黃克峰，李槐樹，潘元璋，周 羽

(海軍工程大學(xué)，湖北武漢 430033)

0 引 言

直線電動(dòng)機(jī)是一類將電能直接轉(zhuǎn)化為直線電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能而不需要增加中間變換裝置的電機(jī)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)在交通運(yùn)輸、工業(yè)、物流輸送等各個(gè)方面得到了廣泛應(yīng)用。直線電動(dòng)機(jī)技術(shù)在國外起步比我們?cè)?、技術(shù)較領(lǐng)先。隨著國內(nèi)研究人員對(duì)該技術(shù)的掌握，近些年在國內(nèi)各個(gè)直驅(qū)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，直驅(qū)式技術(shù)逐漸成為了研究熱點(diǎn)，但由于我國對(duì)直線電動(dòng)機(jī)的技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用起步比較晚，尤其是圓筒型永磁直線電動(dòng)機(jī)目前應(yīng)用更少、研究也不多、理論體系也沒有形成，尚有許多問題亟待解決［1－2］。

在國內(nèi)研究的樣機(jī)中，目前最高額定效率偏低，只有18%，最高額定推力也不大，只有170 kg/m，推力大小和效率沒法達(dá)到系統(tǒng)的要求。為了能夠更好的發(fā)揮這種電機(jī)在直驅(qū)系統(tǒng)中的優(yōu)勢，研究影響電機(jī)性能因數(shù)的規(guī)律就變得很有必要。

1 圓筒型永磁直線電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)和工作原理［2］

永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)經(jīng)過結(jié)構(gòu)上的演變就是圓筒型永磁直線電動(dòng)機(jī)如圖1所示。把永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖開拉直，就能夠得到平板型永磁直線電動(dòng)機(jī)，再將平板型電機(jī)的扁平部分卷繞起來使其與磁場運(yùn)動(dòng)方向，就得到了圓筒型永磁直線電動(dòng)機(jī)。圓筒型永磁直線電動(dòng)機(jī)主要由動(dòng)子鐵心、永磁體、不銹鋼軸、定子鐵心、定子繞組幾部分結(jié)構(gòu)組成。

圖1 扁平型結(jié)構(gòu)到圓筒型結(jié)構(gòu)的演變過程

圓筒型永磁直線電動(dòng)機(jī)與永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)的工作原理基本一樣。即在定子三相繞組中通入對(duì)稱正弦電流時(shí)，這樣就能在氣隙中形成行波磁場，永磁體產(chǎn)生的磁場和行波磁場之間互相作用形成電磁推力，電磁推力推動(dòng)著動(dòng)子作直線運(yùn)動(dòng)。

與普通永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)和扁平型永磁直線電動(dòng)機(jī)相比，圓筒型永磁直線電動(dòng)機(jī)具有較多的優(yōu)點(diǎn):①定子繞組利用率高;②沒有橫向邊緣效應(yīng)，端部漏磁消失;③由于對(duì)稱的軸向結(jié)構(gòu)，使得在徑向方向動(dòng)子拉力互相抵消，較好地消除了單邊磁拉力。由于該種電機(jī)擁有這么多優(yōu)勢，為了在直驅(qū)系統(tǒng)中更好的應(yīng)用，就必須掌握影響電機(jī)性能的規(guī)律。

2 影響圓筒型永磁直線電動(dòng)機(jī)的因素

2.1 電機(jī)類型的影響

根據(jù)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)所通入的電流方式不同，圓筒型永磁直線電動(dòng)機(jī)可分為如表1所示的三種類型?？紤]到電機(jī)的性能優(yōu)勢和所使用環(huán)境等一些限制因素，我們通過表1比較得出了一般選擇圓筒型永磁同步直線電動(dòng)機(jī)。

表1 不同結(jié)構(gòu)永磁直線電動(dòng)機(jī)

2.2 動(dòng)子永磁體充磁方向的影響［3－5］

圓筒型永磁直線電動(dòng)機(jī)有三種不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式，如圖2所示。

圖2 三種不同充磁方式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

從圖3中可以看出:軸向充磁的永磁體結(jié)構(gòu)氣隙磁密大且波形好，徑向充磁的永磁體結(jié)構(gòu)波形好但和相同情況的軸向充磁結(jié)構(gòu)相對(duì)氣隙磁密偏小;Halbach永磁體結(jié)構(gòu)的漏磁比較大，導(dǎo)致磁密波形小且不規(guī)則。綜合三者的情況可以得出軸向充磁方式的永磁體結(jié)構(gòu)在性能上更優(yōu)，再把優(yōu)化極距大小和永磁體軸向充磁長度兩者進(jìn)行匹配，可以得到一個(gè)理想的推力輸出能力，而且該種充磁方式結(jié)構(gòu)簡單便于制造。

圖3 不同充磁方向定子表面氣隙磁密對(duì)比

2.3 定子鐵心結(jié)構(gòu)的影響［6－7］

目前圓筒型永磁直線電動(dòng)機(jī)內(nèi)通用的定子是既在表面起軸承作用，同時(shí)支撐電機(jī)動(dòng)子的不銹鋼定子內(nèi)襯管，雖然在制造方面工藝簡單，但是增加了很多額外的電機(jī)鐵耗，降低了整個(gè)電機(jī)的推力大小和效率等性能，不利于節(jié)能和提高電機(jī)系統(tǒng)性能;圓環(huán)形硅鋼片作為電機(jī)定子鐵心，雖然制造工藝簡單，但磁場感應(yīng)出的渦流回路仍然存在，額外增加了電機(jī)鐵耗。這些通用設(shè)計(jì)雖然制造簡單，也能達(dá)到一定的設(shè)計(jì)要求，但非常不利于電機(jī)性能的提高，所以很有必要對(duì)這些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。

本文研究圓筒型永磁直線電動(dòng)機(jī)去掉定子內(nèi)襯管，將電機(jī)定子的槽口結(jié)構(gòu)由開口改成半閉口，如圖4(a)所示，既可以減小等效氣隙磁阻大小達(dá)到提高氣隙磁密，又使得漏磁部分得到很好的控制，這樣就較好地優(yōu)化了氣隙磁密波形，有效地達(dá)到了減小電機(jī)齒槽力的目的;軸向硅鋼疊片結(jié)構(gòu)運(yùn)用到定子鐵心如圖4(b)所示，該種結(jié)構(gòu)的鐵心在力容量、系統(tǒng)運(yùn)行效率和功率因數(shù)等方面都具有很大的優(yōu)勢，如圖5所示。同時(shí)該種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)于其他結(jié)構(gòu)電機(jī)鐵耗小，從而很好地提高了電機(jī)性能指標(biāo)。

2.4 槽數(shù)的影響

圖6為4種不同極槽配合下的圓筒型永磁同步直線電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)型式。下面對(duì)這4種結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，并通過仿真比較這4種電機(jī)的性能。

圖6(a)的結(jié)構(gòu)適合采用方波電流控制的電機(jī)。因?yàn)閳A筒型永磁直線電動(dòng)機(jī)特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，取消了端部，故沒有永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)運(yùn)用該種結(jié)構(gòu)時(shí)所能夠達(dá)到的運(yùn)行效率高、功率因數(shù)好等優(yōu)點(diǎn);如果通入其他類型的電流，基波繞組因數(shù)低，反而諧波繞組因數(shù)偏高，故采用別的類型電流時(shí)電機(jī)性能差;該型電機(jī)每極下對(duì)應(yīng)1.5個(gè)槽，便于制造。但圓筒型永磁直線電動(dòng)機(jī)采用三相正弦波電流，不適合該結(jié)構(gòu)。

圖6(b)的結(jié)構(gòu)適合采用三相對(duì)稱正弦波電流進(jìn)行控制，基波繞組因數(shù)高，同時(shí)諧波繞組因數(shù)也高，導(dǎo)致氣隙磁密波形差，從而電機(jī)性能不高;該種結(jié)構(gòu)電機(jī)每個(gè)極下對(duì)應(yīng)3個(gè)槽，制造上增加了一定的復(fù)雜度。

圖6(c)的結(jié)構(gòu)也適合采用三相對(duì)稱正弦波電流進(jìn)行控制，基波繞組因數(shù)高，諧波繞組因數(shù)低，有利于提高電機(jī)的性能;但是每個(gè)極下6個(gè)槽，這樣每個(gè)槽將比較小，不利于制造，也不利于節(jié)約成本，性價(jià)不高。

圖6(d)的結(jié)構(gòu)諧波繞組因數(shù)低、基波繞組因數(shù)卻很高;當(dāng)極數(shù)和槽數(shù)很接近時(shí)，齒槽力周期多、幅值小。每極對(duì)應(yīng)1槽左右，三相繞組相對(duì)獨(dú)立，便于制作，性價(jià)比高。

圖6 4種不同的極槽配合結(jié)構(gòu)

圖7 四種不同的齒槽配合下的氣隙磁密波形對(duì)比

從圖7中可以看出，當(dāng)電機(jī)的槽數(shù)和極數(shù)很接近(10極9槽)時(shí)，在定子表面產(chǎn)生的氣隙磁密波形幅值大、基波比例大、諧波比例小，有利于產(chǎn)生接近正弦的氣隙磁密波形，從而該種結(jié)構(gòu)的電機(jī)齒槽力小。相反，2極3槽、2極6槽和2極12槽相對(duì)于10極9槽的結(jié)構(gòu)，氣隙磁密波形差、幅值偏小、基波比例低、諧波比例偏大，不利于產(chǎn)生接近正弦的氣隙磁密波形，從而電機(jī)將產(chǎn)生較大的齒槽力。故只有槽數(shù)和極數(shù)很接近時(shí)，有利于產(chǎn)生接近正弦的氣隙磁密波形。

3 結(jié) 論

本文結(jié)合了圓筒型永磁直線電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和設(shè)計(jì)過程，分別從電機(jī)類型的選擇、轉(zhuǎn)子永磁體充磁方向、定子鐵芯結(jié)構(gòu)的確定和一個(gè)極下不同的槽數(shù)幾個(gè)方面分析了這些因數(shù)影響電機(jī)性能的規(guī)律，得出了一定有價(jià)值的結(jié)論，從而為設(shè)計(jì)性能優(yōu)越、制作簡單、性價(jià)比高的圓筒型永磁直線電動(dòng)機(jī)提供了有力的理論依據(jù)和參考價(jià)值。

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