(chǎng)能量W為

(10)

式中：B為氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度；V為氣隙體積。

忽略永磁體磁場(chǎng)儲(chǔ)能變化，則：

(11)

式中:B(θ,a)旋轉(zhuǎn)永磁電機(jī)氣隙磁密沿電樞表面的分布；Br(θ)為永磁體剩磁；δ(θ,a)為有效氣隙長(zhǎng)度；hm(θ)為充磁方向沿圓周的分布。

對(duì)Br(θ)進(jìn)行傅里葉展開：

(12)

式中:Bm為永磁體剩磁密度。

(13)

式中:c=bt/(bt+b0)；b0為槽寬。

將式(12)和式(13)代入式(10)，并進(jìn)行簡(jiǎn)化得：

(14)

式中:n為使kz/np為整數(shù)的整數(shù)。

將PMLM動(dòng)、定子間相對(duì)位移用x表示，則：

(15)

則PMLM齒槽力為

(16)

將式(14)和式(15)代入式(16)得：

(17)

(18)

(19)

本文采用的是12槽11極直線電機(jī)，n=11的倍數(shù)。當(dāng)n=55，k=48時(shí)，極弧系數(shù)為0.8；當(dāng)n=11，k=5時(shí)，極弧系數(shù)為5/6。

1.3 有限元仿真分析

原始電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)參數(shù)

取不同極弧系數(shù)，法向力波動(dòng)值、推力波動(dòng)值及推力均值隨極弧系數(shù)的變化如圖1和圖2所示。電機(jī)的法向力、推力波形如圖3和圖4所示。

圖1 波動(dòng)值隨極弧系數(shù)的變化曲線

圖2 推力均值隨極弧系數(shù)的變化曲線

圖3 電機(jī)法向力波形

圖4 電機(jī)推力波形

原電機(jī)最大法向力波動(dòng)為130 N、最大推力波動(dòng)為116 N，推力均值為500 N。由仿真結(jié)果可知，當(dāng)極弧系數(shù)為5/6時(shí)，法向力波動(dòng)最小，其最大法向力波動(dòng)為102 N，比原電機(jī)降低了21.53%。

當(dāng)極弧系數(shù)為0.8或5/6時(shí)，推力波動(dòng)小，符合理論推導(dǎo)的結(jié)果?？紤]推力均值及法向力波動(dòng)的大小，選擇極弧系數(shù)為5/6，最大推力波動(dòng)降低為105 N，比原電機(jī)降低了9.48%；推力均值未改變。

2 磁極倒角削弱法向力

忽略鐵心的磁阻及其飽和，PMLM的氣隙磁密為

b(x,t)=f(x,t)λ(x,t)

(20)

式中：f(x,t)為永磁體磁動(dòng)勢(shì)；λ(x,t)為氣隙比磁導(dǎo)。

永磁體磁動(dòng)勢(shì)中μ次諧波表達(dá)式為

(21)

式中:ω0為基波角頻率；Fμ為永磁體磁動(dòng)勢(shì)μ次諧波幅值。

氣隙比磁導(dǎo)表示為

(22)

式中:τs為槽距。

則氣隙磁密為

(23)

由麥克斯韋張力張量定理得，動(dòng)子鐵心單位面積法向力：

(24)

則法向力密度表達(dá)式為

(25)

式中：μ1為氣隙磁密諧波次數(shù)；Fμ1為氣隙磁密μ1次諧波幅值；μ2為齒諧波次數(shù)；Fμ2為μ2次齒諧波幅值。

式(25)中第3項(xiàng)由氣隙磁密與齒諧波相互作用產(chǎn)生，對(duì)法向力波動(dòng)的影響最大，永磁體產(chǎn)生趨于正弦的氣隙磁密時(shí)，產(chǎn)生的法向力波動(dòng)最小，因此采用永磁體倒角改善永磁體磁密。同時(shí)，氣隙磁密趨于正弦時(shí)，還會(huì)減小齒槽推力的波動(dòng)。

一般磁極倒角有兩種方法，即倒圓角和倒尖角兩種，如圖5所示。

圖5 磁極倒角方式

考慮加工難度等因素，本文選用倒尖角的方式，電機(jī)模型如圖6所示。通過有限元仿真，原電機(jī)氣隙磁密如圖7所示；磁極倒角氣隙磁密如圖8所示；法向力、推力波動(dòng)值和推力均值隨倒角高度L的變化如圖9和圖10所示；電機(jī)的法向力和推力波形如圖11和圖12所示。

圖6 磁極倒角電機(jī)模型

圖7 原電機(jī)氣隙磁密

圖8 磁極倒角氣隙磁密

圖9 波動(dòng)值隨倒角高度的變化曲線

圖10 推力均值隨倒角高度的變化曲線

圖11 電機(jī)法向力波形

圖12 電機(jī)推力波形

由圖7和圖8可知，經(jīng)過磁極倒角后氣隙磁密更加趨近于正弦。由圖8～圖12可知，當(dāng)?shù)菇歉叨萀為0.2 mm時(shí)，削弱法向力波動(dòng)的效果最佳，其最大法向力波動(dòng)為90 N，比原電機(jī)降低了30.76%；最大推力波動(dòng)降低為102 N，比原電機(jī)降低了12.07%；推力均值未改變，驗(yàn)證了理論的正確性。

3 優(yōu)化鐵心長(zhǎng)度削弱法向力

3.1 直線電機(jī)法向力分析

動(dòng)子鐵心移動(dòng)時(shí)，穿過法向端面的磁通傅里葉展開為

(26)

式中：Φm為經(jīng)過動(dòng)子鐵心邊緣磁通量最大值。

空間中單位體積的磁場(chǎng)能量為

(27)

式中：Φ為經(jīng)過動(dòng)子鐵心縱向邊緣的磁通；S為磁感線在鐵心縱向表面所圍面積。

當(dāng)動(dòng)子鐵心經(jīng)過一個(gè)極距長(zhǎng)度τ時(shí)，氣隙磁場(chǎng)儲(chǔ)能發(fā)生了變化，儲(chǔ)能變化量為Wm：

(28)

式中：le為動(dòng)子鐵心疊壓厚度；δ′為氣隙長(zhǎng)度；V為氣隙體積；l1為經(jīng)過鐵心縱向邊緣又返回永磁體的這部分磁感線在永磁體橫向所占的長(zhǎng)度，l1=K1τ；K1為磁通壓縮系數(shù)。

將式(26)代入式(28)得：

(29)

則沿著動(dòng)子鐵心運(yùn)動(dòng)的方向，動(dòng)子鐵心前端和后端所受端部法向力可表示為

(30)

(31)

由式(30)和式(31)可以看出，PMLM端部法向力波動(dòng)前后兩端均以極距τ為周期，只有初相位不同。削弱端部法向力波動(dòng)，只需使Δ=τ/2，則前后兩端的法向力大小相等、方向相反，可在最大程度上相互抵消。

3.2 PMLM推力分析

當(dāng)動(dòng)子鐵心長(zhǎng)度超過3倍極距以上時(shí)，鐵心兩端所受的端部力相互獨(dú)立，因此，電機(jī)推力等于兩端端部力的合力。

F+為動(dòng)子鐵心前端端部力，F(xiàn)-為動(dòng)子鐵心后端端部力，則：

F+=-F-(-x-δ)

(32)

式中:δ=kτ-LFe,LFe為動(dòng)子鐵心長(zhǎng)度。

將前后兩端端部力傅里葉級(jí)數(shù)展開得：

(33)

(34)

則推力為

(35)

(36)

式中:fsn和fcn為傅里葉展開次的正弦、余弦系數(shù);fN為振幅系數(shù)。

由式(35)可知，當(dāng)LFe=kτ±π/2時(shí)，PMLM推力波動(dòng)最小。

綜合分析可知，當(dāng)LFe=kτ±π/2時(shí)，PMLM推力波動(dòng)及法向力波動(dòng)均最小。

3.3 有限元仿真分析

法向力、推力波動(dòng)值和推力均值隨鐵心長(zhǎng)度的變化如圖13和圖14所示。電機(jī)的法向力和推力波形如圖15和圖16所示。

圖13 波動(dòng)值隨鐵心長(zhǎng)度/極距的變化曲線

圖14 推力均值隨鐵心長(zhǎng)度/極距的變化曲線

圖15 電機(jī)法向力波形

圖16 電機(jī)推力波形

由仿真結(jié)果可知，鐵心兩端相差0.5倍極距時(shí)，法向力波動(dòng)最小，其最大法向力波動(dòng)為74 N，比原電機(jī)降低了43.07%；最大推力波動(dòng)降低為58 N，比原電機(jī)降低了50%；推力均值略有降低，降低了6%。

4 優(yōu)化端齒形狀削弱法向力

PMLM動(dòng)子鐵心兩端開斷，端部氣隙磁阻突變，產(chǎn)生端部法向力波動(dòng)。優(yōu)化端齒形狀可以有效抑制端部法向力波動(dòng)[14]。端齒形狀有如圖17所示的4種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖17 4種常用的端齒拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

PMLM端部磁場(chǎng)十分復(fù)雜，建立精確的數(shù)學(xué)模型是十分困難的。圖17中改變端齒的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其原理均為改變端部的氣隙磁阻。

考慮實(shí)際加工難度，選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1對(duì)端齒進(jìn)行優(yōu)化，電機(jī)模型如圖18所示。通過有限元仿真可得，原電機(jī)的端部氣隙磁密和優(yōu)化端齒的端部氣隙磁密如圖19和圖20所示。波動(dòng)值隨端齒氣隙的變化如圖21所示。電機(jī)的法向力和推力波形如圖22和圖23所示。

圖18 端齒優(yōu)化電機(jī)模型

圖19 原電機(jī)端部氣隙磁密

圖20 端齒優(yōu)化的端部氣隙磁密

圖21 波動(dòng)值隨端齒氣隙的變化曲線

圖22 電機(jī)法向力波形

圖23 電機(jī)推力波形

由圖19和圖20可知，改變端齒氣隙可以優(yōu)化端部氣隙磁密，減小由端部效應(yīng)造成的氣隙磁密畸變。由圖21～圖23可知，當(dāng)端齒氣隙Δd=2 mm時(shí)，削弱法向力波動(dòng)的效果最佳,其最大法向力波動(dòng)為42 N，比原電機(jī)降低了67.69%；最推力波動(dòng)降低為29 N，比原電機(jī)降低了75%；推力均值為470 N，略有降低，為6%。驗(yàn)證了理論的正確性。

5 結(jié) 語

本文綜合考慮齒槽效應(yīng)和端部效應(yīng)的影響，采用最優(yōu)極弧系數(shù)和磁極倒角法削弱齒槽法向力波動(dòng)，分別降低了21.53%和30.76%。然后，基于該結(jié)構(gòu)優(yōu)化鐵心長(zhǎng)度，削弱法向力波動(dòng)43.07%，最大推力波動(dòng)降低50%。最后，通過有限元方法優(yōu)化端齒形狀，3種措施下綜合最大法向力波動(dòng)比原電機(jī)降低了67.69%，而最大推力波動(dòng)降低了75%，與此同時(shí)，推力均值降低了6%。所得結(jié)論可為PMLM的理論分析和設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)。