三種不同充磁方式圓筒型永磁直線電機氣隙磁場研究*

黃克峰，李槐樹，周羽，張正勇

(1海軍工程大學，湖北武漢 430033;2海軍91999部隊，山東青島 266001)

0 引言

圓筒型永磁直線電機(TPMLM)在結(jié)構(gòu)上取消了傳動機構(gòu)，既簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)又減少了機械損耗提高了效率，同時具有體積小、結(jié)構(gòu)靈活多變、易于調(diào)節(jié)和控制、以及無橫向邊端效應等優(yōu)點，已經(jīng)在直驅(qū)式驅(qū)動領域得到了越來越廣泛的應用[1]。

在TPMLM中定子的變化主要集中在槽的個數(shù)、形狀、大小和齒距，而動子的變化主要在極數(shù)、極距、極弧系數(shù)和永磁體的充磁方式。本文主要是從動子結(jié)構(gòu)的不同來分析幾類結(jié)構(gòu)的電機。在TPMLM中比較常見的動子結(jié)構(gòu)通常有三種，即軸向充磁結(jié)構(gòu)、徑向充磁結(jié)構(gòu)和Halbach結(jié)構(gòu)，如圖1所示。不同充磁方式具有不同的特點，應用場合也不一樣。徑向充磁動子結(jié)構(gòu)主要應用在平板型永磁直線電機，而軸向充磁動子結(jié)構(gòu)和Halbach充磁動子結(jié)構(gòu)應用的場合比較廣泛，在不同類型的永磁直線電機都有應用。

Jiabin Wang等人基于麥克斯韋磁場方程推導出了解析計算三種不同充磁方式的氣隙磁場解析表達式[2-5];Nicola Bianchi等人利用等效磁阻的方法分析了TPMLM的氣隙磁密以及極槽關系[6，7]。他們都是得出了氣隙磁密的解析公式?jīng)]有進一步去分析結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化會對氣隙磁場有何影響。本文利用有限元分析軟件Ansys對三種充磁方式動子結(jié)構(gòu)的TPMLM進行二維有限元仿真分析。首先比較了在所有結(jié)構(gòu)參數(shù)都一樣時三種充磁方式TPMLM的無槽和開槽的氣隙磁密大小、波形以及正弦度，得出三種電機的特點，為電機設計提供理論依據(jù)。在此基礎上再分別討論了三種充磁方式下氣隙磁密大小在改變極弧系數(shù)、永磁體厚度和氣隙大小等結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，得出了如何能夠獲得較大的氣隙磁密進而得出較大的推力以及如何消除推力脈動的一些思路[8，9]。

圖1 TPMLM三種動子結(jié)構(gòu)

1 TPMLM的結(jié)構(gòu)和原理

永磁直線電機其實是從永磁旋轉(zhuǎn)電機演變過來的，該類電機的原理、分析方法和永磁旋轉(zhuǎn)電機類似。把永磁旋轉(zhuǎn)電機沿徑向剖開拉直，就能夠得到平板型永磁直線電機，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平行，就得到了圓筒型永磁直線電機。圓筒型永磁直線電機主要由以下五部分結(jié)構(gòu)組成:不銹鋼軸、動子鐵心、永磁體、定子鐵心、不銹鋼外殼。TPMLM的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 TPMLM結(jié)構(gòu)示意圖

TPMLM的磁路無論哪種充磁方式都是由永磁體產(chǎn)生，經(jīng)過動子鐵心、氣隙到達定子鐵心，再從定子鐵心出發(fā)經(jīng)過氣隙到達動子鐵心最后進入永磁體。當動子永磁體產(chǎn)生的磁場和定子繞組電流產(chǎn)生的磁場相互作用時，將會產(chǎn)生軸向推力使動子運動。只要有效地控制繞組中電流大小和方向就可以使得TPMLM按照需要做往復運動。

2 三種充磁方式TPMLM氣隙磁場對比

TPMLM的定子結(jié)構(gòu)可以分為無槽和有槽兩種。無槽電機出力較小、推力脈動也小。有槽電機雖然比無槽電機出力要大，但是推力脈動也大[8]。下面通過Ansys仿真分析三種動子無槽和有槽電機的氣隙磁場磁密大小和波形。

2.1 無槽TPMLM氣隙磁場分析

要對三種充磁方式電機的氣隙磁密進行對比分析，就必須使得三種充磁方式的電機除了充磁方式不一樣，其他的結(jié)構(gòu)參數(shù)必須保持一致，電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 TPMLM結(jié)構(gòu)參數(shù)

無槽TPMLM的氣隙磁密波形和FFT結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 不同充磁方向定子表面氣隙磁密對比

圖4 三種充磁方式無槽的氣隙磁密基波和諧波分布

從圖中可以看出軸向充磁方式的氣隙磁密和基波幅值最大，諧波量少;Halbach充磁方式的氣隙磁密大小和基波與軸向充磁方式很接近，諧波分量最小;而徑向充磁方式的氣隙磁密較小，只是接近于軸向充磁方式的一半，基波也較小，諧波分量最大。

2.2 有槽TPMLM氣隙磁場分析

對TPMLM開槽之后的氣隙磁場磁密進行對比，在表1的結(jié)構(gòu)參數(shù)基礎上必須加上一些其它參數(shù):極數(shù)p=10、槽數(shù)z=9、槽口寬b=6mm和槽型為半閉口槽等結(jié)構(gòu)參數(shù)。三種充磁方式有槽TPMLM的氣隙磁密波形和FFT分析結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 不同充磁方向定子表面氣隙磁密對比

圖6 三種充磁方式有槽的氣隙磁密基波和諧波分布

從圖5和圖6中可以看出:由于極和槽的最大公約數(shù)為1，三種充磁方式的氣隙磁密諧波分量為10的整數(shù)倍次，這樣大大降低了諧波量;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)相比氣隙磁密偏小;Halbach永磁體結(jié)構(gòu)方式的氣隙磁密大小介于軸向充磁和徑向充磁結(jié)構(gòu)之間，但是由于Halbach永磁體結(jié)構(gòu)方式可以看成是軸向充磁和徑向充磁的組合，故由于這兩種充磁方式的調(diào)節(jié)作用使得從圖6中可以看出Halbach永磁體結(jié)構(gòu)方式基波含量高，諧波少。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)雖然在性能上相比Halbach永磁體結(jié)構(gòu)方式有小小的劣勢，但是從永磁體的使用情況和性價比等因數(shù)綜合考慮軸向充磁在損失一部分性能的情況下占優(yōu)，再把優(yōu)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(jié)構(gòu)簡單便于制造。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機氣隙磁場的影響

在分析有槽圓筒型永磁直線電機的基礎上，進一步分析電機的極弧系數(shù)、永磁體厚度和氣隙大小對三種圓筒型永磁直線電機氣隙磁場的影響。

3.1 極弧系數(shù)對電機氣隙磁場的影響

其它參數(shù)不變的情況下改變TPMLM的極弧系數(shù)，分析三種圓筒型永磁直線電機氣隙磁場隨極弧系數(shù)變化的變化規(guī)律。極弧系數(shù)對三種充磁方式的氣隙磁密影響如圖7所示。

圖7 氣隙磁密大小隨極弧系數(shù)變化規(guī)律

從圖7中可以看出:(1)極弧系數(shù)的變化對軸向充磁方式影響較大，隨著極弧系數(shù)增大氣隙磁密急劇減小，幾乎成線性變化趨勢;Habalch充磁方式氣隙磁密隨著極弧系數(shù)的增大先緩慢減小再加速減小;徑向充磁方式的氣隙磁密隨著極弧系數(shù)的增大始終只是緩慢減小。(2)Habalch充磁方式氣隙磁密先出現(xiàn)軸向充磁的變化趨勢后出現(xiàn)徑向充磁的變化趨勢的原因在于:在極弧小于0.75時，軸向方向充磁占主導作用;在極弧系數(shù)大于0.75時，徑向方向占主導作用。(3)取不同的極弧系數(shù)時Habalch充磁方式始終處于較大的氣隙磁密。

3.2 永磁體厚度對氣隙磁場的影響

同樣，其他參數(shù)不變，改變TPMLM的永磁體厚度，分析三種圓筒型永磁直線電機氣隙磁場隨永磁體厚度變化的變化規(guī)律。

在不銹鋼軸半徑為0.03m、永磁體厚度與動子內(nèi)徑的比值為0.1-0.5時，對三種充磁方式的氣隙磁密大小影響的規(guī)律如圖8所示。

圖8 氣隙磁密大小隨著永磁體厚度變化規(guī)律

從圖8中可以看出:(1)在永磁體厚度較小時，軸向充磁方式的氣隙磁密較小，Halbach充磁方式的氣隙磁密較大;當永磁體厚度達到動子半徑的1/3時，軸向充磁的氣隙磁密比Halbach充磁方式大，說明在永磁體厚度增大時Halbach充磁方式中的類似徑向分量限制了氣隙磁密的增大;而徑向充磁方式的氣隙磁密始終處于一個很平穩(wěn)的范圍。(2)在永磁體厚度較小時，軸向充磁和Halbach充磁方式的氣隙磁密大小隨著永磁體厚度增加增長較快;在永磁體厚度與動子外徑的比值達到一定且小于0.5時，Halbach充磁方式的氣隙磁密增加變緩慢而軸向充磁增加仍然很快;當永磁體厚度與動子外徑的比值大于0.5時，軸向充磁和Halbach充磁方式的氣隙磁密增長緩慢;徑向充磁方式氣隙磁密隨著永磁體厚度的變化一直增加緩慢，最后幾乎不增加，永磁利用率不高。綜上可得在TPMLM設計中永磁體厚度與動子外徑比值最好不要超過0.5。在永磁體厚度較小時，Halbach充磁方式占優(yōu)，在永磁體厚度稍大時，軸向充磁方式占優(yōu)，而徑向充磁方式不太適合TPMLM。

3.3 氣隙大小對氣隙磁場的影響

其它參數(shù)不變，改變TPMLM的氣隙大小，分析三種充磁方式圓筒型永磁直線電機氣隙磁場隨氣隙大小變化的變化規(guī)律如圖9所示。

圖9 氣隙磁密大小隨著氣隙大小變化規(guī)律

從9圖中可以得出:(1)無論氣隙多大，軸向充磁方式的氣隙磁密最大，徑向充磁方式氣隙磁密最小。(2)隨著氣隙的變小，三種充磁方式的氣隙磁密都變大。(3)軸向和Hablach充磁方式變化趨勢由慢到快，徑向充磁幾乎是一個線性均勻變化。從三條變化曲線可以得出氣隙大小對氣隙磁密的影響很大，所以必須根據(jù)實際需要合理準確的選擇氣隙大小。

由以上三種結(jié)構(gòu)參數(shù)對TPMLM在不同充磁方式下的氣隙磁密大小的變化規(guī)律的分析可知:極弧系數(shù)對三種電機的氣隙磁場強度影響都很明顯，且軸向充磁方式接近線性變化，Halbcah充磁方式的變化規(guī)律接近于其他兩種充磁方式的綜合情況;永磁體厚度對徑向磁化動子電機的氣隙磁場強度影響不大，但是軸向磁化動子電機和Halbcah動子電機的氣隙磁場強度會隨著永磁體厚度的增大而明顯增大，但是當永磁體厚度與動子外徑的比值大于0.5時，三種充磁方式變化都不明顯，不利于永磁體的利用;氣隙大小對三種電機氣隙磁場強度的影響是一致的，都隨著氣隙大小的減小而增大，大部分情況下，Halbach動子電機的氣隙磁場強度要大于其他兩種電機的氣隙磁場強度。

4 結(jié)語

通過對三種不同充磁方式的無槽和有槽氣隙磁密大小、波形對比，分析了在其它參數(shù)不變的情況下改變TPMLM的動子極弧系數(shù)、永磁體厚度和氣隙大小對三種不同充磁方式氣隙磁密的影響，可以得出這三種充磁方式電機的特點。

(1)軸向充磁方式的TPMLM不僅氣隙磁密大，且在開槽后的基波磁密也大，諧波含量適中。從結(jié)構(gòu)參數(shù)對該種充磁方式的影響來看，受結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響較大，在設計時要根據(jù)實際情況準確合理的選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(2)徑向充磁方式的TPMLM氣隙磁密偏小，且開槽后對該種充磁方式影響較大，諧波含量高。但受結(jié)構(gòu)參數(shù)影響較小，在一些簡單快速的場合比較適用。

(3)Halbach動子電機不僅可以獲得較大的氣隙磁場，還可以獲得比較接近正弦形或矩形的氣隙磁場波形，且在這種充磁方式下開槽影響不大，諧波含量最小。故Halbach動子在TPMLM的應用比較靈活，但是在設計時對參數(shù)的選取要合理準確。

[1]葉云岳.直線電機原理與應用[M].北京:機械工業(yè)出版社，2000.

[2]Jiabin Wang，David Howe.Tubular modular permanent magnet machines equipped with quasi halbach magnetized magnets part I:magnetic field distribution，EMF，and thrust force[J].IEEE Transactions on Magnetics，2005，41(9):2470-2478.

[3]Jiabin Wang，David Howe.Tubular modular permanent magnet machines equipped with quasi halbach magnetized magnets part II:magnetic field distribution，EMF，and thrust force[J].IEEE Transactions on Magnetics，2005，41(9):2479-2489.

[4]Jiabin Wang，David Howe，Zhengyu Lin.Design optimization of short stroke single phase tubular permanent magnet motor for refrigeration applications[J].IEEE Transactions on Industry Electronic，2010，57(1):327-334.

[5]Jiabin Wang，Geraint W.Jewell，David Howe.A general framework for the analysis and design of tubular linear permanent magnet machines[J].IEEE Transactions on Magnetics，1999，35(3):1986-2000.

[6]Nicola Bianchi，Silverio Bolognani，Dario Dalla Corte.Tubular linear permanent magnet motors:an overall comparison[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2003，39(2):466-475.

[7]Nicola Bianchi.Analytical field computation of a tubular permanent magnet linear motor[J].IEEE Transactions on Magnetics，2000，36(5):3798-3801.

[8]李慶雷，王先逵.永磁同步直線電機推力波動分析及改善措施[J].清華大學學報(自然科學版)，2000，40(5):33-36.

[9]趙鏡紅，張曉鋒，張俊洪.圓筒永磁直線同步電機推力計算[J].海軍工程大學學報，2010，22(3):59-62.