作者及團隊介紹

司紀凱，工學博士，鄭州大學特聘教授/博導、河南省教育廳學術技術帶頭人，科技部評審專家、河南省中小型企業評審專家等。現擔任鄭州市機器人驅動與控制重點實驗室主任及鄭州市協同創新專項的負責人。擔任IEEE PES中國區電動汽車電驅動技術分委會委員，中國工業節能與清潔生產協會綠色電機系統專業委員會。

嚴作光，碩士研究生，主要研究方向為圓筒型永磁直線發電機的設計及其優化。

聶瑞，博士后，主要研究方向為特種電機的設計及其控制。

徐帥，鄭州大學電氣工程學院講師，博士，主要研究方向為電動汽車和智能制造用先進電機驅動系統研究。

董亮輝，鄭州大學電氣工程學院講師，博士，主要研究方向為電機驅動控制、電機系統的故障診斷和容錯控制、電力電子變換技術。

鄭州大學“先進電磁驅動及控制科研中心”團隊，以司紀凱教授為學術帶頭人，目前共有成員20人，其中高級職稱8人，博士2人，碩士10人。

團隊研究基礎扎實，成果顯著，勇于創新。近年來，團隊已在本學科前沿和相關領域進行了卓有成效的工作，先后得到國家自然科學基金、教育部博士點專項基金等省部級、市廳級科研課題及相關企業的資助，積淀了豐富的研究方法和經驗，取得了多項前期研究成果。

團隊始終堅持以“瞄準基礎研究前沿方向，突出原創性研究；面向工程，實現技術和集成創新”為指導思想。近年來，已形成了新型高效節能永磁同步電機理論及控制技術、高效節能永磁同步電機驅動機器人技術、兩自由度直驅電機理論及控制技術等三個穩定的特色研究方向。

本文提出了一種適用于圓筒型永磁直線發電機的三相120°相帶環形繞組，該繞組方式可以有效地提高發電機的功率密度。然而，該三相120°相帶環形繞組圓筒型永磁直線發電機也存在著定位力問題，這將引起發電機的振蕩甚至使系統不穩定。

 

為解決此問題，本文建立了此發電機定位力解析模型，探究結構參數對定位力的影響。以降低定位力為目標，采用輔助齒、半開口槽、Halbach永磁體等優化措施，結合田口法對該電機結構進行多目標優化設計，在保證輸出功率不變的前提下，最大限度地降低定位力。

研究背景

直驅式波浪能發電系統無齒輪、液壓系統等中間轉換裝置，直接與發電機構相連，具有結構簡單、能量轉換效率高、易于維護等優點，在波浪能的開發利用中得到了廣泛的應用。

圓筒型永磁直線發電機結構對稱，無徑向電磁力，且其整個環形繞組都為有效邊，無繞組端部，繞組利用率相對較高，因此成為直驅式波浪能發電系統的首選電機。但是圓筒型永磁直線發電機存在定位力問題，如何在不損失輸出功率的前提下，最大限度地降低定位力是該電機開發利用的難點之一。

論文所解決的問題及意義

本文針對120°相帶環形繞組圓筒型永磁直線發電機存在的定位力問題，通過建立該電機定位力解析模型，探究了各結構參數對定位力的影響，找出對定位力影響較大的結構參數。然后以這些參數為優化變量，采用田口法對電機進行多目標優化設計，該方法能在不損失輸出功率的情況下，最大限度地降低電機定位力。

論文方法及創新點

針對120°相帶環形繞組圓筒型永磁直線發電機存在的定位力問題，本文研究了電機結構參數與定位力的關系，建立二者之間的解析模型。在此基礎上，以降低定位力為目標，采用輔助齒、半開口槽、Halbach永磁體等優化措施，結合田口法對該電機進行多目標優化，使其定位力得到極大地降低。

圖1 優化流程圖

結論

文章分析了120°相帶環形繞組圓筒型永磁直線發電機不同結構參數（定子鐵心長度、極弧系數、槽肩寬度、定子齒寬和氣隙長度）對定位力的影響。根據分析結果，結合田口方法對該發電機進行多目標優化設計，使其在輸出功率基本不變的情況下，定位力明顯降低，得到了電機的最優結構參數。

引用本文

司紀凱， 嚴作光， 聶瑞， 徐帥， 董亮輝. 120°相帶環形繞組圓筒型永磁直線發電機定位力降低的優化設計[J]. 電工技術學報， 2021, 36(6): 1138-1148. Si Jikai, Yan Zuoguang, Nie Rui, Xu Shuai, Dong Lianghui. Optimal Design of a Tubular Permanent Magnet Linear Generator with 120°Phase Belt Toroidal Windings for Detent Force Reduction. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(6): 1138-1148.