影響低速圓筒型永磁直線電動機性能因素研究

黃克峰，李槐樹，潘元璋，周 羽

(海軍工程大學，湖北武漢 430033)

0 引 言

直線電動機是一類將電能直接轉化為直線電動機運動的機械能而不需要增加中間變換裝置的電機。經過幾十年的發展，已經在交通運輸、工業、物流輸送等各個方面得到了廣泛應用。直線電動機技術在國外起步比我們早、技術較領先。隨著國內研究人員對該技術的掌握，近些年在國內各個直驅系統的應用領域，直驅式技術逐漸成為了研究熱點，但由于我國對直線電動機的技術在各個領域的應用起步比較晚，尤其是圓筒型永磁直線電動機目前應用更少、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］。

在國內研究的樣機中，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到系統的要求。為了能夠更好的發揮這種電機在直驅系統中的優勢，研究影響電機性能因數的規律就變得很有必要。

1 圓筒型永磁直線電動機基本結構和工作原理［2］

永磁旋轉電機經過結構上的演變就是圓筒型永磁直線電動機如圖1所示。把永磁旋轉電機沿徑向剖開拉直，就能夠得到平板型永磁直線電動機，再將平板型電機的扁平部分卷繞起來使其與磁場運動方向，就得到了圓筒型永磁直線電動機。圓筒型永磁直線電動機主要由動子鐵心、永磁體、不銹鋼軸、定子鐵心、定子繞組幾部分結構組成。

圖1 扁平型結構到圓筒型結構的演變過程

圓筒型永磁直線電動機與永磁旋轉電機的工作原理基本一樣。即在定子三相繞組中通入對稱正弦電流時，這樣就能在氣隙中形成行波磁場，永磁體產生的磁場和行波磁場之間互相作用形成電磁推力，電磁推力推動著動子作直線運動。

與普通永磁旋轉電機和扁平型永磁直線電動機相比，圓筒型永磁直線電動機具有較多的優點:①定子繞組利用率高;②沒有橫向邊緣效應，端部漏磁消失;③由于對稱的軸向結構，使得在徑向方向動子拉力互相抵消，較好地消除了單邊磁拉力。由于該種電機擁有這么多優勢，為了在直驅系統中更好的應用，就必須掌握影響電機性能的規律。

2 影響圓筒型永磁直線電動機的因素

2.1 電機類型的影響

根據電機在運行時所通入的電流方式不同，圓筒型永磁直線電動機可分為如表1所示的三種類型。考慮到電機的性能優勢和所使用環境等一些限制因素，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機。

表1 不同結構永磁直線電動機

2.2 動子永磁體充磁方向的影響［3－5］

圓筒型永磁直線電動機有三種不同轉子結構型式，如圖2所示。

圖2 三種不同充磁方式的轉子結構

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

圖3 不同充磁方向定子表面氣隙磁密對比

2.3 定子鐵心結構的影響［6－7］

目前圓筒型永磁直線電動機內通用的定子是既在表面起軸承作用，同時支撐電機動子的不銹鋼定子內襯管，雖然在制造方面工藝簡單，但是增加了很多額外的電機鐵耗，降低了整個電機的推力大小和效率等性能，不利于節能和提高電機系統性能;圓環形硅鋼片作為電機定子鐵心，雖然制造工藝簡單，但磁場感應出的渦流回路仍然存在，額外增加了電機鐵耗。這些通用設計雖然制造簡單，也能達到一定的設計要求，但非常不利于電機性能的提高，所以很有必要對這些結構設計進行改進。

本文研究圓筒型永磁直線電動機去掉定子內襯管，將電機定子的槽口結構由開口改成半閉口，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，這樣就較好地優化了氣隙磁密波形，有效地達到了減小電機齒槽力的目的;軸向硅鋼疊片結構運用到定子鐵心如圖4(b)所示，該種結構的鐵心在力容量、系統運行效率和功率因數等方面都具有很大的優勢，如圖5所示。同時該種結構設計相對于其他結構電機鐵耗小，從而很好地提高了電機性能指標。

2.4 槽數的影響

圖6為4種不同極槽配合下的圓筒型永磁同步直線電動機結構型式。下面對這4種結構進行介紹，并通過仿真比較這4種電機的性能。

圖6(a)的結構適合采用方波電流控制的電機。因為圓筒型永磁直線電動機特殊的結構特點，取消了端部，故沒有永磁旋轉電機運用該種結構時所能夠達到的運行效率高、功率因數好等優點;如果通入其他類型的電流，基波繞組因數低，反而諧波繞組因數偏高，故采用別的類型電流時電機性能差;該型電機每極下對應1.5個槽，便于制造。但圓筒型永磁直線電動機采用三相正弦波電流，不適合該結構。

圖6(b)的結構適合采用三相對稱正弦波電流進行控制，基波繞組因數高，同時諧波繞組因數也高，導致氣隙磁密波形差，從而電機性能不高;該種結構電機每個極下對應3個槽，制造上增加了一定的復雜度。

圖6(c)的結構也適合采用三相對稱正弦波電流進行控制，基波繞組因數高，諧波繞組因數低，有利于提高電機的性能;但是每個極下6個槽，這樣每個槽將比較小，不利于制造，也不利于節約成本，性價不高。

圖6(d)的結構諧波繞組因數低、基波繞組因數卻很高;當極數和槽數很接近時，齒槽力周期多、幅值小。每極對應1槽左右，三相繞組相對獨立，便于制作，性價比高。

圖6 4種不同的極槽配合結構

圖7 四種不同的齒槽配合下的氣隙磁密波形對比

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

3 結 論

本文結合了圓筒型永磁直線電動機的基本結構、工作原理和設計過程，分別從電機類型的選擇、轉子永磁體充磁方向、定子鐵芯結構的確定和一個極下不同的槽數幾個方面分析了這些因數影響電機性能的規律，得出了一定有價值的結論，從而為設計性能優越、制作簡單、性價比高的圓筒型永磁直線電動機提供了有力的理論依據和參考價值。

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