團(tuán)隊(duì)介紹

羅俊，博士研究生，研究方向?yàn)樾滦陀来胖本€電機(jī)的建模與優(yōu)化設(shè)計(jì)。曾參與包含國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金在內(nèi)的橫縱向科技項(xiàng)目10余項(xiàng)，發(fā)表SCI、EI論文7篇，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利11項(xiàng)。

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(zhuān)利130余項(xiàng)。

導(dǎo)語(yǔ)

本文提出一種雙交替極橫向磁通直線電機(jī)結(jié)構(gòu)，在其初級(jí)和次級(jí)側(cè)均安置永磁體，充分利用了電機(jī)內(nèi)部空間，提高了與繞組交鏈的永磁磁通，進(jìn)而提高了電機(jī)推力密度。介紹了該電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，并推導(dǎo)電機(jī)主要尺寸與電磁力之間的關(guān)系式。

通過(guò)三維有限元法研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)推力密度的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并研制一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。通過(guò)對(duì)樣機(jī)的三相反電動(dòng)勢(shì)和靜推力進(jìn)行測(cè)量，并與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果之間具有較好的吻合度。

研究背景

近年來(lái)，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，以直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)加中間轉(zhuǎn)換裝置的間接傳動(dòng)方式，可以使得系統(tǒng)具有高精度、高速度、高效率、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。而高性能高品質(zhì)的直線電機(jī)是直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部件。

傳統(tǒng)縱向磁通直線電機(jī)受限于磁路與電路之間的矛盾，難以進(jìn)一步提高電機(jī)推力密度。而橫向磁通直線電機(jī)集合了橫向磁通電機(jī)推力密度高和直線電機(jī)能直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載做直線運(yùn)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，十分適合應(yīng)用于精密運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域。因此，研究高推力密度的橫向磁通直線電機(jī)具有迫切的應(yīng)用需求。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

本文所研究的新型雙交替極橫向磁通直線電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在電機(jī)初級(jí)和次級(jí)均放置了永磁體，且所有永磁體的充磁方向相同。在空載條件下，初級(jí)永磁體和次級(jí)永磁體產(chǎn)生的有效磁通均與繞組相交鏈，相對(duì)于單邊勵(lì)磁的橫向磁通直線電機(jī)，DCP-TFLM能夠獲得更高的推力密度。

單相DCP-TFLM不具有自起動(dòng)能力，且推力波動(dòng)較大，因此通常將橫向磁通電機(jī)設(shè)計(jì)為多相結(jié)構(gòu)。將m個(gè)電機(jī)初級(jí)沿著運(yùn)動(dòng)方向依次錯(cuò)開(kāi)（2kτ+2τ/m）的距離排列（其中，k為任意正整數(shù)，τ為電機(jī)極距），可以構(gòu)成m相DCP-TFLM電機(jī)結(jié)構(gòu)。圖2所示為四個(gè)典型位置處某一初級(jí)齒截面上永磁體磁通的分布。

圖1 DCP-TFLM的基本結(jié)構(gòu)

圖2 DCP-TFLM工作原理

本文以平均電磁推力與氣隙有效面積的比值為目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)三維有限元法分別分析極距、安匝數(shù)、永磁體厚度、初次級(jí)齒寬系數(shù)以及槽口尺寸對(duì)電機(jī)推力密度的影響規(guī)律。電機(jī)的主要尺寸定義如圖3所示。

圖3 DCP-TFLM的結(jié)構(gòu)尺寸定義

圖4所示為不同氣隙長(zhǎng)度下，極距變化對(duì)電機(jī)推力密度的影響規(guī)律。隨著極距的減小，電機(jī)推力密度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。這是由于隨著極距減小，永磁體漏磁通增加，使得與繞組交鏈的主磁通減少。當(dāng)減小極距帶來(lái)的頻率提升倍數(shù)無(wú)法彌補(bǔ)有效磁通的減小時(shí)，電機(jī)推力密度將隨著極距的減小而降低。

圖4 極距對(duì)推力密度影響

圖5 安匝數(shù)對(duì)推力密度影響

圖5所示為電機(jī)推力密度隨初級(jí)齒上施加的安匝數(shù)變化的變化趨勢(shì)。隨著安匝數(shù)的增加，電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)增強(qiáng)，電機(jī)推力密度逐漸增大。但當(dāng)電樞磁動(dòng)勢(shì)增大到一定程度以后，由于鐵心中磁通密度趨于飽和，電機(jī)推力密度也逐漸趨于飽和。

不同氣隙、不同極距下，電機(jī)推力密度都在安匝數(shù)大于1000A后進(jìn)入飽和狀態(tài)，這說(shuō)明使得電機(jī)飽和的主要原因是橫向磁通電機(jī)中繞組電感大，電樞反應(yīng)磁場(chǎng)作用使得鐵心飽和?？偟膩?lái)說(shuō)，為了使得電機(jī)推力密度最大化，同時(shí)避免鐵心出現(xiàn)飽和，每個(gè)初級(jí)齒上施加的總安匝數(shù)變化范圍宜取為600~800A。

圖6 初級(jí)永磁體厚度影響

圖7 次級(jí)永磁體厚度影響

圖6、圖7所示為初級(jí)永磁體厚度變化和次級(jí)永磁體厚度變化對(duì)電機(jī)推力密度的影響規(guī)律。初級(jí)永磁體厚度和次級(jí)永磁體厚度對(duì)電機(jī)推力密度的影響規(guī)律是相似的。隨著永磁體厚度的增加，電機(jī)推力密度呈現(xiàn)出先增大然后趨于飽和的變化趨勢(shì)。初級(jí)永磁體厚度和次級(jí)永磁體厚度對(duì)電機(jī)推力密度的影響是相互獨(dú)立的。

圖8 初級(jí)齒寬系數(shù)影響

圖9 次級(jí)齒寬系數(shù)影響

圖8、圖9所示分別為初級(jí)齒寬系數(shù)和次級(jí)齒寬系數(shù)變化對(duì)電機(jī)推力密度的影響規(guī)律。隨著調(diào)制齒寬度的減小，電機(jī)推力密度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)。初級(jí)齒寬系數(shù)和次級(jí)齒寬系數(shù)對(duì)推力密度的影響規(guī)律是相互獨(dú)立的。

在不同次級(jí)齒寬系數(shù)下，初級(jí)齒寬系數(shù)在0.85~0.9的區(qū)間內(nèi)，電機(jī)推力密度取得最大值。隨著初級(jí)齒寬系數(shù)的進(jìn)一步減小，電機(jī)推力密度迅速降低。在不同初級(jí)齒寬系數(shù)下，次級(jí)齒寬系數(shù)在0.7~0.8的區(qū)間內(nèi)，電機(jī)推力密度取得最優(yōu)值。

圖10 槽口尺寸對(duì)推力密度影響

圖10所示為槽口尺寸變化時(shí)電機(jī)推力密度的變化規(guī)律。隨著初級(jí)齒靴寬度增加，槽口寬度ws0減小，電機(jī)初級(jí)和次級(jí)之間的耦合面積增大，橫向耦合系數(shù)提高，將有利于電機(jī)推力密度的提高。

槽口高度hs0也在一定程度上影響著電機(jī)推力密度，這是由于當(dāng)槽口高度較小時(shí)齒靴尖端鐵心將出現(xiàn)飽和，不能有效引導(dǎo)永磁磁通進(jìn)入初級(jí)齒中。當(dāng)增大槽口高度，可以使得槽口附近永磁磁通進(jìn)入到初級(jí)齒中。根據(jù)圖中所示，槽口高度hs0＞2mm時(shí)，電機(jī)推力密度幾乎保持不變，而槽口寬度ws0＜4mm以后，電機(jī)推力密度也不再繼續(xù)增加。

總結(jié)

本文針對(duì)一種新型雙交替極橫向磁通直線電機(jī)展開(kāi)了研究，從建立的主要尺寸方程出發(fā)，通過(guò)三維有限元法分析了電機(jī)極距、氣隙、每個(gè)齒上安匝數(shù)、永磁體厚度、齒寬系數(shù)以及槽口參數(shù)對(duì)電機(jī)推力密度的影響規(guī)律。結(jié)果表明，橫向磁通直線電機(jī)依賴(lài)于結(jié)構(gòu)上的電磁解耦特性，可以通過(guò)減小極距提升運(yùn)行頻率的方式來(lái)進(jìn)一步提高推力密度，但犧牲了電磁材料利用率。

引用本文

羅俊, 寇寶泉, 楊小寶. 雙交替極橫向磁通直線電機(jī)的優(yōu)化與設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(5): 991-1000. Luo Jun, Kou Baoquan, Yang Xiaobao. Optimization and Design of Dual-Consequent-Pole Transverse Flux Linear Machine. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(5): 991-1000.