黃克峰，李槐樹，周羽，張正勇

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

0 引言

圓筒型永磁直線電機(jī)(TPMLM)在結(jié)構(gòu)上取消了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，既簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)又減少了機(jī)械損耗提高了效率，同時(shí)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(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在直驅(qū)式驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。

在TPMLM中定子的變化主要集中在槽的個(gè)數(shù)、形狀、大小和齒距，而動(dòng)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(dòng)子結(jié)構(gòu)的不同來分析幾類結(jié)構(gòu)的電機(jī)。在TPMLM中比較常見的動(dòng)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(diǎn)，應(yīng)用場(chǎng)合也不一樣。徑向充磁動(dòng)子結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在平板型永磁直線電機(jī)，而軸向充磁動(dòng)子結(jié)構(gòu)和Halbach充磁動(dòng)子結(jié)構(gòu)應(yīng)用的場(chǎng)合比較廣泛，在不同類型的永磁直線電機(jī)都有應(yīng)用。

Jiabin Wang等人基于麥克斯韋磁場(chǎng)方程推導(dǎo)出了解析計(jì)算三種不同充磁方式的氣隙磁場(chǎng)解析表達(dá)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(guān)系[6，7]。他們都是得出了氣隙磁密的解析公式?jīng)]有進(jìn)一步去分析結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化會(huì)對(duì)氣隙磁場(chǎng)有何影響。本文利用有限元分析軟件Ansys對(duì)三種充磁方式動(dòng)子結(jié)構(gòu)的TPMLM進(jìn)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(shí)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(jī)的特點(diǎn)，為電機(jī)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)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(jìn)而得出較大的推力以及如何消除推力脈動(dòng)的一些思路[8，9]。

圖1 TPMLM三種動(dòng)子結(jié)構(gòu)

1 TPMLM的結(jié)構(gòu)和原理

永磁直線電機(jī)其實(shí)是從永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變過來的，該類電機(jī)的原理、分析方法和永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)類似。把永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖開拉直，就能夠得到平板型永磁直線電機(jī)，再將平板型電機(jī)的扁平部分卷繞起來使其與磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)方向平行，就得到了圓筒型永磁直線電機(jī)。圓筒型永磁直線電機(jī)主要由以下五部分結(jié)構(gòu)組成:不銹鋼軸、動(dòng)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(dòng)子鐵心、氣隙到達(dá)定子鐵心，再?gòu)亩ㄗ予F心出發(fā)經(jīng)過氣隙到達(dá)動(dòng)子鐵心最后進(jìn)入永磁體。當(dāng)動(dòng)子永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)和定子繞組電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生軸向推力使動(dòng)子運(yùn)動(dòng)。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(fù)運(yùn)動(dòng)。

2 三種充磁方式TPMLM氣隙磁場(chǎng)對(duì)比

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

2.1 無槽TPMLM氣隙磁場(chǎng)分析

要對(duì)三種充磁方式電機(jī)的氣隙磁密進(jìn)行對(duì)比分析，就必須使得三種充磁方式的電機(jī)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(jī)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(duì)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(chǎng)分析

對(duì)TPMLM開槽之后的氣隙磁場(chǎng)磁密進(jìn)行對(duì)比，在表1的結(jié)構(gòu)參數(shù)基礎(chǔ)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(duì)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(shì)，但是從永磁體的使用情況和性價(jià)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(zhǎng)度兩者進(jìn)行匹配，可以得到一個(gè)理想的推力輸出能力，而且該種充磁方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于制造。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的影響

在分析有槽圓筒型永磁直線電機(jī)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析電機(jī)的極弧系數(shù)、永磁體厚度和氣隙大小對(duì)三種圓筒型永磁直線電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的影響。

3.1 極弧系數(shù)對(duì)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)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(jī)氣隙磁場(chǎng)隨極弧系數(shù)變化的變化規(guī)律。極弧系數(shù)對(duì)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(duì)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(shì);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(shì)后出現(xiàn)徑向充磁的變化趨勢(shì)的原因在于:在極弧小于0.75時(shí)，軸向方向充磁占主導(dǎo)作用;在極弧系數(shù)大于0.75時(shí)，徑向方向占主導(dǎo)作用。(3)取不同的極弧系數(shù)時(shí)Habalch充磁方式始終處于較大的氣隙磁密。

3.2 永磁體厚度對(duì)氣隙磁場(chǎng)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(jī)氣隙磁場(chǎng)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(dòng)子內(nèi)徑的比值為0.1-0.5時(shí)，對(duì)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(shí)，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(dāng)永磁體厚度達(dá)到動(dòng)子半徑的1/3時(shí)，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(shí)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(gè)很平穩(wěn)的范圍。(2)在永磁體厚度較小時(shí)，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(zhǎng)較快;在永磁體厚度與動(dòng)子外徑的比值達(dá)到一定且小于0.5時(shí)，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(dāng)永磁體厚度與動(dòng)子外徑的比值大于0.5時(shí)，軸向充磁和Halbach充磁方式的氣隙磁密增長(zhǎng)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(shè)計(jì)中永磁體厚度與動(dòng)子外徑比值最好不要超過0.5。在永磁體厚度較小時(shí)，Halbach充磁方式占優(yōu)，在永磁體厚度稍大時(shí)，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(duì)氣隙磁場(chǎng)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(jī)氣隙磁場(chǎng)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(shì)由慢到快，徑向充磁幾乎是一個(gè)線性均勻變化。從三條變化曲線可以得出氣隙大小對(duì)氣隙磁密的影響很大，所以必須根據(jù)實(shí)際需要合理準(zhǔn)確的選擇氣隙大小。

由以上三種結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)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(duì)三種電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)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(duì)徑向磁化動(dòng)子電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度影響不大，但是軸向磁化動(dòng)子電機(jī)和Halbcah動(dòng)子電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)隨著永磁體厚度的增大而明顯增大，但是當(dāng)永磁體厚度與動(dòng)子外徑的比值大于0.5時(shí)，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(duì)三種電機(jī)氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)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(dòng)子電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度要大于其他兩種電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度。

4 結(jié)語

通過對(duì)三種不同充磁方式的無槽和有槽氣隙磁密大小、波形對(duì)比，分析了在其它參數(shù)不變的情況下改變TPMLM的動(dòng)子極弧系數(shù)、永磁體厚度和氣隙大小對(duì)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(jī)的特點(diǎn)。

(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(duì)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(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況準(zhǔn)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(duì)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(jiǎn)單快速的場(chǎng)合比較適用。

(3)Halbach動(dòng)子電機(jī)不僅可以獲得較大的氣隙磁場(chǎng)，還可以獲得比較接近正弦形或矩形的氣隙磁場(chǎng)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(dòng)子在TPMLM的應(yīng)用比較靈活，但是在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)參數(shù)的選取要合理準(zhǔn)確。

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