團(tuán)隊(duì)介紹

葉佩青，清華大學(xué)教研系列長聘教授，博士生導(dǎo)師，清華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)科智能數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)方向的學(xué)術(shù)帶頭人，機(jī)械工程國家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心主任，中機(jī)生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)機(jī)床專業(yè)委員會(huì)副主任。作為負(fù)責(zé)人承擔(dān)過自然科學(xué)基金、國家863、國家科技支撐計(jì)劃、國家02和04專項(xiàng)等省部級(jí)課題10項(xiàng)，國際合作項(xiàng)目2項(xiàng)，獲省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)５項(xiàng)，獲得發(fā)明專利40項(xiàng)。

張春雷，博士生，主要研究方向?yàn)橹本€電機(jī)設(shè)計(jì)與控制。

本文基于軸向磁動(dòng)勢(shì)函數(shù)與比磁導(dǎo)函數(shù)建立了兩相圓筒型永磁同步直線電機(jī)的電感模型，揭示了繞組斷開與耦合長度變化對(duì)于直線電機(jī)電感的影響方式。

研究背景

多葉準(zhǔn)直器（也稱多葉光柵）是放療裝備中的核心部件，其性能直接決定了X射線劑量分布精度和成野速度。不斷提高葉片運(yùn)動(dòng)速度和精度是放療領(lǐng)域的永恒追求。為此團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新研發(fā)了一種基于兩相圓筒型直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的快速成野多葉準(zhǔn)直器。相對(duì)于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多葉光柵，其具有成野速度快，使用壽命長，設(shè)備成本低的顯著優(yōu)勢(shì)。

圖1 直驅(qū)式快速成野多葉準(zhǔn)直器

論文所解決的問題及意義

由于多葉光柵是三類醫(yī)療器械，需要實(shí)現(xiàn)位置反饋的冗余設(shè)計(jì)。同時(shí)考慮到多葉光柵128臺(tái)直線電機(jī)陣列與緊湊的安裝空間限制，采用基于高頻注入的無位置傳感器算法作為第二位置反饋。

但由于多葉準(zhǔn)直器安裝空間與葉片行程的共同限制，在電機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中存在定子繞組與動(dòng)子耦合長度變化的情況。這將會(huì)導(dǎo)致直線電機(jī)的電感變化十分復(fù)雜。為了實(shí)現(xiàn)該直線電機(jī)的無位置傳感算法，需要在考慮定子繞組與動(dòng)子耦合長度影響的情況下對(duì)該電機(jī)全行程范圍內(nèi)電感變化規(guī)律進(jìn)行分析。

本論文揭示了直線電機(jī)繞組斷開與耦合長度變化對(duì)于電機(jī)電感的影響規(guī)律。為實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)基于高頻信號(hào)注入的無傳感算法提供了一準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。

圖2 兩相圓筒型直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

本文首先建立了完全耦合狀態(tài)下電機(jī)的軸向磁動(dòng)勢(shì)函數(shù)與軸向比磁導(dǎo)函數(shù)，在考慮直線電機(jī)繞組不連續(xù)的影響下，通過積分得到完全耦合狀態(tài)下圓筒型永磁同步直線電機(jī)的電感解析模型。在擴(kuò)展軸向比磁導(dǎo)函數(shù)的定義后，將電機(jī)耦合長度變化的影響引入到解析模型中，使解析模型適用于全行程范圍內(nèi)的電感計(jì)算。

然后，基于解析模型與有限元分析結(jié)果，對(duì)圓筒型永磁同步直線電機(jī)行程范圍內(nèi)的電感變化規(guī)律進(jìn)行了定量分析。最后，將解析模型與實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果相比較，進(jìn)一步驗(yàn)證了解析模型的有效性。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)主要是提出了考慮直線電機(jī)繞組斷開與耦合長度影響的電感計(jì)算方法。該方法可以準(zhǔn)確描述繞組斷開與耦合長度變化對(duì)于電機(jī)電感直流分量和二次諧波的影響規(guī)律。

圖3 直線電機(jī)A相自感

圖4 直線電機(jī)B相自感

結(jié)論

兩相圓筒型永磁同步直線電機(jī)的電感有如下特點(diǎn)：在電機(jī)全耦合狀態(tài)下，A、B相繞組互感直流分量不為零，自感二次諧波幅值為互感二次諧波幅值的兩倍。且dq軸的自感與互感存在明顯的二次與四次諧波分量。

在全行程范圍內(nèi)，A、B相繞組自感與互感的直流分量與二次諧波幅值會(huì)隨著電機(jī)耦合長度減少而下降。本文所得到的兩相圓筒型永磁同步直線電機(jī)的電感解析式，為該電機(jī)后續(xù)無傳感算法研究提供了準(zhǔn)確的數(shù)值模型。

引用本文

張春雷， 張輝， 葉佩青， 張魯宏. 兩相無槽圓筒型永磁同步直線電機(jī)電感計(jì)算與分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2021, 36(6): 1159-1168. Zhang Chunlei, Zhang Hui, Ye Peiqing, Zhang Luhong. Inductance Analysis of Two-Phase Slotless Tubular Permanent Magnet Synchronous Linear Motor. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(6): 1159-1168.