次级斜槽双永磁体励磁直线永磁磁通切换电机

郝雯娟，王 宇

(1.南京航空航天大学 金城学院，南京 211156；2.南京航空航天大学 自动化学院，南京 211106)

0 引 言

目前很多国家，如美国、日本、加拿大、中国等国，都有直线电机驱动的轨道交通路线。这是由于相对于旋转电机驱动，直线电机可以将电能直接转换成直线运动的机械能，动态响应较快，机械结构简单且工程造价低[1-3]。

近几年，永磁磁通切换(FSPM)电机的研究备受各国研究人员的关注。作为定子永磁式电机，与传统的转子永磁式电机相比，永磁磁通切换电机有以下特点[4-6]：

(1)转子上没有永磁体或绕组，转子结构简单坚固。

(2)绕组和永磁体在定子上，散热条件良好。

(3)永磁体几乎不受电枢磁场影响，退磁风险小。

将旋转FSPM电机沿着径向展开，就得到了平板型直线FSPM(LFSPM)电机，直线电机的短初级是原来旋转FSPM电机的定子部分，而其长次级是FSPM电机的转子部分。LFSPM电机继承了其旋转结构的优点，同时，由于其永磁体和绕组在初级，次级是凸极铁心，这样在诸如电梯、轨道交通等长次级场合，该电机可以做到节省绕组和永磁体用量，系统结构简单、推力密度高、施工和维护成本低[2-3]。

在诸如电力牵引等应用场合，推力密度是衡量LFSPM电机性能的主要指标。永磁体和硅钢片的配合可以有效地提高电机推力输出能力[7]。文献[8-9]研究了一种双永磁体励磁的旋转磁通切换电机电机，这种电机与传统结构相比具有更好的转矩能力。 因此，为了提高永磁体和硅钢片的利用率，本文对一台双永磁体励磁的LFSPM(DMLFSPM)电机进行研究，使其可以输出较高的推力。

直线永磁磁通切换(LFSPM)电机与旋转的永磁磁通切换电机一样都属于双凸极结构，具有定位力大的缺点，定位力是推力脉动的主要成因，会很大程度上影响电机控制性能，所以在设计电机时应抑制[10]。目前有一些文献在减小直线电机定位力方面都做了研究。文献[11]通过建立单个模块的定位力模型来分析电机整体的定位力，在此基础上提出了一种减小定位力的优化设计方法。文献[12]利用LFSPM电机定位力周期变化的特点，提出了一种定位力抵消的方法，该方法有效减小了定位力，但在设计永磁体放置位置时，设计过程比较复杂。旋转电机中常用斜槽结构来减小定位转矩，取得良好的效果。因此，本文采用一种简化的斜槽结构，即次级分段斜槽结构来减小DMLFSPM电机的定位力。

全文安排如下：第二部分分析了双永磁体励磁直线永磁磁通切换电机基本拓扑；第三部分进行了推力优化和比较；第四部分分析了定次级分段斜槽结构的直线永磁磁通切换电机。第五部分给出了结论。

1 双永磁体励磁的直线永磁磁通切换电机的结构

一台传统结构的12/14极直线永磁磁通切换电机(12/14LFSPM)如图1(a)所示。为了增加槽面积以及提高永磁体和硅钢片的利用率，通过利用双永磁体的聚磁效应本文研究了一台双永磁体励磁的直线永磁磁通切换电机(DMLFSPM)。与传统结构相比，该电机由6级模块组成，每个初级模块采用充磁方向相反的双永磁体励磁，如图1(b)所示。DMLFSPM电机的空载磁力线分布图以及空载反电势如图2和图3所示，这里，θe是初级位置对应的电角度，可以看出， DMLFSPM电机的“磁通切换”工作模式与传统LFSPM电机相似，电机运动过一个次级极距的范围，永磁磁链交替变化一周。同时，从图2可以发现，DMLFSPM电机正是利用两个反向充磁的永磁体通过次级凸极齿实现聚磁。

图1 直线永磁磁通切换电机结构

图2 DMLFSPM电机空载磁力线分布

图3 DMLFSPM电机空载反电势

2 双永磁体励磁的直线永磁磁通切换电机的推力

为了得到最大平均推力，在铜耗不变的情况下利用有限元软件对传统的12/14 LFSPM电机和DMLFSPM电机进行输出推力优化，保持不变的铜耗为输入电流幅度为10 A和相绕组匝数为200匝时初始尺寸的铜耗，采用的算法是Id=0矢量控制。采用参数独立优化方式，即按顺序独立优化每个参数，本次优化好的参数直接用于下一个参数的优化中[13]。图4给出了两台电机的设计参数，表1给出了优化过程中固定的参数，表2给出了优化的参数名称，优化顺序以及优化结果。从表2中可以看出，wmtd-ratio和wswp-ratio是DMLFSPM电机独有的参数，而且wmtd的设计值在次级极距附近，这是因为DMLFSPM电机利用两个反向充磁的永磁体通过次级凸极齿实现聚磁。

图4 直线永磁磁通切换电机设计参数

参数和符号12/14 LFSPMDMLFSPM气隙g/mm11电机总高ht/mm3838电机厚度D/mm8080次级极距ts/mm17.1415永磁体剩磁Br/T1.281.28额定速度v/(m/s)44初级极距tm/mm2020相数33槽满率kp0.50.5电阻率ρ/Ω·mm1.7×14-51.7×14-5导线直径d/mm1.21.2永磁体材料NdFeB(N40)NdFeB(N40)

表2 优化的参数

图5(a)给出了优化后两台电机的平均推力比较，可以发现，DMLFSPM电机的推力比12/14 LFSPM电机高约22%。两台电机的永磁体积分别为92400 mm3和 78048 mm3，结合图5，两台电机的推力永磁体体积比分别为3.7×10-3N/mm3和 5.4×10-3N/mm3，说明DMLFSPM电机的永磁体和铁心利用率更高。由表1可知，两台电机体积基本相同，那么DMLFSPM电机的推力体积比更高，即DMLFSPM电机具有更高的推力密度。此外，图5(b)给出优化后两台电机的定位力波形，可以发现，虽然DMLFSPM电机可以输出较高推力，但定位力较大，所以对该电机进行进一步的改进。

图5 直线永磁磁通切换电机优化结果

3 采用次级分段斜槽结构的定位力抑制

对DMLFSPM电机的定位力进行抑制来减小推力脉动。一般来说，选择减小定位力的方法应该考虑到结构复杂程度、实施成本以及对电机性能的影响等问题。旋转电机中常用斜槽结构来减小电机定位力矩，效果良好，该结构主要是利用电机定位力矩周期变化的特点来抵消定位力幅值。因此，本文也采用斜槽结构来减小DMLFSPM电机的定位力，为了降低结构的复杂性以及抑制的效果，采用一种简化的斜槽结构，即三段式次级分段斜槽结构，如图6所示，其中Ds为斜槽位移。采用次级分段斜槽结构的DMLFSPM电机命名为DMLFSPM1电机。

图6 次级分段斜槽结构

根据有限元仿真分析，图7(a)给出了DMLFSPM1电机在额定电流下平均推力随不同Ds值的变化趋势，图7(b)给出了定位力峰峰值与额定电流下平均推力的比值随不同Ds值的变化趋势。

图7 DMLFSPM1电机随Ds变化情况

可以从图7发现，平均推力都有不同程度的减小，这是斜槽结构都有的缺点。当Ds值为3s/32时，DMLFSPM1电机的定位力峰峰值与额定平均推力的比值最小，约为20%，但平均推力的减少幅度也最大，当Ds值为s/16时，DMLFSPM1电机的定位力峰峰值与额定平均推力的比值第二小，约为30%，平均推力相对于原始结构减小了约为12%，所以最终选Ds值为s/16。

图8给出了采用分段斜槽结构前后电机定位力波形的比较。可以看出，次级采用分段斜槽结构后，定位力显著减小。

图8 采用分段斜槽结构前后电机定位力比较

4 结 论

相对于传统结构的直线永磁磁通切换电机，双永磁体励磁直线永磁磁通切换电机利用双永磁体的聚磁效应，具有更高的永磁体和铁心利用率，从而可以输出较高的平均推力。但由于直线磁通切换电机的双凸极结构，定位力较大的问题会影响其运行。本文采用一种简化的斜槽结构，即次级分段斜槽结构来减小其定位力，通过分析分段斜槽不同斜槽位移与电机平均推力和定位力峰峰值的关系，最终选择合适的斜槽位移。但是，该分段斜槽结构也具有普通斜槽结构的缺点，即在抑制定位力的同时会减小电机推力平均值。