團(tuán)隊介紹

羅俊，博士研究生，研究方向為新型永磁直線電機(jī)的建模與優(yōu)化設(shè)計。曾參與包含國家科技重大專項、國家自然科學(xué)基金在內(nèi)的橫縱向科技項目10余項，發(fā)表SCI、EI論文7篇，申請國家發(fā)明專利11項。

寇寶泉，哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，IEEE會員，中國電工技術(shù)學(xué)會高級會員。獲2005年度教育部技術(shù)發(fā)明一等獎1項，獲2006年度國家技術(shù)發(fā)明二等獎1項，獲第六屆國際發(fā)明展覽會銀獎2項，獲第十九屆全國發(fā)明展覽會銀獎1項，獲2014年度教育部技術(shù)發(fā)明二等獎1項。2008年入選教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃”。致力于直線電機(jī)與平面電機(jī)系統(tǒng)技術(shù)、分布式能源發(fā)電及能量存儲技術(shù)、磁懸浮及電磁推進(jìn)技術(shù)的研究。近年來獲授權(quán)國家發(fā)明專利130余項。

導(dǎo)語

本文提出一種雙交替極橫向磁通直線電機(jī)結(jié)構(gòu)，在其初級和次級側(cè)均安置永磁體，充分利用了電機(jī)內(nèi)部空間，提高了與繞組交鏈的永磁磁通，進(jìn)而提高了電機(jī)推力密度。介紹了該電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，并推導(dǎo)電機(jī)主要尺寸與電磁力之間的關(guān)系式。

通過三維有限元法研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機(jī)推力密度的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計并研制一臺實驗樣機(jī)。通過對樣機(jī)的三相反電動勢和靜推力進(jìn)行測量，并與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對比，實驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果之間具有較好的吻合度。

研究背景

近年來，在工業(yè)自動化領(lǐng)域，以直線電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)加中間轉(zhuǎn)換裝置的間接傳動方式，可以使得系統(tǒng)具有高精度、高速度、高效率、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。而高性能高品質(zhì)的直線電機(jī)是直線電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的核心部件。

傳統(tǒng)縱向磁通直線電機(jī)受限于磁路與電路之間的矛盾，難以進(jìn)一步提高電機(jī)推力密度。而橫向磁通直線電機(jī)集合了橫向磁通電機(jī)推力密度高和直線電機(jī)能直接驅(qū)動負(fù)載做直線運(yùn)動的優(yōu)勢，十分適合應(yīng)用于精密運(yùn)動控制領(lǐng)域。因此，研究高推力密度的橫向磁通直線電機(jī)具有迫切的應(yīng)用需求。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

本文所研究的新型雙交替極橫向磁通直線電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在電機(jī)初級和次級均放置了永磁體，且所有永磁體的充磁方向相同。在空載條件下，初級永磁體和次級永磁體產(chǎn)生的有效磁通均與繞組相交鏈，相對于單邊勵磁的橫向磁通直線電機(jī)，DCP-TFLM能夠獲得更高的推力密度。

單相DCP-TFLM不具有自起動能力，且推力波動較大，因此通常將橫向磁通電機(jī)設(shè)計為多相結(jié)構(gòu)。將m個電機(jī)初級沿著運(yùn)動方向依次錯開（2kτ+2τ/m）的距離排列（其中，k為任意正整數(shù)，τ為電機(jī)極距），可以構(gòu)成m相DCP-TFLM電機(jī)結(jié)構(gòu)。圖2所示為四個典型位置處某一初級齒截面上永磁體磁通的分布。

圖1 DCP-TFLM的基本結(jié)構(gòu)

圖2 DCP-TFLM工作原理

本文以平均電磁推力與氣隙有效面積的比值為目標(biāo)函數(shù)，通過三維有限元法分別分析極距、安匝數(shù)、永磁體厚度、初次級齒寬系數(shù)以及槽口尺寸對電機(jī)推力密度的影響規(guī)律。電機(jī)的主要尺寸定義如圖3所示。

圖3 DCP-TFLM的結(jié)構(gòu)尺寸定義

圖4所示為不同氣隙長度下，極距變化對電機(jī)推力密度的影響規(guī)律。隨著極距的減小，電機(jī)推力密度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。這是由于隨著極距減小，永磁體漏磁通增加，使得與繞組交鏈的主磁通減少。當(dāng)減小極距帶來的頻率提升倍數(shù)無法彌補(bǔ)有效磁通的減小時，電機(jī)推力密度將隨著極距的減小而降低。

圖4 極距對推力密度影響

圖5 安匝數(shù)對推力密度影響

圖5所示為電機(jī)推力密度隨初級齒上施加的安匝數(shù)變化的變化趨勢。隨著安匝數(shù)的增加，電樞反應(yīng)磁動勢增強(qiáng)，電機(jī)推力密度逐漸增大。但當(dāng)電樞磁動勢增大到一定程度以后，由于鐵心中磁通密度趨于飽和，電機(jī)推力密度也逐漸趨于飽和。

不同氣隙、不同極距下，電機(jī)推力密度都在安匝數(shù)大于1000A后進(jìn)入飽和狀態(tài)，這說明使得電機(jī)飽和的主要原因是橫向磁通電機(jī)中繞組電感大，電樞反應(yīng)磁場作用使得鐵心飽和。總的來說，為了使得電機(jī)推力密度最大化，同時避免鐵心出現(xiàn)飽和，每個初級齒上施加的總安匝數(shù)變化范圍宜取為600~800A。

圖6 初級永磁體厚度影響

圖7 次級永磁體厚度影響

圖6、圖7所示為初級永磁體厚度變化和次級永磁體厚度變化對電機(jī)推力密度的影響規(guī)律。初級永磁體厚度和次級永磁體厚度對電機(jī)推力密度的影響規(guī)律是相似的。隨著永磁體厚度的增加，電機(jī)推力密度呈現(xiàn)出先增大然后趨于飽和的變化趨勢。初級永磁體厚度和次級永磁體厚度對電機(jī)推力密度的影響是相互獨(dú)立的。

圖8 初級齒寬系數(shù)影響

圖9 次級齒寬系數(shù)影響

圖8、圖9所示分別為初級齒寬系數(shù)和次級齒寬系數(shù)變化對電機(jī)推力密度的影響規(guī)律。隨著調(diào)制齒寬度的減小，電機(jī)推力密度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢。初級齒寬系數(shù)和次級齒寬系數(shù)對推力密度的影響規(guī)律是相互獨(dú)立的。

在不同次級齒寬系數(shù)下，初級齒寬系數(shù)在0.85~0.9的區(qū)間內(nèi)，電機(jī)推力密度取得最大值。隨著初級齒寬系數(shù)的進(jìn)一步減小，電機(jī)推力密度迅速降低。在不同初級齒寬系數(shù)下，次級齒寬系數(shù)在0.7~0.8的區(qū)間內(nèi)，電機(jī)推力密度取得最優(yōu)值。

圖10 槽口尺寸對推力密度影響

圖10所示為槽口尺寸變化時電機(jī)推力密度的變化規(guī)律。隨著初級齒靴寬度增加，槽口寬度ws0減小，電機(jī)初級和次級之間的耦合面積增大，橫向耦合系數(shù)提高，將有利于電機(jī)推力密度的提高。

槽口高度hs0也在一定程度上影響著電機(jī)推力密度，這是由于當(dāng)槽口高度較小時齒靴尖端鐵心將出現(xiàn)飽和，不能有效引導(dǎo)永磁磁通進(jìn)入初級齒中。當(dāng)增大槽口高度，可以使得槽口附近永磁磁通進(jìn)入到初級齒中。根據(jù)圖中所示，槽口高度hs0＞2mm時，電機(jī)推力密度幾乎保持不變，而槽口寬度ws0＜4mm以后，電機(jī)推力密度也不再繼續(xù)增加。

總結(jié)

本文針對一種新型雙交替極橫向磁通直線電機(jī)展開了研究，從建立的主要尺寸方程出發(fā)，通過三維有限元法分析了電機(jī)極距、氣隙、每個齒上安匝數(shù)、永磁體厚度、齒寬系數(shù)以及槽口參數(shù)對電機(jī)推力密度的影響規(guī)律。結(jié)果表明，橫向磁通直線電機(jī)依賴于結(jié)構(gòu)上的電磁解耦特性，可以通過減小極距提升運(yùn)行頻率的方式來進(jìn)一步提高推力密度，但犧牲了電磁材料利用率。

引用本文

羅俊, 寇寶泉, 楊小寶. 雙交替極橫向磁通直線電機(jī)的優(yōu)化與設(shè)計[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2020, 35(5): 991-1000. Luo Jun, Kou Baoquan, Yang Xiaobao. Optimization and Design of Dual-Consequent-Pole Transverse Flux Linear Machine. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(5): 991-1000.