作者介紹

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(huì)員，中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員。獲2005年度教育部技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，獲2006年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，獲第六屆國(guó)際發(fā)明展覽會(huì)銀獎(jiǎng)2項(xiàng)，獲第十九屆全國(guó)發(fā)明展覽會(huì)銀獎(jiǎng)1項(xiàng)，獲2014年度教育部技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。2008年入選教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)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(chǔ)技術(shù)、磁懸浮及電磁推進(jìn)技術(shù)的研究。近年來(lái)獲授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利130余項(xiàng)。

本文針對(duì)傳統(tǒng)的4極6槽雙邊對(duì)稱長(zhǎng)初級(jí)永磁直線同步電機(jī)，在保證電磁推力大小的情況下，提出了一種采用雙邊錯(cuò)位來(lái)降低永磁體渦流損耗的有效方法。介紹了電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，闡明雙邊錯(cuò)位結(jié)構(gòu)可以完全消除偶數(shù)次電樞諧波磁動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而能大幅度降低次級(jí)永磁體渦流損耗。

研究背景

20世紀(jì)90年代以來(lái)，電力電子技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，用于電磁推進(jìn)系統(tǒng)的直線電機(jī)逐漸成為研究的熱點(diǎn)。雙邊長(zhǎng)初級(jí)分?jǐn)?shù)槽集中繞組永磁直線同步電機(jī)非常適用于高速、高加速度場(chǎng)合。

但是分?jǐn)?shù)槽集中繞組的電樞磁動(dòng)勢(shì)諧波含量比較大，特別是高速場(chǎng)合，這些諧波磁動(dòng)勢(shì)相對(duì)于次級(jí)高速運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而在永磁體內(nèi)感應(yīng)出渦流，使得永磁體溫度升高，甚至引起退磁。因此，研究有效降低次級(jí)渦流損耗的方法具有很重大的意義。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

圖1為傳統(tǒng)4極6槽DSSLP-PMLSM的基本結(jié)構(gòu)。圖2為提出的雙邊DSDLP-PMLSM的基本結(jié)構(gòu)。

圖1 DSSLP-PMLSM基本結(jié)構(gòu)

圖2 DSDLP-PMLSM基本結(jié)構(gòu)

電機(jī)主要由初級(jí)和次級(jí)兩部分組成，初級(jí)包括初級(jí)鐵心和兩套初級(jí)繞組，次級(jí)包括基板和永磁體。雙邊初級(jí)形成串聯(lián)磁路，兩套繞組對(duì)應(yīng)相串聯(lián)連接。

相比于傳統(tǒng)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，DSDLP-PMLSM的主要特點(diǎn)：①初級(jí)寬等于槽寬，雙邊鐵心一側(cè)的齒與另一側(cè)的槽相對(duì)；②兩套繞組不是對(duì)稱布置，對(duì)應(yīng)相之間錯(cuò)了一個(gè)極距，并且反向連接。

選取同相相互錯(cuò)位的兩個(gè)單線圈為對(duì)象，分析DSDLP-PMLSM的電樞磁動(dòng)勢(shì)。圖3為兩個(gè)線圈的磁動(dòng)勢(shì)諧波分布。從圖可見(jiàn)，相互錯(cuò)位的兩個(gè)同相線圈產(chǎn)生的各次諧波磁動(dòng)勢(shì)有所差異，1、5、7次諧波磁動(dòng)勢(shì)分量空間分布相同，2、4次諧波磁動(dòng)勢(shì)分量空間分布正好反向。

圖3 磁動(dòng)勢(shì)諧波分析

圖4為相同工況下兩種結(jié)構(gòu)的電磁推力對(duì)比曲線。從圖中可知，兩種結(jié)構(gòu)電磁推力隨時(shí)間的變化曲線相差不大，錯(cuò)位結(jié)構(gòu)的平均電磁推力略小于對(duì)稱結(jié)構(gòu)。對(duì)稱結(jié)構(gòu)的平均電磁推力為596N，錯(cuò)位結(jié)構(gòu)的平均電磁推力為566N，約降低了5%，錯(cuò)位結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)電磁推力的影響很小。

圖4 電磁推力對(duì)比曲線

圖5為兩種結(jié)構(gòu)的永磁體渦流損耗對(duì)比曲線。從圖中可知，對(duì)稱結(jié)構(gòu)的永磁體渦流損耗平均值為36.1W，錯(cuò)位結(jié)構(gòu)為5.6W，降低了近84.5%。

圖5 永磁體渦流損耗對(duì)比曲線

圖6為永磁體渦流損耗分布。從圖中可知，對(duì)于對(duì)稱結(jié)構(gòu)，基板兩側(cè)的永磁體渦流呈對(duì)稱分布，錯(cuò)位結(jié)構(gòu)基板兩側(cè)的永磁體渦流損耗分布不同，錯(cuò)位結(jié)構(gòu)可以有效地降低永磁體渦流損耗。

圖6 永磁體渦流損耗分布

總結(jié)

本文針對(duì)4極6槽雙邊對(duì)稱長(zhǎng)初級(jí)永磁直線同步電機(jī)，提出一種雙邊錯(cuò)位結(jié)構(gòu)，采用雙邊錯(cuò)位的方法對(duì)電機(jī)電樞磁動(dòng)勢(shì)諧波進(jìn)行削弱。

結(jié)果表明，雙邊錯(cuò)位結(jié)構(gòu)相比于雙邊對(duì)稱結(jié)構(gòu)，電樞諧波磁動(dòng)勢(shì)僅存在奇數(shù)次，偶數(shù)次被完全消除；雙邊錯(cuò)位結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)的定位力和電磁推力影響都很小，使永磁體渦流損耗下降了近84.5%，該結(jié)構(gòu)可以在保證電磁推力的情況下有效降低永磁體渦流損耗。

引用本文

寇寶泉， 葛慶穩(wěn)， 張浩泉， 牛旭， 黃昌闖. 雙邊錯(cuò)位高速永磁直線同步電機(jī)的設(shè)計(jì)與分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2021, 36(6): 1149-1158. Kou Baoquan, Ge Qingwen, Zhang Haoquan, Niu Xu, Huang Changchuang. Design and Analysis of Double-Sided Dislocated High Speed Permanent Magnet Linear Synchronous Motors. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(6): 1149-1158.