两种结构的双边型直线式SRM电磁特性比较分析

吴正飞，王千龙，马海宁，蒋 伟

(扬州大学，扬州 225000)

0 引 言

开关磁阻直线电机(以下简称LSRM)因其结构较直线同步电机简单、造价比永磁式直线电机低、性能又优于直线感应电机等优点，成为直线驱动领域可选电机之一。LSRM的基本结构可以看成由旋转式SRM演变而来，具有结构简单、可靠性高和起动力矩大等优点[1]。

单边型开关磁阻直线电机(以下简称SLSRM)结构最简单，但存在较大的单边法向磁拉力。单边法向磁拉力会导致SLSRM动子与直线轨道间的摩擦力增大，并且使电机的机械磨损加重[2]。双边型开关磁阻直线电机(以下简称DLSRM)以SLSRM作为基础，增加了一套与SLSRM关于直线轨道相对称的动子结构，在动子两端与定子间气隙相同的情况下，其定子两侧的动子所产生的法向磁拉力会完全抵消，并且两边的电磁推力方向相同。因此DLSRM相比于SLSRM去除了单边磁拉力，同时增加了电机的单位体积电磁推力。DLSRM 的独特优点吸引了众多国内外学者的研究兴趣。文献[3-5]研究了整体式定子分块式动子结构的DLSRM的位置控制和发电控制等。文献[6]则针对一种新型分块式定子整体式动子结构的电机原理和设计方法进行了研究。

本文对分块式和整体式两种结构的DLSRM做了对比，分别从磁力线分布、磁密分布、相电感和电磁推力4个方面分析，从而得出结论。

1 结构设计

整体式和分块式DLSRM的结构示意图如图1所示。整体式DLSRM采用三相动子的结构，三相动子采用整块的硅钢片叠压而成，该硅钢片上共有12个凸极，从左往右依次为A-B-C-A-B-C相，动子的凸极上设有绕组，每凸极210匝。电机定子、动子上硅钢片的叠厚均为42 mm。动子总长349.35mm，宽48 mm，结构示意图如图1(a)所示。

(a) 整体式DLSRM

(b)分块式DLSRM

分块式DLSRM分为三相定子，且各相在结构上相互独立，由动子两侧的硅钢片叠压组成一相，从左往右依次为A,B,C三相，动子硅钢片的凸极上设有绕组，每凸极210匝。定子、动子硅钢片的叠厚为42 mm，定子总长299.4 mm，宽48 mm。结构示意图如图1(b)所示。表1给出了两种DLSRM的结构参数。

表1 整体式和分块式DLSRM主要尺寸参数

2 性能分析

2.1 磁力线分布与磁密分布比较

2.1.1 单相导通6 A电流的磁力线分布与磁密分布比较

在图1的整体式和分块式DLSRM中，设A相电感最小位置为起始零位置，给A相通入6 A电流，电机动子向右运动，开通到A相8 mm的位置时，在整体式和分块式DLSRM中，磁力线穿过动子轭、动子凸极和定子，形成闭合磁路，磁力线分布和磁密分布如图2所示。定子与动子的磁密均在0.668～1.003T之间，近似相等。

(a) 磁力线分布(整体式)

(b)磁密分布(整体式)

(c) 磁力线分布(分块式)

(d) 磁密分布(分块式)

2.1.2 双相导通6 A电流的磁力线分布与磁密分布比较

在图1的整体式和分块式DLSRM中，A,B两相通入6 A电流，电机动子开通到B相对齐位置时，在整体式DLSRM中，有2条贯穿A相和B相的磁路，相比单独的磁路而言，A,B相重叠区的磁力线分布更密，动子两相重叠区的轭部磁密在0.992～1.591 T之间，动子轭部虚线标注地方出现了磁饱和现象，磁力线和磁密分布图如图3(a),图3(b)所示；在分块式DLSRM中，B相磁力线分布比A相更密，且两相的磁密分布正常，定子凸极和动子凸极轭部磁密在0.795～1.326 T之间，并未出现磁饱和现象。磁力线分布和磁密分布如图3(c),图3(d)所示。

(a) 磁力线分布(整体式)

(b)磁密分布比较(整体式)

(c) 磁力线分布(分块式)

(d) 磁密分布比较(分块式)

2.2 相电感比较

在图1的整体式DLSRM中，给A相单独通入1 A电流，利用FLUX软件计算得出相电感波形，如图4中的Type1。给A相通入1 A电流，B相通入10 A电流时，如图4中的Type2所示，A相电感总体减小，最小误差为4.49%，最大误差为33.76%。给A相通入1 A电流，B,C相通入10 A电流时，如图4中的Type3所示，A相电感急剧降低，且在电感最小起始位置时，是从负值开始增大的，最小误差13.81%，最大误差113.91%。由此得出结论，对于整体式DLSRM，在不同绕组中通入不同的电流后，各相间互感较大。且开通的相数越多，电感的误差值越大。

图4 相电感的比较

在图1的分块式DLSRM中，给A相单独通入1 A电流，利用FLUX软件计算得出相电感波形，如图4中的Type4所示。给A相通入1 A电流，B相通入10 A电流时，A相电感波形几乎不变，如图4中的Type5所示，最小误差1.04%，最大误差3.88%。给A相通入1 A电流，B,C相通入10 A电流时，如图4中的Type6所示，最小误差1.06%，最大误差3.94%。由此得知，在分块式DLSRM中，绕组中通入额定电流后，各相间互感很小，在正常的误差范围之内。具体的电感误差如表2所示。

表2 电感误差

2.3 不同电流下静态电磁推力的比较

本文利用有限元分析软件FLUX对两种DLSRM的静态电磁推力进行仿真计算，得出在不同电流以及不同励磁方式下的两种DLSRM静态电磁推力情况。

2.3.1 单相导通5 A和10 A电流的静态电磁推力比较

在图1的整体式和分块式DLSRM中，给A相分别导通5 A和10 A的电流，开通一个周期(50 mm)的位置，比较其静态电磁推力的波形，如图5所示。Type1为整体式DLSRM的静态电磁推力，Type2为分块式DLSRM的静态电磁推力。由图5中计算结果可以得出，两种DLSRM在单相励磁情况下，静态电磁推力基本相同。

(a) 单相导通5 A电流

(b) 单相导通10 A电流

2.3.2 三相六拍导通5 A和10 A电流的静态电磁推力比较

在图1整体式和分块式DLSRM中，采用三相六拍的控制方式，依次给AC，A，AB，B，BC，C通入5 A的电流，比较其静态电磁推力的波形，如图6所示。Type1为整体式DLSRM的静态电磁推力，Type2为分块式DLSRM的静态电磁推力。从峰值、平均值、脉动((峰值-平均值)/平均值×100%)3个方面分别对两种结构的DLSRM作定量分析，如表3所示。由表3可知，分块式DLSRM的峰值比整体式DLSRM大1.705 3 N，脉动小1.95%，平均静态电磁推力大2.833 N。当依次给AC,A,AB,B,BC,C通入10 A的电流，Type3为整体式DLSRM的静态电磁推力，Type4为分块式DLSRM的静态电磁推力。由表3可知分块式DLSRM的峰值比整体式DLSRM小4.768 N，但脉动小16.67%，且平均静态电磁推力大31.563 2 N。

(a) 5 A

(b)10 A

表3 性能分析

3 样机验证

图7为分块式DLSRM样机平台照片，其中电机有一套定子和一套动子，动子为相应的硅钢片直接叠压而成，样机采用了不导磁的不锈钢材料。1个量程为500N的拉力传感器安装在动子与固定支架之间，用于检测动子的电磁推力。分辨率为5μm的位移传感器用于检测电机的位移。

图7 样机照片

3.1 实验数据采集

松开固定支架两端的螺母，给电机动子的A相通入瞬时10A的电流，使得动子A相处于磁阻最小位置，作为起始零点。采集50个点，每个点间距1mm(一个周期)，通过位移显示仪读出位移量，拉力显示仪读出静态电磁推力，通过LCR测量表测得动子A相的电感值。实测静态电磁推力和电感值如图8所示。

(a) 电磁推力

(b) 电感

3.2 误差分析

通过实验样机平台的测验，单相导通10A电流时，实际的电磁推力略小于FLUX软件计算得出的值。误差主要是动子与轨道的摩擦阻力，拉力传感器和位移传感器内部的调理电路有偏差。相电感的实测值也与计算结果接近，误差小于5%，故验证成立。

4 结 语

本文在已有的整体式DLSRM的基础上，又研究了一种新结构的分块式DLSRM。分别从磁力线分布、磁密、相电感、电磁推力的角度综合分析了两种电机的优劣，得出了以下的一些结论：

1) 当单相导通电流6A时，两种结构的DLSRM磁力线分布和磁密都正常；当双相通入6A电流时，整体式DLSRM的磁路会出现饱和现象，而在分块式DLSRM上，各相间磁路相互独立，通入允许范围之内的电流，没有出现磁路饱和的现象。

2) 当单相导通两种不同结构的DLSRM时，相电感均不受其他相的影响；当给其他相通入10A额定电流时，整体式DLSRM的互感大，误差在4.49%～33.76%，而互感在分块式DLSRM没有体现，对应导通相的电感误差均在5%以下。

3) 当单相导通电流时，两种结构的DLSRM的静态电磁推力随着电流的增大而增大，且峰值和脉动基本相同。当采用三相六拍的控制方式导通电流时，在给线圈通入5A电流，电机处于不饱和状态时，分块式DLSRM的电磁推力峰值比整体式DLSRM的峰值大1.705 3N，脉动小1.95%，平均电磁推力大2.833N；在给线圈通入10A额定电流，电机处于饱和状态时，分块式DLSRM的电磁推力峰值比整体式DLSRM小4.768N，但脉动小16.67%，且平均电磁推力大31.563 2N。

综上所述，分块式DLSRM性能明显优于整体式DLSRM，可以做进一步的深入研究。