團隊介紹

羅俊，博士研究生，研究方向為新型永磁直線電機的建模與優(yōu)化設計。曾參與包含國家科技重大專項、國家自然科學基金在內(nèi)的橫縱向科技項目10余項，發(fā)表SCI、EI論文7篇，申請國家發(fā)明專利11項。

寇寶泉，哈爾濱工業(yè)大學教授，博士生導師，工學博士，IEEE會員，中國電工技術(shù)學會高級會員。獲2005年度教育部技術(shù)發(fā)明一等獎1項，獲2006年度國家技術(shù)發(fā)明二等獎1項，獲第六屆國際發(fā)明展覽會銀獎2項，獲第十九屆全國發(fā)明展覽會銀獎1項，獲2014年度教育部技術(shù)發(fā)明二等獎1項。2008年入選教育部“新世紀優(yōu)秀人才支持計劃”。致力于直線電機與平面電機系統(tǒng)技術(shù)、分布式能源發(fā)電及能量存儲技術(shù)、磁懸浮及電磁推進技術(shù)的研究。近年來獲授權(quán)國家發(fā)明專利130余項。

導語

本文提出一種雙交替極橫向磁通直線電機結(jié)構(gòu)，在其初級和次級側(cè)均安置永磁體，充分利用了電機內(nèi)部空間，提高了與繞組交鏈的永磁磁通，進而提高了電機推力密度。介紹了該電機的基本結(jié)構(gòu)和運行原理，并推導電機主要尺寸與電磁力之間的關系式。

通過三維有限元法研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機推力密度的影響規(guī)律，在此基礎上，設計并研制一臺實驗樣機。通過對樣機的三相反電動勢和靜推力進行測量，并與有限元仿真結(jié)果進行對比，實驗數(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，在工業(yè)自動化領域，以直線電機驅(qū)動系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機加中間轉(zhuǎn)換裝置的間接傳動方式，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。而高性能高品質(zhì)的直線電機是直線電機驅(qū)動系統(tǒng)的核心部件。

傳統(tǒng)縱向磁通直線電機受限于磁路與電路之間的矛盾，難以進一步提高電機推力密度。而橫向磁通直線電機集合了橫向磁通電機推力密度高和直線電機能直接驅(qū)動負載做直線運動的優(yōu)勢，十分適合應用于精密運動控制領域。因此，研究高推力密度的橫向磁通直線電機具有迫切的應用需求。

論文方法及創(chuàng)新點

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

單相DCP-TFLM不具有自起動能力，且推力波動較大，因此通常將橫向磁通電機設計為多相結(jié)構(gòu)。將m個電機初級沿著運動方向依次錯開（2kτ+2τ/m）的距離排列（其中，k為任意正整數(shù)，τ為電機極距），可以構(gòu)成m相DCP-TFLM電機結(jié)構(gòu)。圖2所示為四個典型位置處某一初級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函數(shù)，通過三維有限元法分別分析極距、安匝數(shù)、永磁體厚度、初次級齒寬系數(shù)以及槽口尺寸對電機推力密度的影響規(guī)律。電機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所示為不同氣隙長度下，極距變化對電機推力密度的影響規(guī)律。隨著極距的減小，電機推力密度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。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。當減小極距帶來的頻率提升倍數(shù)無法彌補有效磁通的減小時，電機推力密度將隨著極距的減小而降低。

圖4 極距對推力密度影響

圖5 安匝數(shù)對推力密度影響

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

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

圖6 初級永磁體厚度影響

圖7 次級永磁體厚度影響

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

圖8 初級齒寬系數(shù)影響

圖9 次級齒寬系數(shù)影響

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

在不同次級齒寬系數(shù)下，初級齒寬系數(shù)在0.85~0.9的區(qū)間內(nèi)，電機推力密度取得最大值。隨著初級齒寬系數(shù)的進一步減小，電機推力密度迅速降低。在不同初級齒寬系數(shù)下，次級齒寬系數(shù)在0.7~0.8的區(qū)間內(nèi)，電機推力密度取得最優(yōu)值。

圖10 槽口尺寸對推力密度影響

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

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

總結(jié)

本文針對一種新型雙交替極橫向磁通直線電機展開了研究，從建立的主要尺寸方程出發(fā)，通過三維有限元法分析了電機極距、氣隙、每個齒上安匝數(shù)、永磁體厚度、齒寬系數(shù)以及槽口參數(shù)對電機推力密度的影響規(guī)律。結(jié)果表明，橫向磁通直線電機依賴于結(jié)構(gòu)上的電磁解耦特性，可以通過減小極距提升運行頻率的方式來進一步提高推力密度，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的優(yōu)化與設計[J]. 電工技術(shù)學報, 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.