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(yè)評審專家等。現(xiàn)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(xié)同創(chuàng)新專項的負責人。擔任IEEE PES中國區(qū)電動汽車電驅動技術分委會委員，中國工業(yè)節(jié)能與清潔生產(chǎn)協(xié)會綠色電機系統(tǒng)專業(yè)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(fā)電機的設計及其優(yōu)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(tǒng)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(tǒng)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(chuàng)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(yè)的資助，積淀了豐富的研究方法和經(jīng)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(chuàng)性研究；面向工程，實現(xiàn)技術和集成創(chuàng)新”為指導思想。近年來，已形成了新型高效節(jié)能永磁同步電機理論及控制技術、高效節(jié)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(wěn)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(fā)電機的三相120°相帶環(huán)形繞組，該繞組方式可以有效地提高發(fā)電機的功率密度。然而，該三相120°相帶環(huán)形繞組圓筒型永磁直線發(fā)電機也存在著定位力問題，這將引起發(fā)電機的振蕩甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。

 

為解決此問題，本文建立了此發(fā)電機定位力解析模型，探究結構參數(shù)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(yōu)化措施，結合田口法對該電機結構進行多目標優(yōu)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(fā)電系統(tǒng)無齒輪、液壓系統(tǒng)等中間轉換裝置，直接與發(fā)電機構相連，具有結構簡單、能量轉換效率高、易于維護等優(yōu)點，在波浪能的開發(fā)利用中得到了廣泛的應用。

圓筒型永磁直線發(fā)電機結構對稱，無徑向電磁力，且其整個環(huán)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(fā)電系統(tǒng)的首選電機。但是圓筒型永磁直線發(fā)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(fā)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(huán)形繞組圓筒型永磁直線發(fā)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(shù)對定位力的影響，找出對定位力影響較大的結構參數(shù)。然后以這些參數(shù)為優(yōu)化變量，采用田口法對電機進行多目標優(yōu)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(chuàng)新點

針對120°相帶環(huán)形繞組圓筒型永磁直線發(fā)電機存在的定位力問題，本文研究了電機結構參數(shù)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(yōu)化措施，結合田口法對該電機進行多目標優(yōu)化，使其定位力得到極大地降低。

圖1 優(yōu)化流程圖

結論

文章分析了120°相帶環(huán)形繞組圓筒型永磁直線發(fā)電機不同結構參數(shù)（定子鐵心長度、極弧系數(shù)、槽肩寬度、定子齒寬和氣隙長度）對定位力的影響。根據(jù)分析結果，結合田口方法對該發(fā)電機進行多目標優(yōu)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(yōu)結構參數(shù)。

引用本文

司紀凱， 嚴作光， 聶瑞， 徐帥， 董亮輝. 120°相帶環(huán)形繞組圓筒型永磁直線發(fā)電機定位力降低的優(yōu)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.