吳 偉，司紀凱，岳帥軍，劉群坡，封海潮，李應生

(1.河南理工大學，焦作 454003；2.鄭州潤華智能設備有限公司，鄭州 450001)

0 引 言

在生產流水線、機械手臂、機床車床等生活和工業(yè)生產方面，平面驅動裝置得到廣泛應用。傳統(tǒng)的直線驅動設備利用機械傳動機構，將旋轉電機提供的旋轉運動轉換成直線運動，而要想實現(xiàn)二維平面的驅動定位，則需要至少兩套這樣的設備在非共線方向上疊加構成。傳動機構的介入使得系統(tǒng)中摩擦、碰撞等現(xiàn)象增多，很難滿足高精度定位的要求[1]，且機組數(shù)愈多，系統(tǒng)體積愈大。

隨著科學技術的不斷發(fā)展和電機制造工藝的不斷優(yōu)化，將直線電機應用于平面電機設計已成為一種趨勢，采用多個直線電機同時驅動同一次級而實現(xiàn)在整個平面上的多自由度運動和定位。由于省去了傳統(tǒng)直線驅動設備的直線運動轉換機構，所以不存在摩擦、側隙、變形等帶來的誤差，從而提高控制精度。采用直接驅動的方式，不用接入傳動部件，可依靠電磁推力實現(xiàn)對次級的直接驅動，將電磁能直接轉換為機械能，因此該系統(tǒng)的出力密度及精度都相對較高；由于省去了機械傳動機構，使得系統(tǒng)整體體積減小；對次級的直接驅動使得系統(tǒng)具有更高的靈敏度；相比于傳統(tǒng)直線驅動設備電機與傳動機構復雜配合，平面電機的動子一般采用鋼板下表面鍍銅的結構，結構更為簡單[2]。

目前，已研制出的平面電機結構及形式方面都呈現(xiàn)出多樣化。根據(jù)電磁推力產生的原理，可將平面電機分為變磁阻型、永磁型、感應型和直流型[1]。本文參考國內外學者的相關優(yōu)秀作品，對平面感應電機的研究、設計進行總結，為未來平面感應電機的進一步研究、優(yōu)化的方向和發(fā)展趨勢提供參考。

1 國內外研究現(xiàn)狀

盡管平面感應電機還沒能達到高精度、高速度平面驅動的要求，但是其利用簡單的次級平面實現(xiàn)較寬運動范圍平面驅動的優(yōu)點，使得平面感應電機在大負載平面驅動方面有較強的適應性[3]。由于對平面感應電機的研究起步較晚，而且，并沒有受到各國學者的廣泛重視，所以，相較于其他類型的平面電機，感應型平面電機的相關理論、技術均不成熟。根據(jù)電機次級所受推力的合成方式不同，可將現(xiàn)有的平面感應電機分為環(huán)形式平面感應電機和多向合成式平面感應電機。

1.1 環(huán)形式平面感應電機結構及機理

在文獻[4]中，日本九州大學的學者Nobuo Fujii提出了一種圓環(huán)式平面感應電機，其電機結構如圖1所示。該結構的平面感應電機，初級為環(huán)形開槽鐵心，鐵心槽中設置有電樞繞組，次級由導電的背鐵板和導磁板組合構成。這種環(huán)形式平面感應電機的特點在于，既能夠實現(xiàn)在平面上繞中心軸旋轉，又能夠實現(xiàn)在平面上做直線運動，只需通過控制對電樞繞組的供電方式，就可以實現(xiàn)對電機運動方式的控制。

圖1 圓環(huán)式平面感應電機

當需要旋轉驅動時，給所有線圈通入三相交流電，所產生的行波磁場會繞環(huán)形鐵心的中心旋轉，驅動初級做旋轉運動，如圖2(a)所示；當需要直線驅動時，將電樞繞組線圈分為2部分，由2個逆變器分別向這2部分線圈通入反向的三相交流電，使2部分線圈產生2個相對的行波磁場來驅動初級。根據(jù)矢量相加的原理，合力沿直線運動的軸方向，驅動初級做直線運動，如圖2(b)所示。

(a) 旋轉驅動

(b) 直線驅動圖2 環(huán)形式平面感應電機工作原理圖

該結構可實現(xiàn)平面驅動和旋轉驅動，次級結構簡單，但控制困難，速度和精度不高，初級繞組結構復雜。

1.2 雙向合成式平面感應電機結構及機理

耶拿學者Peter Dittrich教授提出一種三自由度平面感應電機[5]，其電機結構如圖3所示。該平面感應電機為動初級型，采用氣浮支撐方式，靠4個空氣軸承為初級和次級提供穩(wěn)定的氣隙寬度，用2個光學位置傳感器來確定動子的位置，次級為簡單的覆銅基板，初級側具有4個獨立供電的電樞繞組單元，這4個電樞繞組為兩兩平行的直線感應電機定子，對4個繞組的通電情況進行控制，即可得到沿X方向和Y方向上的電磁推力。

圖3 雙向合成式平面感應電機

當向任意一對繞組通入同向的三相交流電時，兩繞組中將產生同向的電磁推力，驅動動子在平面上做直線運動；當向4個繞組中按順時針(或逆時針)方向通入三相交流電時，可產生順時針(或逆時針)方向上的圓周切向電磁推力，驅動動子在平面上做旋轉運動。

這種結構的平面感應電機的優(yōu)點是增加了電機的活動范圍，且運動方式更加多樣化，結構簡單緊湊；但是，該電機在控制方面仍然存在一定的難度，而且，利用位置傳感器給動子定位方面還遺留一些問題亟待解決。

1.3 三向合成式平面感應電機結構及機理

日本東北學院大學與美國卡內基梅隆大學研究了一種三定子平面感應電機[6]，其電機結構如圖4所示。該平面感應電機為動次級型，定子側由3個直線感應電機繞組、矢量控制驅動器和3個光學鼠標傳感器組成，動子由覆銅板和背鐵板構成。

圖4 三向合成式平面感應電機定子結構

該平面感應電機采用多個激光鼠標傳感器，每個傳感器都能夠在正交的兩個方向上檢測動子平面運動速度，把這些激光鼠標傳感器測量得到的雙線性傳感值進行組合再轉化為三維速度值，將其與系統(tǒng)的位置和旋轉角度相結合計算出加權平均值，對3組電樞繞組輸入相應大小的電流，實現(xiàn)對3個定子電樞出力大小的控制，由合成推力來驅動定子做直線運動，實現(xiàn)對動子的直線驅動。當沿順時針或逆時針方向給3個定子電樞輸入三相交流電時，即可得到3個順時針或逆時針的沿圓周切向的電磁推力，實現(xiàn)對動子的旋轉驅動。

這種結構的系統(tǒng)可以提供平面感應電機的位置、旋轉角度、平移速度和角速度。但是該系統(tǒng)也存在一定的問題，如該系統(tǒng)只能測量相對運動，沒有絕對的位置；方向和位置的漂移會隨時間的推移逐漸積累。

2 平面感應電機的優(yōu)缺點分析

2.1 平面感應電機優(yōu)點分析

采用平面感應電機取代傳統(tǒng)旋轉電機，配合機械轉換機構，實現(xiàn)對二維平面運動的直接驅動，不僅省去了機械轉換機構，減小了系統(tǒng)結構的復雜度，而且，其動子一般采用鋼板下表面覆銅的結構，易于加工制造，降低了成本，簡單的系統(tǒng)結構也增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少了維護的次數(shù)與費用[7]；平面感應電機可以將電能直接轉換為二維平面的電磁推力，當采用氣浮或磁浮的非接觸支撐方式時，可以實現(xiàn)傳動部件無接觸磨損，減少機械消耗，同時可以減小傳統(tǒng)電機因傳動機構和電機軸承之間的碰撞、摩擦而產生的噪聲，運行環(huán)境好；平面感應電機的定子一般較長，且通常暴露于空氣，故此類電機散熱效果好，熱負荷也較高，可以在較惡劣的環(huán)境條件下工作。

2.2 平面感應電機的缺點分析

平面感應電機由于其自身結構的特點，也存在著以下的缺點：

(1) 電機初級三相繞組不對稱排布的特點，使得即使給三相繞組兩端施加對稱的三相電壓，繞組中的電流也會出現(xiàn)不對稱現(xiàn)象，利用對稱分量法可分離出三相不對稱電流中的負序和零序分量，對應這兩種電流將產生反向行波磁場和脈振磁場。這兩種磁場在次級運行過程中將產生阻力及附加損耗，從而降低平面感應電機的效率和功率因數(shù)。由于平面感應電機所采用的氣隙厚度要比旋轉電機的氣隙厚度大，所以，其每極磁路的總磁位降及磁化電流也會增大，從而增加了電機的損耗[8]；與此同時，兩端開斷的特殊機構，使得電機的初級中產生了一定的邊緣效應，也間接增加了損耗。兩方面的原因導致平面感應電機的效率和功率因數(shù)低，低速運行時更加明顯。

(2) 隨著時間的積累，由于慣性等各種因素而引起的電機位置偏差也會積累，從而增加位置不確定性，導致平面感應電機的定位精度及可靠性方面受到一定限制。

(3) 由于平面感應電機的機電特性較為復雜，在分析時?；诤喕脑?，所以平面感應電機很難實現(xiàn)高速和高精度平面驅動[1]。

3 平面感應電機的優(yōu)化方法分析

針對平面感應電機存在的邊緣效應的影響，文獻[9]中提到相應方法，以實現(xiàn)對平面感應電機性能的優(yōu)化。

3.1 削弱縱向邊緣效應的方法

(1) 對于可使用3臺直線電機，同時驅動同一動子的場合，如果這3臺電機的參數(shù)完全一致，則可采用換位接法的方式，來消除由于結構的特殊性而引起的不對稱電流，從而消除縱向邊緣效應的影響，換位接法如圖5所示。

圖5 消除逆序和零序電流的換位接法

(2) 對于不能采用換位接法的場合，一般通過增加電機極數(shù)的方式來削弱不對稱互感的影響。電機中逆序和零序電流的所占比重隨極數(shù)的增加而減小，一般認為，極數(shù)不小于6時，即可忽略這2種電流的影響。

(3) 由于直線電機兩端是斷開的，實際槽數(shù)必須大于極數(shù)要求的槽數(shù)。對于雙層繞組，邊端有單層的槽，為減小邊端效應的影響，可在相應的半槽中安放補償元件[10]。

3.2 削弱橫向邊緣效應的方法

對于橫向邊緣效應的削弱，通常采用適當加大次級寬度的方法。當次級的各邊伸出鐵心的寬度約為極距的0.4倍時，橫向邊緣效應影響較小，且比值越大，橫向邊緣效應影響越小。但是，當比值大于0.4時，比值的增加對性能優(yōu)化的提升效果會明顯降低。

4 平面感應電機的初級繞組優(yōu)化設計

由于平面感應電機的定子，實質上可以看作是旋轉感應電機的定子沿徑向剖開后拉伸成直線，所以，在定子繞組形式方面，平面感應電機與旋轉感應電機也基本相同，常見的繞組形式主要分為集中繞組和分布式繞組，其中分布式繞組又可分為單層和雙層兩大類，主要包括單層同心式繞組、單層鏈式繞組、雙層無補償繞組、雙層有補償繞組。

文獻[11，12]采用有限元法和等效電路法對多種不同繞組排布形式進行了分析計算，最終得出當采用雙層分布式繞組且每極每相槽數(shù)為3時系統(tǒng)性能達到最佳狀態(tài)。文獻[13]提出一種五相繞組的定子結構設計，并與傳統(tǒng)三相雙層繞組電機相比，五相繞組電機的效率更高，結構更簡單。文獻[14]提出一種多層平面集中繞組形式，削弱負面諧波量、提高波形質量。文獻[15]提出一種平面模塊化繞組形式，對諧波進行抑制和消除。

5 平面感應電機的應用與發(fā)展方向

5.1 平面感應電機的應用

由于平面感應電機可由直線電機對動子實現(xiàn)直接驅動，不需要復雜的中間傳動裝置，電機整體結構更加簡單，直接驅動的方式使得電機具有精確度高、機械摩擦小、響應快的優(yōu)點，多自由度平面感應電機還具有集成度高、運動靈活性高、運動方式多樣化的特點，因此在機床、機器人、機械手臂等需要全向驅動的領域正逐步得到應用和推廣。

5.2 平面感應電機的研究發(fā)展方向

結合目前平面感應電機的研究現(xiàn)狀及工業(yè)生產的要求，針對平面感應電機由于自身結構問題而存在的一些缺陷，可以預測平面感應電機的研究將會有以下幾個發(fā)展方向。

5.2.1 基礎理論和算法的研究

與傳統(tǒng)的旋轉電機相比，平面感應電機的初級存在結構上的特殊性，所以旋轉電機的相關理論和算法不能直接應用在平面感應電機上。由于平面感應電機的機械特性非常復雜，而目前所采用的算法還只是一些等效電路法等簡化算法，計算結果在精確度上受到限制。不斷加強對理論的研究，實現(xiàn)對算法的優(yōu)化和完善，對計算精度的提高有著重要意義。

5.2.2 高速、超高速平面感應電機結構設計

平面感應電機在以高速、超高速運行時，會有較高的電機溫升，嚴重的會使電機氣隙不均勻，降低電機性能，縮短電機使用壽命。因此，如何降低電機溫升、增強電機散熱性能有著重要的研究意義：

(1) 由于平面感應電機自身的工作機理和結構特點，在輸出電磁推力的同時，會有一個法向推力產生[17]，該推力可以抵消一部分的負載重力，對該法向推力進行深入研究并加以應用，可以減小機械摩擦力，降低因機械摩擦而產生的熱量。

(2) 加強對新材料的研究。性能優(yōu)良的材料可以降低定、轉子上的損耗，從而降低電機溫升，提高電機效率。文獻[18]提出一種超材料用于電機設計，建立了電機模型，并對電機的性能進行了仿真分析。

(3) 目前常用的電機冷卻方式主要有氣冷、水冷、油冷等，當平面感應電機在高速或超高速運行，由于電流熱效應和摩擦產生的熱量會增大，如果傳統(tǒng)的散熱方式不能滿足散熱要求，就可能會對電機本身造成損害，對新型散熱冷卻方式的研究是加強對電機保護的一個重要途徑。文獻[19]中提出一種新型雙層水冷結構，實現(xiàn)對平面電機初級的冷卻和溫控。

5.2.3 初級繞組方式設計

因平面感應電機初級鐵心結構的特殊性而產生逆序磁場和零序磁場會影響波形、效率等電機性能，目前主要采用換位、添加補償裝置等方法來削弱邊緣效應的影響，然而這些方法會受到應用場合的限制。對新型繞線方式的研究，進一步削弱甚至消除邊緣效應的影響，可以實現(xiàn)對電機效率、輸出推力的提升。

5.2.4 平面感應電機的控制精度研究

與其他類型的平面電機相比，平面感應電機在控制精度、響應速度方面都不如變磁阻式和永磁式，而結構的改良不能實現(xiàn)對這些性能的優(yōu)化，所以通過完善控制系統(tǒng)來提升平面感應電機的控制精度和響應速度，是平面感應電機的一個重要的研究方向。

多自由度平面電機的各運動自由度之間存在著緊密的電磁和力學耦合[20],復雜的耦合關系也提高了對電機精準控制的難度，所以不斷研究和完善多自由度平面感應電機的運動場和電磁場的解耦分析算法，是提高多自由度平面感應電機控制精度的關鍵。

6 結 語

平面感應電機以結構簡單、運動靈活、安全可靠、振動和噪聲小等優(yōu)點，已被廣泛應用于車床機床、制造業(yè)、運輸業(yè)、軍事和航空航天等領域。但是，在控制精度、運行速度、效率和功率因數(shù)等方面與旋轉電機、平面同步電機相比還有很大的提升空間。

隨著工業(yè)生產技術、計算機技術等技術的不斷發(fā)展，對電機結構和控制系統(tǒng)的深入研究和優(yōu)化，平面感應電機在性能、運行精度、運行速度和加速等方面也會得到提升，適應更多的場合，在多個領域逐步取代傳統(tǒng)電機。