永磁弧形同步電動機磁阻力研究

楊　龍，生國鋒，王　軍

（棗莊科技職業學院，山東 棗莊277599）

0　引言

由于永磁（PM）線性同步電動機的高速度，大扭矩，行程范圍寬和快速的動態響應等特性，永磁（PM）線性同步電動機驅動越來越多的用于商業、工業和軍工產業。對于一些掃描系統和雷達系統中，回轉馬達與齒輪箱通常采用實現有限的角運動，這樣會帶來一些缺點，比如占領空間大，易造成傳動誤差和低響應性能。由此看來，永磁弧形同步電動機是能夠做直線驅動的角運動，其所做的角運動被控制在一定范圍內[1]。

在這篇文章中將提出一個新的混合永磁交流弧形同步電動機電樞繞組和補償繞組，用以研究減少磁阻力，提高平穩行程[2]。第一，首先對這一新型電動機的構造進行描述；第二，對直流補償效果的評估；第三，通過只使用補償電流的補償策略進行研究；第四，對補償電流組合及長度的優化進行了分析；第五，接著對采取補償的策略來增強平穩行程開展研究；最后對AL-PMSM原型進行制造和測試通過有限元結果與實驗結果進行比較。

1　永磁弧形電動機磁阻力分析

磁阻力主要受端部效應及齒槽效應的影響，他們都是定子齒之間磁阻有規律的變動引起的。在旋轉式永磁電機中，磁阻有規律的變動導致了齒槽效應的產生。減少齒槽效應的方法有很多，如偏移、磁極間距優化、磁極形狀優化，定子鐵芯優化，磁鐵轉變，采用定子齒部觸點，封閉定子槽等。這個端部效應是由于主要和次要側的長度有限產生的。通過對這兩者相互作用得到的磁阻力進行評價，得出由于端部效應及齒槽效應引起的一種單獨的磁阻力。從實驗結果表明沒有做優化，端部效應會比齒槽效應產生的磁阻力要高很多[3]。

減少磁阻力的途徑可以分為兩種，一是對機器進行復雜的控制策略，和其他機械進行結構的優化，如圖1所示。通過分析主要邊長度對磁阻力的影響，得出優化主要邊長度能夠減少磁阻力。輔助齒也能廣泛用于減少磁阻力，永磁交流同步直線電機采用了復雜的結構，分為三個模塊，所以三個模塊的磁阻力可以彼此抵消。然而，很少有研究考慮結合控制策略和結構優化的方法來減少磁阻力。然而大多數的研究都集中在了由于短側引起的端部效應。當初端區域接近次端區域的時候，長邊端部效應也會發生。長邊端部效應引起的磁阻力顯著的降低了平穩的行程，值得認真研究。

圖1　磁阻力最小化優化

2　永磁弧形同步電機模型結構分析

在本文中，弧形同步電機采用了次級側為長邊，初級側為短邊的結構，見圖2所列。表面安裝轉子類型是采用11個磁極和12個槽組成，弧形永磁同步電機的主要數據見表1所列[4]。在沒有其他的磁阻力優化下，磁阻力的組成可以表達成：

式中，S為次級邊移動的位移；τ為極距；θ為次級原始位置磁阻力的偏移角；Fod為電動機的恒定幅度。

圖2　新型弧形同步電機結構圖解

表1　弧形同步電機參數

見圖3所列，通過用有限元的方法進行分析計算，得出磁阻力[5]。從圖中很明顯看出磁阻力很大，因此，兩個補償繞組都設計在初級側的端齒上。在次級側的運動中，適當的電流作用于補償繞組會產生相反的力，從而有效地減少磁阻力[6]。

圖3　無補償繞組的磁阻力

3　直流補償的計算

當次級運動時，直流電直接供應到補償繞組。為了簡化分析，最初只使用了一個補償線圈。補償線圈的端齒可以被視為一個電磁鐵[7]。當直流電通到補償線圈時，由有限元分析和計算出初級和次級典型的通量分布位置，結果如圖4所示。

（續下圖）

（接上圖）

圖4　初級和次級通量的不同分布

圖4（a）中所示的位置等效電磁鐵的N極對應著永磁電機的N極點，由直流所產生的法向力為0.當次級側從a位置移動到b位置時，由直流所產生的法向力增加到最大值。在c位置時，由直流所產生的的法向力又回到了0值，等效電磁鐵的N極對應著永磁電機的S極點。在位置d時，由直流所產生的的法向力到達最小值。再由位置d回到位置a時由直流所產生的法向力再次回到0。

圖5所列，通過使用有限元的方法進行分析計算得出磁阻力。用直流補償所產生的磁阻力減去原來產生的磁阻力，以及直流所產生的的法向力都能算出來如圖6所示。從圖6可以看出，每兩個磁極距間直流周期性的變化所產生的法向力與分析的結果相一致。圖4所示的a，b，c，d四個位置分別標記在圖6中。基于上述的分析知，由直流補償所產生的磁阻力表達公式為：

圖5　直流補償產生的磁阻力

圖6　直流補償產生的法向力

4　結束語

本文中主要介紹一種新型的永磁交流弧形同步電動機，通過用限元分析的方法對永磁弧形電機的電樞繞組和補償繞組進行計算和分析。從圖3和圖5的對比中可以看出，補償繞組能夠有效地減少磁阻力，提高平穩行程。如果永磁弧形電機的補償繞組在閉環控制系統中運行，那么結果會更加顯著，這也是以后研究的內容。雖然在本文中只是通過對永磁弧形電機建模分析，但是這種補償繞組的方法也同樣適用于普通永磁直線交流電機，因為分析原理是一樣的。