郝雯娟，王 宇

(1.南京航空航天大學(xué) 金城學(xué)院，南京211156；2.南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，南京211106)

0 引 言

隨著電機相關(guān)新技術(shù)的發(fā)展，交通運輸、國防、工業(yè)設(shè)備、礦井提升等領(lǐng)域?qū)︱?qū)動電機及驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能、體積、成本、可靠性等方面的要求越來越高。采用旋轉(zhuǎn)電機和機械轉(zhuǎn)換裝置將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動或其他的驅(qū)動方式越來越不能滿足相應(yīng)的要求。因此，直線電機在上述領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用[1-3]。

在軌道交通和工業(yè)運輸?shù)葓龊希c旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動相比，直線電機驅(qū)動主要優(yōu)勢如下[4-5]：

(1)直線電機不需要中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)就可以直接將電能變成直線運動的機械能，具有結(jié)構(gòu)簡單且動態(tài)響應(yīng)快，施工成本低的優(yōu)點。

(2)直線電機牽引具有良好的爬坡能力，且無需減速齒輪等裝置，轉(zhuǎn)向架設(shè)計的自由度大，車輛易于通過小半徑曲線線路，可縮短線路建設(shè)長度。

20 世紀70年代以后，隨著工業(yè)化國家經(jīng)濟實力不斷增強以及對交通運輸中舒適性或快速性需求的日益增長，德國、日本、美國、中國等國家相繼開展了磁懸浮運輸系統(tǒng)的研發(fā)。在運輸系統(tǒng)用直線電機的選擇上，各類電機都有各自的優(yōu)勢[6-7]。

近幾年，直線開關(guān)磁阻電機的研究備受各國研究人員的關(guān)注。該類電機具有以下特點[8]：

(1)只在動子放置集中繞組，短動子場合應(yīng)用時成本低。

(2)定子為結(jié)構(gòu)簡單可靠的凸極鐵心，對建造條件要求低。

(3)制作維護成本低，容錯性能好。

磁懸浮直線開關(guān)磁阻電機屬于直線開關(guān)磁阻電機的衍生結(jié)構(gòu)，具有上述直線開關(guān)磁阻電機的優(yōu)點，結(jié)合有效的懸浮方案，在磁懸浮運輸系統(tǒng)中具有一定的應(yīng)用潛力[9-10]。

在磁懸浮直線電機系統(tǒng)中，高性能的推力和懸浮力解耦控制是實現(xiàn)磁懸浮系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。然而，解耦控制算法往往比較復(fù)雜，傳統(tǒng)的懸浮力控制往往需要電樞電流和動子前進位置的信息[9]。因此，為了簡化懸浮力控制，降低懸浮力控制與動子位置信息的耦合，提高懸浮力控制與推力控制的獨立性，本文從電機結(jié)構(gòu)上進行改進，提出一種直線電機懸浮模塊用于磁懸浮直線開關(guān)磁阻電機的懸浮控制系統(tǒng)，通過該懸浮模塊的特殊設(shè)計，可以實現(xiàn)懸浮模塊和電樞模塊獨立，并且懸浮力控制與動子前進位置解耦，使得懸浮力控制更簡單。

全文安排如下：第二部分對所提出磁懸浮模塊進行了設(shè)計和分析；第三部分利用有限元軟件驗證了模塊的有效性；第四部分提出了一種改進結(jié)構(gòu)并進行驗證。第五部分給出了結(jié)論。

1 懸浮模塊設(shè)計

本文提出的懸浮模塊及采用該模塊的磁懸浮直線開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，懸浮繞組通入懸浮電流后的磁力線分布如圖1(b)所示，圖1(c)給出了其尺寸標識。

圖1(a)中，L1～L3為懸浮繞組，A1～C2為電樞繞組。從圖1(a)和圖1(b)可以看出，所提出懸浮模塊采用E型鐵心結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)磁路相對獨立，在用于磁懸浮直線開關(guān)磁阻電機時，配合電樞模塊和懸浮模塊之間的隔磁磁障，可以有效的減小電樞部分和懸浮部分的磁路耦合。

圖1(c)中，wst為定子齒寬，為了使懸浮繞組磁路的合成磁導(dǎo)(電感)隨動子前進位置基本不發(fā)生變化或者變化較小，從而使得懸浮繞組通直流電時所產(chǎn)生的懸浮力隨動子前進位置基本不發(fā)生變化，即實現(xiàn)懸浮力控制與動子前進位置解耦，該懸浮模塊尺寸在設(shè)計時需要其端部窄齒和中間寬齒以及齒間距的尺寸匹配，具體設(shè)計特點如下：

圖1 懸浮模塊結(jié)構(gòu)

(1)懸浮模塊軛的厚度、槽的寬度、兩邊端部窄齒的寬度與定子齒寬wst相同。

(2)懸浮模塊中間寬齒的寬度是定子齒寬wst的4倍。

(3)定子極距是定子齒寬wst的4倍。

圖1(c)同時也給出了懸浮模塊3個氣隙磁導(dǎo)P1、P2和P3的標識，懸浮模塊等效磁路模型如圖2所示，其中，F(xiàn)e為懸浮繞組產(chǎn)生的磁動勢。

圖2 懸浮模塊磁路模型

根據(jù)前面所述懸浮模塊的特殊設(shè)計以及圖2的磁路模型可得3個氣隙磁導(dǎo)P1、P2和P3的表達式，如下：

(1)

(2)

(3)

式中，μ0為空氣磁導(dǎo)率，D為電機厚度，g為氣隙寬度，wm為懸浮模塊中間齒中心軸線與其最近的定子齒中心軸線之間在水平方向方向的距離，如圖1(c)所示。則總的氣隙磁導(dǎo)為

(4)

從式(4)可以看出，電機參數(shù)一定時，總氣隙磁導(dǎo)可以看成是常數(shù)，即懸浮模塊氣隙磁導(dǎo)與動子前進位置無關(guān)，即懸浮繞組電感的變化獨立于動子前進方向的位置，二者解耦。那么，懸浮繞組通直流電時所產(chǎn)生的懸浮力隨動子前進位置基本不發(fā)生變化，這樣，懸浮力控制只需調(diào)節(jié)懸浮電流(直流)的幅值即可，加上懸浮模塊與電樞模塊磁路耦合程度低，那么懸浮力控制系統(tǒng)及算法被大大簡化了。

2 仿真分析

為了驗證所提出懸浮模塊的有效性，本節(jié)采用Ansoft有限元軟件對懸浮模塊進行仿真分析。采用懸浮模塊的磁懸浮直線開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，主要參數(shù)見表1。

表1 磁懸浮直線開關(guān)磁阻電機主要參數(shù)

其中，電樞部分可以看成是一臺三相12/14動定子極數(shù)配合的直線開關(guān)磁阻電機，其對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)在文獻[11-12]中有深入研究，這里不再贅述。

圖3給出了懸浮模塊的仿真結(jié)果，其中動子位置用電角度θ表示。這里，定義各波形峰峰值與平均值的比值為脈動比例。

圖3 懸浮模塊結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

圖3(a)為懸浮繞組D3的自感波形，可以發(fā)現(xiàn)波形脈動較小，其脈動比例為5.5%，驗證了前面的理論分析，即懸浮繞組電感隨動子前進位置基本不發(fā)生變化或者變化較小。

圖3(b)為懸浮繞組D3與其相鄰電樞繞組B之間的互感波形，可以發(fā)現(xiàn)，兩個繞組之間的互感非常小，平均值約為8μH，相對于懸浮繞組自感平均值4mH，互感大小可以忽略不計，說明懸浮模塊和電樞模塊磁路耦合程度低，從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了懸浮力控制和推力控制解耦。

圖3(c)為額定懸浮電流下懸浮力FL波形，可以發(fā)現(xiàn)，懸浮力脈動很小，其脈動比例為5.1%，即懸浮力幅值隨動子前進位置變化很小，也就是懸浮力的控制與動子前進位置解耦，圖3(d)中懸浮電流突變時懸浮力波形可以驗證懸浮力的控制只需調(diào)節(jié)懸浮電流的幅值即可實現(xiàn)，懸浮電流的控制屬于標量控制。

圖3(e)為不同懸浮電流IL下懸浮力平均值，表2給出了圖中各懸浮力脈動比例。可以發(fā)現(xiàn)，額定懸浮電流以下，可以通過調(diào)節(jié)懸浮電流大小線性的調(diào)節(jié)懸浮力，脈動比例都比較小。

表2 不同懸浮電流下懸浮力脈動比較

為了研究懸浮力對推力的影響，圖3(f)給出了電樞繞組A相和懸浮繞組同時加額定電流時的電機推力FtA1，和電樞繞組A相加額定電流而懸浮繞組不加懸浮電流時電機推力FtA2的波形?？梢园l(fā)現(xiàn)，加懸浮電流前后電機推力的相位幾乎沒有變化，只有峰值有很小程度的增加，影響較小，可以認為懸浮力控制和推力控制基本解耦。

綜上所述，所提出懸浮模塊可以有效實現(xiàn)：(1)懸浮力控制和推力控制基本解耦；(2)懸浮力控制與動子前進位置解耦。因此可以很大程度上降低懸浮控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。

3 結(jié)構(gòu)改進

磁懸浮直線電機在磁懸浮運輸系統(tǒng)中應(yīng)用時，需要產(chǎn)生較大的懸浮力，如文獻[13]中的小型磁懸浮運輸系統(tǒng)，需要懸浮部分產(chǎn)生較大的吸力來平衡車身重量實現(xiàn)懸浮。因此，本文對圖1中的懸浮模塊進行改進，提出了一種改進的懸浮模塊，結(jié)構(gòu)和尺寸標識如圖4(a)所示，其中，永磁體寬度為3mm，改進懸浮模塊的磁力線分布圖如圖4(b)所示。

從圖4(a)和圖4(b)可以看出，改進懸浮模塊在軛部加入兩塊充磁方向相反的永磁體來聚磁，從而提高懸浮電流利用率，增加懸浮模塊的磁拉力，由于所加入的永磁體體積較小，且在動子，所以成本增加有限。

圖4 改進懸浮模塊結(jié)構(gòu)及磁力線分布

圖5給出了改進懸浮模塊的仿真結(jié)果。

從圖5(a)～圖5(e)可以發(fā)現(xiàn)，改進懸浮模塊同樣也具有較強的解耦特性，即懸浮繞組自感脈動比例較小，與電樞繞組見的互感非常小可以忽略，懸浮力脈動也較小。表3給出了圖中各懸浮力脈動比例，不同電流下脈動比例都比較小。圖5(f)給出了電樞繞組A相和懸浮繞組同時加額定電流時的電機推力FtA1，和電樞繞組A相加額定電流而懸浮繞組不加懸浮電流時電機推力FtA2的波形。可以發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)中懸浮電流對推力影響較小，懸浮力控制和推力控制解耦程度高。

表3 改進懸浮模塊在不同懸浮電流下懸浮力脈動比較

比較圖3(d)和圖5(d)可以發(fā)現(xiàn)，相同額定電流下，改進模塊的懸浮力大大提高了，提高了約40%，說明該結(jié)構(gòu)可以有效提高懸浮電流利用率，減小懸浮系統(tǒng)損耗。

結(jié)合圖4(b)和圖5(e)可以發(fā)現(xiàn)，懸浮繞組磁場和永磁磁場共同作用于氣隙，不加懸浮電流時，懸浮模塊由于永磁磁場的作用，已經(jīng)具有磁拉力，當(dāng)懸浮電流為正時，該磁拉力增加，懸浮電力為負時，該磁拉力減小。

圖5 改進懸浮模塊結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

4 結(jié) 論

磁懸浮直線開關(guān)磁阻電機繼承了直線開關(guān)磁阻電機的優(yōu)點，結(jié)合有效的懸浮系統(tǒng)設(shè)計，在磁懸浮運輸系統(tǒng)中具有一定的應(yīng)用潛力。由于傳統(tǒng)的懸浮系統(tǒng)懸浮力控制，需要在不同動子位置下建立懸浮繞組自感(懸浮力)與轉(zhuǎn)子位置信息對應(yīng)的解析函數(shù)，才能實現(xiàn)懸浮系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，實現(xiàn)起來比較復(fù)雜。本文提出的懸浮模塊和改進懸浮模塊，通過E型鐵心結(jié)構(gòu)和磁障隔離，實現(xiàn)了懸浮力控制和推力控制解耦；通過特殊的尺寸配合設(shè)計，實現(xiàn)了懸浮力控制與動子前進位置解耦，使得懸浮電流控制變成標量控制。因此，采用這兩種懸浮模塊的磁懸浮直線電機系統(tǒng)可以很大程度上降低懸浮控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，使得懸浮力控制更簡單。此外，所提出的改進懸浮模塊可以有效提高懸浮電流利用率，減小懸浮繞組損耗。