浙江大學蔣錢、盧琴芬 等：雙三相永磁直線電機的推力波動及抑制

原創2021-04-29 06:58:00·電氣技術

團隊介紹

盧琴芬，教授，博士。主要研究電機的優化設計、驅動控制及應用技術，包括各種直線電機及新型永磁電機驅動系統，以及牽引供電系統仿真技術及電機故障診斷。是中國電工技術學會直線電機專業委員會副主任委員兼秘書長。發表各類學術論文150余篇（SCI論文39篇），授權發明專利23項（3項已經轉讓），入選浙江省151人才工程第二層次培養人員,IET Fellow, IEEE高級會員。

李焱鑫，特聘副研究員，博士。IEEE會員，IEEE Industry Applications Society會員，IEEE Magnetics Society會員。

本文基于有限元模型，分析了雙三相永磁直線同步電機的推力波動，其包括了兩個由于直線結構引起的分量，一個分量是由鐵芯開斷引起的磁路不對稱所產生，另一個分量由繞組空間位置不對稱引起的電感不對稱所產生。針對前者，采用了優化鐵芯邊端齒的方法來抑制；針對后者，則提出了不等匝數繞組結構來抑制，并通過優化得出了性能最佳的匝數配合。

研究背景

雙三相電機比三相電機降低了電源的要求，可以采用更低電壓標準的功率器件，系統的容錯性好；磁動勢及反電動勢波形大大改善；電機推力波動明顯降低。因此研究雙三相永磁直線電機非常重要。然而，在直線電機中存在著由鐵芯不連續結構引起的邊端效應和繞組開斷引起的各相互感不對稱等現象,因此在推力中存在特定頻率的推力波動，降低了推力的平穩性。

論文方法及創新點

在結構上，A1相與C2相位于兩端端部，因此改變這兩相繞組的匝數，就能夠使這兩者電感與其余四相趨于平衡，稱為不等匝數結構。改變繞組匝數固然也會使與A1、C2耦合的相互感減小，然而互感的數值遠小于自感，所以A1、C2匝數的稍微改變對互感的影響可以忽略不計。

理論上來講，雙三相電機中六相繞組都可以改變匝數，達到最優的匝數值，然而6個參數的計算比較復雜，所以要考慮減少參數。由繞組結構分析可得最需要調整是兩端相自感是A1和C2相，由圖1電機模型可以看出，B1和B2相在電機的中間位置，保持190匝不變，先考慮優化A1、A2、C1和C2相的繞組匝數。取得最優值，再去調校B1和B2相的繞組匝數，分組優化繞組匝數，降低計算難度。

通過有限元計算，A1、A2、C1、C2相匝數的優化結果如圖1所示，當A1、A2、C1、C2相線圈匝數分別等于188，189，186和187時，電機的推力波動最小，然后再去調校B1、B2相的繞組匝數。

圖1

圖2

同樣，B1、B2相匝數的優化結果如圖2所示，當B1、B2相繞組匝數分別等于190和188，此時電機的推力波動為2.43%，電機推力為304.4N。因此，通過端部優化與采用不等匝數繞組結構，該直線電機的推力波動明顯下降。

試驗基于邊端齒相同的常規結構樣機展開，因為該樣機鐵芯采用自鉚接結構，加工精度高，測試結果準確，能夠驗證分析模型的準確性。測試平臺如圖3所示，樣機由一臺空心線圈永磁直線電機拖動進行試驗，采用空心線圈永磁直線電機是因為其不存在齒槽力，推力波動小，速度平穩性好，不會給測試結果帶來誤差。

圖3 樣機測試

圖4 樣機仿真和測試結果比較

圖4顯示了樣機的測試結果與仿真結果對比，顯然定位力和反電勢的波形吻合度較好，證明了前述仿真模型與仿真結果的正確性。

結論

文章針對繞組空間位置排布不對稱引起的自感不對稱：通過采用改變相電感的方法，使原本不對稱的電感趨于對稱。相比自感，互感很小，可以忽略互感不對稱的影響。在不考慮飽和的情況下，由于電機的自感正比于匝數平方，采用了不等匝數結構來改變自感。基于有限元進行了匝數優化得到最佳的匝數分配。優化后的結構負載推力波動峰峰值下降23%，推力波動下降了30.7%。

引用本文

蔣錢, 盧琴芬, 李焱鑫. 雙三相永磁直線同步電機的推力波動及抑制[J]. 電工技術學報, 2021, 36(5): 883-892. Jiang Qian, Lu Qinfen, Li Yanxin. Thrust Ripple and Depression Method of Dual Three-Phase Permanent Magnet Linear Synchronous Motors. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(5): 883-892.