低速直线驱动系统研究现状分析*

程志平， 焦留成

(郑州大学电气工程学院，河南郑州 450001)

0 引言

直线电机在工业、民用及其他各种直线运动的场合具有广泛应用。直线电机的优越性能和极大的应用价值，越来越受到国内外研究者和工业运动控制厂家的青睐［1-5］。

虽然现有的直线电机特别是直线永磁电机在速度较高的场合得到了很好的应用，与变频设备配套使用或通过控制设计，可以获得较好的调速范围，但对于恒低速直线运行的许多场合，如恒低速传送货物运输装置等，不是变频设备不可缺少，就是控制系统复杂(目前还主要是国外的控制器，如以色列、芬兰等)，并且大多直线电机交流伺服系统在结构上是单段型的，系统造价高。另一方面，动子采用拖线供电方式时，运行过程中易发生短路、漏电、断路等故障，造成运行可靠性和安全性下降。上述问题限制了直线电机交流伺服系统在低速工业场合的应用［6-8］。

为了克服低速直线驱动存在的问题，直接获得低速直线运行，国内外研究人员一直在寻找解决方案，努力从电机设计本身解决低速直线驱动问题。

1 低速直线电机国内外的发展

1976年，Watson，D.B.设计了一种在 24 V、5 A直流分段供电方式下，可获得600 N拉力的低速直线电机，是最早通过电机设计的方法使直线电机直接获得低速，为开辟直线电机直接低速运行提供了范例。

1977年，由Umezu Naganori等人对双边低速直线异步电机次级电流扰动和磁场进行研究，给出了推力和法向力及速度特性，以及相关参数设计［9］。

Adamiak K.1、Barlow D.1 等人应用有限元对低速直线驱动用开关磁阻电机电势进行研究，对推力和法向力特性进行了分析，给出了该种电机的纵向磁链动子模型和横向磁链定子模型［10］。

美国Pai R.M等人于1988年对非磁性短次级双边多极扁平直线异步低速电机建立了二维数学模型，通过对横向边端效应的补偿，对性能控制进行了研究［11］。

1997年，韩国Yoon Sang-Baeck对动次级可调气隙直线异步电机进行了研究，并采用以体积为目标函数进行了优化设计［12］。

1999年，德国Kleemann Dietmar在频率一定的条件下，采用在槽中插入软磁片以形成齿使极距最小的方法，对低速直线同步电机进行了研究［13］。

在国内，丁志刚、钱张耀教授针对钢次级扁平型直线异步电机的结构特点，从直线异步电机实际物理结构，设计了比较准确的计算程序，使设计值和试验值在合理的误差范围内［14］。

太原工学院刘星达教授于1983年在初次级电磁关系不变的条件下，提出对直线异步电机的机械特性用静态试验模拟动态机械特性的方法，解决了推力与滑差S关系曲线试验难测定的困难［15］;并讨论了极距≤0.03 m 的直线异步电机纵向边端效应对推力的影响，得出了增加直线异步电动机的品质因数可以增加起动推力，改变次级结构型式可以提高起动推力等有意义的结果［16］;利用次级试验和短路试验数据，通过绘制简化圆图，求得工作特性和机械特性，简化了低速直线异步电机计算工作量［17］。

文献［18-19］针对平面型钢次级直线异步电机的特点，从确定主要尺寸、定子绕组匝数和钢次级的电磁性能相联系的角度出发，选取经验数据，获得电机主要尺寸及有关参数，从而避免多次反复计算，减少该种电机计算工作量。

文献［20］在考虑直线电机边缘效应条件下，利用低速直线异步电机系统的瞬态对称分量法模型，对直线电机调速系统的起动和反接制动过程进行了计算机仿真。

西安交通大学梁得亮教授对单台永磁式减速直线同步电机进行了系统研究，并得出了有意义的结果［21-22］，提出通过求解不同次级位置时的静态场得到反应式减速直线同步电机力角特性的新方法［23］;基于有限元法，考虑静态纵向边端效应的影响，计算出反应式减速直线同步电机的非线性电感参数，提出用电流、电感系数来表征电流对电感的影响，由电压平衡方程式，得到分析该类电机的非线性数学模型，基于该模型仿真计算研究样机的起动特性，进行了试验验证［24］。

赵德林、王友义教授针对低速直线异步电机极距小、气隙大，导致无功电流大、电机的温升很高的特点，研究了每极、每相槽数略大于1的分数槽对谐波导致的无功电流的影响，指出在电机结构和工艺能接受的前提下，采用分数槽绕组可显著降低电机的无功电流，达到降低温升的目的［25］。

文献［26］通过对钢次级直线电机的优化设计，确定钢次级直线电机优化变量、优化目标及约束条件，通过对Hook-Jeeves法进行改进，采用序贯无约束极小化(Sequential Unconstrained Minimization Technique，SUMT)法对钢次级低速直线电机进行了优化。

天津大学利用定子铁心的内径圆周均匀地分成m个扇区组，在每一扇区组A、B、C三相各占相同面积的1个扇区，1个扇区属于一相，每个扇区的定子铁心上均匀设置有n个齿，在相邻两个齿之间开有1个槽的方法，设计出了分段式模块化定子结构直驱型低速直流无刷电动机，并申请了专利。

2 低速直线永磁电机的发展

随着永磁材料的出现，低速直线异步电机逐渐被低速直线永磁电机代替。近年来，对于低速直线电机的研究主要集中在低速直线永磁电机的研究上。

从2001年上官璇峰、柳春生、焦留成教授发表低速直线永磁同步电机方面的论文以来［27］，标志着低速直线永磁电机走入人们的视野。在该文章中，作者分析了设计低速直线永磁同步电机宽度时应考虑的问题，给出该种电机部分参数，为后续研究打下了基础。

在随后召开的2004年全国直线电机学术年会上，杨少东、叶云岳教授提出低速圆筒型直线永磁同步电机及其控制系统的设计，采用基于能量法和傅里叶解析分析方法，推导出了圆筒直线电机与结构参数有关的齿槽力表达式。在此基础上，研究了定子极距所作的微小改变和极弧系数的优化选择对齿槽力的影响，提出了减少电机齿槽力的优化方案［28-29］，并进行了样机的初步试验。

王福忠教授在对低速直线永磁同步电机力角特性进行分析的基础上，确定了该电机的稳定工作区，得到了直线永磁同步电动机的稳定控制方法，可通过改变电压和频率来实现低速直线永磁电机的失步预防控制，可以有效地提高直线永磁同步电机的稳定性，避免电机失步的发生［37-38］。

河南师范大学的杨新伟教授应用Magnet软件对长初级、短次级和长次级、短初级两种不同结构电机的电磁场进行了数值计算，通过计算结果进一步分析和计算得到了低速直线永磁同步电机的二维磁场分布和气隙磁密的变化波形［39-41］。

文献［42］介绍了低速大推力直线电机样机LNMT300-5，并通过变频控制，直接将电能转换为载物台的直线往复运动，实现了运行速度的无级调整;同时，利用初、次级之间的电磁吸附力达到了悬浮承载的目的［42］。

文献［43-45］根据低速直线永磁同步电机的基本结构和工作原理，分析了低速直线永磁同步电机的附加磁势问题及等效原理，进而对低速直线永磁同步电机建立了“五层线性分析模型”，根据叠加原理推导出各区域的磁密分布表达式，通过合理假设，将低速直线永磁同步电机的三维磁场转化为二维磁场，建立低速直线永磁同步电机的二维磁场分析模型，应用Ansys软件对电机模型进行了磁场分析;文献［46］对低速直线永磁同步电机的异步稳态运行状态进行了分析，从理论上推导了异步稳态的电磁力公式以及对电机起动特性的影响，定性分析了电磁力的暂态特性，得到低速直线永磁同步电机自起动的条件［47-48］;文献［49］用绕组函数法计算了低速直线永磁同步电机的电感，得出低速直线永磁同步电机的气隙磁场除了基波外，还含有大量的谐波磁场影响电机的性能，给分析低速直线永磁同步电机动、定子齿槽数的配合问题与运行特性提供理论依据［50］。

文献［51］采用每极、每相槽数小于1(q＜1)分数槽结构，解决了运行的平稳性，并建立基于二维磁场方程的直线永磁同步电机(Permanent Magnet Linear Synchronous Motor，PMLSM)有限元分析模型。采用开放边界条件，将边端漏磁对PMLSM的影响加入有限元模型中去，提高了分析精度。从时空相量图出发，设定q＜1分数槽绕组的三相电流分布，采用松弛因子法调节α角，对PMLSM额定负载推力进行迭代计算，得到采用瞬时电流法计算的PMLSM负载特性及其参数。

文献［52］利用有限元法，对PMLSM谐波分量和齿槽力进行分析和仿真，运用傅里叶级数求出各次谐波分量结果表明，采用分数槽短距绕组方法，可明显降低齿槽效应的影响。

由于低速直线永磁电机采用单段，成本较高。近年来，人们开始对分段式低速直线永磁电机进行研究。分段式低速直线永磁电机是在单段型电机基础上发展而来的一种新型结构形式，本质上还是低速直线永磁电机，只是定子采用分段(不连续)形式，相对单段式结构，节约材料、降低成本，并为优化设计留下了空间。早在1976年，Watson D.B.设计的分段供电低速直线电机，可认为是分段式直线电机的雏形，目前磁悬浮技术是分段式直线驱动实用化的一个典型代表。目前对于分段式直线永磁电机的研究成果较多［53-58］。开展分段式低速直线永磁电机的研究也是自然而然的事。但对于分段式低速直线永磁电机的研究刚刚起步，能查到的成果极其有限。目前，郑州大学对分段式低速直线永磁电机正在积极研究，在电机的结构、磁场分析、自起动特性等方面取得了初步的研究成果，得到了国家自然科学基金、河南省自然科学基金、郑州市科技局等项目的资助。

创伤性颅内损伤患者所用药品金额排前3位的分别是神经系统药物（17 887.5万元）、血液和造血器官药（6 149.6万元）、全身用抗感染药（4 946.1万元），其中神经系统药物金额远远高于其他类别，详见表3。

3 低速直线永磁电机的结构及原理

低速直线永磁电机的初级铁心由硅钢片叠成，铁心上开有齿槽，槽中嵌放三相绕组，当初级绕组通以三相交流电流时，气隙中产生行波磁场。次级装有一段横向充磁的永久磁钢，磁钢材料为钕铁硼，两端为由硅钢片叠成的次级，上面开有齿槽，两段次级铁轭相互错开半个次级齿距，当初、次级槽数与初级绕组极对数之间满足式(1)时，可实现低速运行:

式中:ZR——次级槽数;

ZS——初级槽数;

p——初级有效部分(初级和次级对应长度部分)的极对数。

取正号时次级运行方向与初级绕组产生的行波磁场方向相同，取负号时则相反。

当低速直线永磁同步电机的初级三相绕组内通入三相对称的正弦电流后，所产生的基波行波磁势作用在气隙磁导上，产生相应的气隙磁场，忽略铁心的开断时，此气隙磁场呈正弦分布。当三相电流相序为A-B-C时，将在气隙中形成以vS=2τf速度直线前进的行波磁场。同时，次级上横向永久磁铁产生的恒定激磁磁势作用在气隙磁导上也产生相应的气隙磁场。由于初、次级槽数的分布效应，其气隙磁导波发生变化。为了产生电磁推力，必须使初级行波磁场的极对数和横向励磁磁势产生的基波磁场的极对数相等。如果次级运行速度正好使气隙磁导波的运行速度与初级行波磁场的速度相同，这时初、次级磁场就相互作用，产生同步推力，使电机在同步状态下直线运行。次级的同步速度vR为

式中:vS——气隙行波磁场同步速度，vS=2τf;kR——减速系数，

由式(1)～式(3)得:

式中:tR——次级的齿间距。

由式(4)可以看出，次级的同步速度vR的大小决定于次级齿间距tR和初级电源的频率f。次级齿间距tR小于极距τ，因此，在不改变f和τ的情况下，可使次级同步速度降低为tRf，这样就可以达到电机低速运行的目的［15-16，59-60］。

3 低速直线永磁同步电机特点

低速直线永磁同步电动机兼有直线电机和低速旋转电机的特点，主要特点包括以下几个方面。

(1)结构简单。传统获得低速直线运行方法是通过变频器或复杂的控制算法，再增加庞大的减速机构等形式实现的，这样不但系统复杂，而且增加系统成本。对于恒低速直线运行的许多场合，例如恒低速传送货物的垂直或水平运输装置等，有些设备如变频设备的利用率却很低，采用低速直线电机驱动，由于不需要变频器和任何中间转换装置便可获得低速直线运行，直接产生推力，省去了诸多环节，系统更加紧凑，性价比高。

(2)损耗小、传递效率和可靠性高，噪声小，无污染。传统的低速运行设备约90%都采用庞大的齿轮减速机构配套使用，对于车床、纺织机械等需要直线运行的场合，还要通过传动机构将旋转运动转化为直线运动，电机采用齿轮及传动装置后，不仅使整个系统的体积和重量增加、噪声增加、效率降低，而且使传动精度降低，快速反应变差。另外，齿轮及传动装置的磨损还会带来系统寿命和可靠性的隐患。由于低速直线电机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置，这样，系统整体传递效率高、噪声小。

(3)低速直线永磁同步电机的动、定子直接暴露在空气中，散热容易，无需散热装置。

(4)低速直线永磁同步电机与其他低速电机或低速系统相比，推力大、时间常数小和响应快。采用高性能永磁材料，使低速直线同步电机推力远大于同规格异步电机的推力。与同规格电机和系统相比，系统简化、体积小、响应速度较快。

(5)节约电能，控制方便。低速直线电机的负载与动子为一体，中间环节大大减少，系统整体可节约8% ～10%的电能［61］。对于低速直线永磁电机采用工频电源直接供电，省去了复杂的控制系统，几乎不用控制系统或工作量极少的控制系统，便能正常工作。

4 结语

低速直线电机的研究具有如下特点:

(1)2000年以前，低速直线电机的研究主要是以低速直线异步电机为研究对象:2000年以后，由于低速直线永磁电机相对低速直线异步电机显而易见的优点，低速直线异步电机逐渐淡出研究人员的视野，转而对低速直线永磁电机进行研究。2000～2005年可以说是酝酿期，在此期间，可查的成果有限。2005年以后，研究成果相对2000～2005年而言，逐年增加，这主要是直线异步电机逐渐被直线永磁电机取代的原因。

(2)低速直线电机研究内容方面，从能够查阅的文献来看，对于低速直线异步电机研究，从磁场的分析到设计电动机主要尺寸和次级参数确定方法，从特性的测试到优化设计，内容比较全面深入，具有一定的深度和广度。近几年，低速直线永磁电机的研究成果增加迅速，除了受低速直线异步电机的研究促进作用外，与目前低速直线永磁电机需求也有很大关系。但从研究的深度和广度而言，由于时间短，研究内容都是局部的，目前主要集中在磁场的分析和系统特性仿真层次上，还没有一个系统的研究，更没有一个统一的理论体系。相对低速直线异步电机研究水平及达到工业应用的水平要求，低速直线电机特别是分段式低速直线永磁电机，还有较长的一段路要走。

(3)研究手段和方法上，对于低速直线异步电机，有解析方法和图解法及样机试验法或多种方法结合;对低速直线永磁电机的研究，主要是解析法和有限元方法，目前还没有样机的研制报告。

(3)从结构设计上，主要集中在双边开槽所造成的气隙磁导变化前提下的低速直线异步电机或低速直线永磁电机，偶见采用分数槽设计方法应用到低速直线电机的设计，但成果不多。那么，传统的滚切式电机、谐波电机等低速电机［43］的设计方法对低速直线电机的结构设计是否有借鉴意义，将这些设计方法应用到低速直线电机会出现哪些新的问题，如何解决，是值得探讨的一个问题。除此之外，开发适合低速直线电机，特别是分段式低速直线永磁电机本身的新型结构形式，是研究低速直线电机的一个基本问题。

(4)从从事低速直线电机的研究人员和单位来看，目前能查到的文献中，无一例外都是高校在进行一些基础性的研究工作，科研院所和企业有关这方面的研究还未能查到。这也从另一个方面说明了从国家层面上还没形成研究低速直线电机的浓厚氛围，主要原因是受传统思想的影响和目前低速直线电机开发成本较高的原因。对于应用低速直线驱动的场合，人们还习惯于选择电机加减速机构的方法实现。在“十一五”期间，国家将直线永磁电机和低速旋转电机放在了优先发展的地位，极大地促进了我国直线永磁电机和低速旋转电机的发展。因此，要大力发展低速直线电机，特别是分段式低速直线永磁电机，以提高我国低速直线永磁交流伺服系统驱动水平，也需要国家从政策上加以引导。

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