杜超 孟大偉

摘要：針對(duì)彈射用直線電動(dòng)機(jī)大推力、高加速度的特點(diǎn)，結(jié)合永磁同步電動(dòng)機(jī)、雙邊動(dòng)磁式結(jié)構(gòu)與環(huán)形繞組結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，在對(duì)動(dòng)子磁場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)分析后，提出環(huán)形繞組永磁直線同步電動(dòng)機(jī)（DSMM?R?PMLSM）的新型動(dòng)子結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有推力密度大、功率因數(shù)高、動(dòng)子質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固以及利于分段供電與控制的優(yōu)點(diǎn)，非常適用于電磁彈射系統(tǒng)。通過建立電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，得到此類電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)比不同結(jié)構(gòu)的動(dòng)子在正常運(yùn)行與偏心運(yùn)行時(shí)的推力性能，并且分別從場(chǎng)路結(jié)合解析、樣機(jī)實(shí)驗(yàn)兩方面進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，采用新型動(dòng)子結(jié)構(gòu)的直線電動(dòng)機(jī)電磁推力高、動(dòng)子質(zhì)量輕、彈射時(shí)加速度優(yōu)勢(shì)明顯，為電磁彈射用直線電動(dòng)機(jī)的研究奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：電磁彈射;永磁直線同步電機(jī);雙邊動(dòng)磁式;場(chǎng)路結(jié)合法;推力特性

DOI：10.15938/j.emc.2019.09.009

中圖分類號(hào)：TM 359.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2019）09-0065-10

Investigation of permanent magnet linear synchronous motor for ?electromagnetic launch based on field?circuit combined method

DU Chao，MENG Da?wei

（College of Electric and Electronic Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China）

Abstract：

Aiming at the characteristics of the large thrust and high acceleration of the linear motor， the advantages of permanent magnet motor， ring winding and double?sided moving?magnet structure were combined， the mover magnetic field was analysed and the ring winding permanent magnet linear synchronous motor with double?sided moving?magnet（DSMM?R?PMLSM）mover structure was proposed. Owing to its high thrust density and power factor， light mover quality， strong structure and convenience to power and control segmented， the DSMM?R?PMLSM has been the favoured choice in electromagnetic launch system. The dynamic characteristics are obtained by setting up the mathematical model of this motor type， and the thrust performances of the mover with different structures in normal and eccentric operation were compared and then rationalized in field?circuit combined analysis and in separate prototype tests. The results show that the linear motor with new mover structure has the merits of higher electromagnet thrust， lighter mover quality and better acceleration， which provides a reference for future research of linear motor for electromagnet launch system.

Keywords：electromagnetic launch; permanent magnet linear synchronous motor; double?sided moving?magnet structure; field?circuit combined method; thrust characteristics

0引言

電磁彈射裝置是一種高效的起飛輔助裝置，主要由直線電動(dòng)機(jī)、儲(chǔ)能供電設(shè)備、電力轉(zhuǎn)換設(shè)備和控制系統(tǒng)構(gòu)成。相對(duì)于傳統(tǒng)的彈射裝置，電磁彈射裝置以其推力密度高、運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量與體積均較小、閉環(huán)控制精度高、整個(gè)發(fā)射過程全程可控、維修費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，具有更廣闊的應(yīng)用前景。

作為電磁彈射系統(tǒng)的核心組成部分，彈射用的直線電動(dòng)機(jī)（后文簡(jiǎn)稱“直線電機(jī)”）將輸入的電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，借助電磁力或洛倫茲力，在一定時(shí)間與距離內(nèi)完成對(duì)物體的加速進(jìn)而彈射。直線電機(jī)既是整個(gè)彈射系統(tǒng)動(dòng)力的提供者，同時(shí)又和彈射目標(biāo)一起運(yùn)動(dòng)，所以也是系統(tǒng)所要控制的對(duì)象，其性能的高低直接影響了電磁彈射系統(tǒng)的效率。因此國(guó)內(nèi)外的學(xué)者們從提高電機(jī)輸出推力與減小動(dòng)子質(zhì)量和體積這兩方面入手，提出雙邊型動(dòng)磁式這種直線電機(jī)結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行了一系列的研究與優(yōu)化。

為設(shè)計(jì)適用于電磁彈射系統(tǒng)的載荷能力強(qiáng)、高速大推力的直線電機(jī)，E. R. Laithwaite提出將一塊導(dǎo)電板動(dòng)子放置在兩臺(tái)相同的直線感應(yīng)電機(jī)中間，構(gòu)成雙邊型的直線電機(jī)組。這種結(jié)構(gòu)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)部分僅僅為一塊導(dǎo)電板，因此加速度很大，具有很大的優(yōu)勢(shì)。海軍工程大學(xué)的馬偉明等在導(dǎo)電板動(dòng)子的兩側(cè)上、下各放置一臺(tái)電機(jī)定子，設(shè)計(jì)了這種兩層共四臺(tái)電機(jī)定子同時(shí)工作的直線電機(jī)組。通過建立上、下層電機(jī)的等效耦合電路模型，推導(dǎo)了耦合特性與電機(jī)運(yùn)行條件之間的關(guān)系。雖然雙邊型直線感應(yīng)電機(jī)的性能很好，但是推力密度較低，學(xué)者們紛紛將目光對(duì)準(zhǔn)具有更大推力密度、更高運(yùn)行精度的永磁直線同步電機(jī)上。R. Bernhard 將永磁直線同步電機(jī)引入到無人機(jī)發(fā)射器中，并開發(fā)了此類電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)程序。浙江大學(xué)的盧琴芬等提出了倒U型動(dòng)子結(jié)構(gòu)的永磁直線同步電機(jī)，中間是兩臺(tái)相同的電機(jī)定子軛部對(duì)軛部放置，再將定子兩側(cè)的兩組動(dòng)子相連，構(gòu)成了倒置的U型運(yùn)動(dòng)部分，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析了兩臺(tái)定子相對(duì)錯(cuò)位的長(zhǎng)度對(duì)電機(jī)推力波動(dòng)的影響。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李立毅等在之前兩臺(tái)定子組合運(yùn)行的基礎(chǔ)上，提出電樞部分為環(huán)形繞組的直線電機(jī)定子結(jié)構(gòu)，運(yùn)用解析法推導(dǎo)出電機(jī)推力密度系數(shù)的表達(dá)式，并且進(jìn)行了推力與諧波的有限元分析。中南大學(xué)的張子?jì)傻冗\(yùn)用等效磁化電流法，分析了環(huán)形繞組結(jié)構(gòu)的永磁直線同步電機(jī)的電磁參數(shù)，并且將不同的繞組方式、不同的槽型下電機(jī)的磁場(chǎng)與性能進(jìn)行了對(duì)比與分析。

與直線感應(yīng)電機(jī)相比，雙邊型的永磁直線同步電機(jī)推力密度高、推力波動(dòng)小，功率因數(shù)高，能夠更加有效利用電能;并且電機(jī)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，能夠抵消單邊磁拉力;動(dòng)磁式的結(jié)構(gòu)不拖動(dòng)電纜運(yùn)行，更加安全，運(yùn)動(dòng)部分體積較小、質(zhì)量較輕，在相同的電磁推力下能得到更大的加速度，更快達(dá)到所要求的最大運(yùn)行速度，進(jìn)而縮短起動(dòng)與加速的距離;環(huán)形繞組結(jié)構(gòu)的直線電機(jī)嵌線簡(jiǎn)單、易于分段控制，具有繞組端部短、銅耗低、發(fā)熱量小等優(yōu)勢(shì)。因此，雙邊動(dòng)磁式環(huán)形繞組的永磁直線同步電機(jī)以其更高的推力特性、控制精度、安全性與可靠性，更加適合應(yīng)用于電磁彈射系統(tǒng)。

本文針對(duì)環(huán)形繞組的直線電機(jī)進(jìn)行研究，從對(duì)電機(jī)定子與動(dòng)子間磁場(chǎng)的分析入手，提出新型雙邊動(dòng)磁式永磁直線同步電機(jī)（ring winding permanent magnet linear synchronous motor with double?sided moving?magnet，DSMM?R?PMLSM）的動(dòng)子結(jié)構(gòu)。并且建立環(huán)形繞組永磁直線同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，分析得到電機(jī)主要性能參數(shù)的解析表達(dá)式。將相同的電機(jī)定子分別搭配傳統(tǒng)動(dòng)子與新型動(dòng)子進(jìn)行場(chǎng)路結(jié)合方法分析，對(duì)比正常運(yùn)行與動(dòng)子偏心運(yùn)行這兩種狀態(tài)下不同動(dòng)子的推力特性，驗(yàn)證了新型動(dòng)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。并在對(duì)主定子槽型與動(dòng)子永磁體形狀進(jìn)行優(yōu)化后，設(shè)計(jì)制造了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了運(yùn)用場(chǎng)路結(jié)合法分析永磁直線同步電機(jī)參數(shù)的準(zhǔn)確性以及新型動(dòng)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

1雙邊動(dòng)磁式環(huán)形繞組結(jié)構(gòu)永磁直線同步電機(jī)的動(dòng)子結(jié)構(gòu)

1.1傳統(tǒng)動(dòng)子結(jié)構(gòu)

對(duì)于永磁直線同步電機(jī)而言，電機(jī)磁場(chǎng)的勵(lì)磁有定子電樞繞組和動(dòng)子永磁體2個(gè)部分，相對(duì)比較復(fù)雜，并且電機(jī)磁場(chǎng)的分析是整個(gè)電機(jī)研究的基礎(chǔ)，需要重點(diǎn)研究。由于環(huán)形繞組兩側(cè)磁極的磁化方向不同，動(dòng)子永磁體的排列方式也不相同。受其影響，磁路也有2種方式：串聯(lián)磁路與并聯(lián)磁路。永磁體2種不同排列方式下的磁路分布如圖1所示。其中，牌號(hào)相同、充磁方向相反的2種永磁體用“N”和“S”表示。

在圖1（a）所示的串聯(lián)磁路中，動(dòng)子的永磁體采用N-N相對(duì)的排列方式，電機(jī)磁路為沿著整個(gè)定子鐵心的一個(gè)大回路閉合曲線。相比較在圖1（b）中，動(dòng)子的永磁體采用N-S相對(duì)的排列方式，電機(jī)的磁路在定子鐵心的軛部斷開，與相鄰動(dòng)子的磁路連接，形成2個(gè)并聯(lián)形式的小回路閉合曲線。電磁反應(yīng)產(chǎn)生的必要條件為定子電樞繞組的磁鏈與動(dòng)子永磁體的磁鏈相交鏈。在永磁體N-N相對(duì)的串聯(lián)磁路中，大部分的磁力線直接穿過繞組，沒有和繞組交鏈，所以這部分不會(huì)產(chǎn)生電磁推力。而在永磁體N-S相對(duì)的并聯(lián)磁路中，永磁體磁鏈完全與定子繞組磁鏈相交鏈，上下兩部分磁場(chǎng)所產(chǎn)生的電磁推力方向一致，并實(shí)現(xiàn)推力值最大，故并聯(lián)磁路即N-S相對(duì)的永磁體排列方式較為合理。

1.2新型動(dòng)子結(jié)構(gòu)

適用于電磁彈射系統(tǒng)的永磁直線同步電機(jī)，傳統(tǒng)的雙邊型動(dòng)子由N、S極相間排列的永磁體與磁軛板組成。在提供同樣的電磁推力時(shí)，為了獲得更高的加速度，現(xiàn)提出一種采用新型的動(dòng)子結(jié)構(gòu)的雙邊動(dòng)磁式環(huán)形繞組永磁直線同步電機(jī)，如圖2所示。

新型結(jié)構(gòu)采用密度較小的鋁合金板作為整個(gè)運(yùn)動(dòng)部分的支架，在鋁合金板的兩側(cè)分別固定永磁體，并在雙邊型次級(jí)的兩側(cè)各添加一組由硅鋼片疊制而成的輔助定子（其寬度與主定子軛部高度相同），以使磁力線閉合。

2雙邊動(dòng)磁式環(huán)形繞組結(jié)構(gòu)永磁直線同步電機(jī)推力特性分析

對(duì)于表貼式永磁直線同步電機(jī)，在d-q坐標(biāo)下分析其穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)性能是十分方便的，因此以下有關(guān)電機(jī)推力的解析分析是建立在d-q坐標(biāo)系下的。當(dāng)定子電樞繞組為三相對(duì)稱繞組，電樞電流為三相對(duì)稱的正弦電流ia、ib、ic，電角頻率ωr可以用電樞磁場(chǎng)的平移速度vs表示為

ωr=2πf=πτvs。（1）

在d-q坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型中，將電機(jī)電樞中靜止的a、b、c三相繞組轉(zhuǎn)換為以電角頻率ωr進(jìn)行移動(dòng)的d、q兩相繞組，得到d-q坐標(biāo)系下的電壓、電流、磁鏈方程分別為：

ud=Rid+dψddt-ωrψq，

uq=Riq+dψqdt+ωrψd。（2）

id=23iacos（-θr）+ibcos（-θr+2π3）+

iccos（-θr-2π3），

iq=23iasin（-θr）+ibsin（-θr+2π3）+?icsin（-θr-2π3）。（3）

ψd=Ldid+ψmd，

ψq=Lqiq+ψmq。（4）

式中：對(duì)于動(dòng)子部分θr=∫ωrdt+θ0，θ0為初始相位。

永磁直線同步電機(jī)通常采用id=0的電流控制策略，并且這種動(dòng)子磁場(chǎng)定向矢量控制的方式還可以防止永磁的不可逆去磁影響，此時(shí)有：

id=0，

iq=Im。（5）

ψmd=ψm，

ψmq=0。（6）

式中：Im為每相電流的幅值;ψm為每極勵(lì)磁磁鏈的幅值。其表達(dá)式為

ψm=2E1ωr=2πkdp1N1φm。（7）

電磁功率和電磁推力的表達(dá)式分別為：

Pe=32×2Pωr（ψdiq-ψqid）=3πτvsψmImP，（8）

Fe=Pevs=3πτψmImP。（9）

式中：f為電機(jī)運(yùn)行頻率;τ為電機(jī)的極距;N1為每相繞組串聯(lián)匝數(shù);kdp1為繞組因數(shù);φm為主磁通;P為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

從以上對(duì)電機(jī)推力特性的動(dòng)態(tài)分析可知，當(dāng)id=0時(shí)，電磁推力隨iq變化。因此在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，只需要控制iq便可產(chǎn)生所期望的機(jī)械特性。

3雙邊動(dòng)磁式環(huán)形繞組結(jié)構(gòu)永磁直線同步電機(jī)的場(chǎng)路結(jié)合分析

對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)，磁場(chǎng)分布比較復(fù)雜，并且雙邊動(dòng)磁式永磁直線同步電機(jī)的動(dòng)子兩端是斷開的，使得磁場(chǎng)不連續(xù)、邊緣效應(yīng)明顯，所以在計(jì)算電機(jī)磁場(chǎng)參數(shù)時(shí)不能套用傳統(tǒng)的磁路計(jì)算方法。而有限元方法在分析磁場(chǎng)時(shí)，能精確表示電機(jī)各部分磁密的分布與飽和程度。因此，本文采用場(chǎng)路結(jié)合法，通過有限元分析軟件對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算，得出直線電機(jī)各部位的磁密，進(jìn)而求出磁通量以及磁鏈等磁路法不易準(zhǔn)確計(jì)算的一些參數(shù)。再結(jié)合上一節(jié)的磁路數(shù)學(xué)模型，將得到的磁場(chǎng)參數(shù)代入到磁路計(jì)算中，得到電機(jī)運(yùn)行時(shí)的各個(gè)輸出性能指標(biāo)。

3.1電機(jī)的模型

為了便于研究，本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)雙邊動(dòng)磁式環(huán)形繞組結(jié)構(gòu)的永磁直線同步電機(jī)。在保證繞組銅線導(dǎo)流面積和線圈電阻不變的情況下，簡(jiǎn)化繞組形狀，并結(jié)合此種電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將相同的電機(jī)定子搭配傳統(tǒng)的動(dòng)子結(jié)構(gòu)和新型的動(dòng)子結(jié)構(gòu)建立電磁場(chǎng)有限元分析模型。其中，圖1（a）所示的串聯(lián)磁路的傳統(tǒng)動(dòng)子結(jié)構(gòu)用模型A表示，圖1（b）所示的并聯(lián)磁路的傳統(tǒng)動(dòng)子結(jié)構(gòu)用模型B表示，圖2（b）所示的新型動(dòng)子結(jié)構(gòu)用模型C表示，電機(jī)定子與動(dòng)子各主要參數(shù)如表1所示。其中，單側(cè)傳統(tǒng)型動(dòng)子與電機(jī)定子間的機(jī)械氣隙為6 mm，單側(cè)新型動(dòng)子與電機(jī)主定子、輔助定子間的機(jī)械氣隙均為2 mm，2種動(dòng)子單側(cè)的電磁氣隙均為6 mm。

為了簡(jiǎn)化分析過程，忽略磁場(chǎng)在定子疊厚方向的變化，將電機(jī)磁場(chǎng)的分布等效為二維場(chǎng)來求解計(jì)算，并做如下假設(shè)：

1）假設(shè)永磁體沿各個(gè)方向的磁導(dǎo)率相同;

2）忽略鐵心飽和的影響，并認(rèn)為鐵心材料為各向同性，B-H特性曲線是單值的;

3）除永磁直線同步電機(jī)主定子、動(dòng)子、輔助定子和氣隙部分，其余外部磁場(chǎng)忽略不計(jì);

4）動(dòng)子運(yùn)動(dòng)僅沿水平方向，與定子間的氣隙不發(fā)生變化。

求解模型為直線電機(jī)的完整模型，根據(jù)基本假設(shè)，將矢量磁位A作為該磁場(chǎng)的描述函數(shù)，所需求解的二維非線性磁場(chǎng)的邊值問題可描述為：

Ω：2Ax2+2Ay2=-μJs-μJm，

Γ：A=0。（10）

式中：A為矢量磁位;Js為外部附加的源電流密度;Jm為永磁體等效面電流密度;Ω為整個(gè)求解域;Γ為求解域的最外層邊界。

3.2場(chǎng)路結(jié)合計(jì)算與結(jié)果分析

在對(duì)模型進(jìn)行剖分后，給定電機(jī)主定子三相正弦恒頻電流源，電流有效值為1 320 A，對(duì)所建立的模型進(jìn)行有限元計(jì)算。待電機(jī)起動(dòng)并穩(wěn)定運(yùn)行后，得到該電機(jī)磁力線的分布情況，如圖3所示。磁力線的路徑與第1節(jié)的電機(jī)磁路分析相吻合，故提出的新型動(dòng)子結(jié)構(gòu)是合理的。

將由有限元軟件仿真得到的電機(jī)磁場(chǎng)解析值結(jié)合磁路數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，得到電機(jī)電磁推力、動(dòng)子運(yùn)行的加速度與兩側(cè)動(dòng)子的合成磁拉力隨時(shí)間變化曲線的示意圖如圖4和圖5所示。

3種動(dòng)子結(jié)構(gòu)的永磁直線同步電機(jī)的電磁推力曲線如圖4（a）所示。模型A的電磁推力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于B與C，并且推力波動(dòng)較大。本文設(shè)計(jì)的雙邊動(dòng)磁式永磁直線同步電機(jī)作為彈射系統(tǒng)的動(dòng)力推進(jìn)裝置，具有較高的加速要求，對(duì)于動(dòng)子運(yùn)動(dòng)部分的加速度，運(yùn)用物理學(xué)公式a=F/m進(jìn)行計(jì)算。在不考慮彈射系統(tǒng)負(fù)重的情況下，得到如圖4（b）所示的3個(gè)模型加速度的變化曲線。模型C用較輕的鋁合金板代替較重的傳統(tǒng)磁軛鋼板，不僅大幅度減小了動(dòng)子的質(zhì)量，并且減小了動(dòng)子對(duì)滑軌的壓力，進(jìn)而減小摩擦力，使加速度明顯提升，能夠在更短的時(shí)間加速到所需的彈射速度，因此在推力方面具有較大優(yōu)勢(shì)。

在直線電機(jī)牽引的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，定子與動(dòng)子之間存在由永磁體的強(qiáng)磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁拉力，最高可達(dá)電磁推力的十幾倍。在圖5所示的電機(jī)兩側(cè)動(dòng)子合成磁拉力的變化曲線中，因?yàn)槟Ｐ虯的磁路為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，定子兩側(cè)的磁場(chǎng)方向一致，單邊的磁拉力也指向同一方向，模型B與C為并聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)，磁場(chǎng)方向相對(duì)，單邊的磁拉力方向相反，所以A的合成磁拉力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他2個(gè)模型。而在磁路結(jié)構(gòu)相似的模型B與C中，模型C每個(gè)動(dòng)子的兩側(cè)均有1臺(tái)主定子與1臺(tái)輔助定子，有效地平衡了動(dòng)子支架兩側(cè)永磁體的強(qiáng)磁場(chǎng)，所以模型C的合成磁拉力接近于0，曲線波動(dòng)明顯小于模型B。由于磁拉力在很大程度上影響了電機(jī)運(yùn)行時(shí)的摩擦力、振動(dòng)、電磁推力波動(dòng)以及機(jī)械張力、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等，因此結(jié)合圖4與圖5可以看出，減小定子與動(dòng)子間的磁拉力可以明顯地提高整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的推力特性與運(yùn)行的可靠性。

3.3動(dòng)子偏心對(duì)電機(jī)推力特性的影響

動(dòng)子偏心是指電機(jī)在運(yùn)行時(shí)的實(shí)際位置與原設(shè)計(jì)位置之間的偏差，主要是由于電機(jī)裝配或?qū)к壠唇拥墓钤斐?。并且在雙邊型直線電機(jī)運(yùn)行的過程中，兩側(cè)動(dòng)子所受的單邊磁拉力也會(huì)不斷地作用在動(dòng)子上，造成實(shí)際運(yùn)行位置的偏移。隨著偏心程度的增加，主定子與動(dòng)子之間、動(dòng)子與輔助定子之間的氣隙磁場(chǎng)分布變化明顯，進(jìn)而改變電機(jī)的推力特性和運(yùn)行性能。

現(xiàn)以圖2（a）中電機(jī)主定子中心線為參照，令電機(jī)動(dòng)子向左側(cè)方向偏移，假設(shè)偏移量S從0逐漸增大至1.8 mm，分別分析動(dòng)子在不同偏心位置時(shí)電機(jī)性能的變化。模型B和C在一臺(tái)動(dòng)子長(zhǎng)度下的氣隙平均磁密對(duì)比如圖6所示，電機(jī)的電磁推力與磁拉力的對(duì)比如圖7和圖8所示。

如圖6所示的氣隙磁密平均值的對(duì)比中，可以看出在電機(jī)動(dòng)子未發(fā)生偏移時(shí)，左右兩側(cè)的氣隙磁密值相等，新型動(dòng)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)模型C的磁密值高于傳統(tǒng)動(dòng)子結(jié)構(gòu)的模型B。動(dòng)子逐漸向左偏移，2個(gè)模型左側(cè)動(dòng)子與主定子間的氣隙磁密值均低于右側(cè)動(dòng)子與主定子間的磁密值，并且隨著偏移距離的增加，與模型C相比，模型B的氣隙磁密值變化更加劇烈。

如圖7所示，隨著動(dòng)子位置的偏移，在模型B中逐漸遠(yuǎn)離主定子的左側(cè)動(dòng)子的電磁推力FB-L由4.53 kN降低到4.35 kN，右側(cè)動(dòng)子逐漸靠近主定子，電磁推力FB-R由4.53 kN上升到4.71 kN，在模型C中，左側(cè)動(dòng)子的電磁推力FC-L由5.15 kN降低到5.11 kN，右側(cè)動(dòng)子的電磁推力FC-R由5.15 kN上升到5.18 kN。通過對(duì)比，雖然2種電機(jī)的整體合成電磁推力ΣFB和ΣFC基本不變，但是在動(dòng)子偏心的情況下，與模型C相比，模型B合成的電磁推力較小，并且單側(cè)動(dòng)子的電磁推力變化更加劇烈。

當(dāng)定子與動(dòng)子的相對(duì)位置發(fā)生變化，磁拉力會(huì)隨之改變，進(jìn)而影響電機(jī)的運(yùn)行性能，動(dòng)子材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也需要重新進(jìn)行校核。由圖8可以看出，模型B兩側(cè)動(dòng)子在未發(fā)生偏移的時(shí)候，單邊磁拉力數(shù)值接近，方向相反均指向主定子方向。當(dāng)電機(jī)左側(cè)動(dòng)子逐漸偏移遠(yuǎn)離主定子時(shí)，單邊磁拉力fB-L由-52.8 kN變化至-48.6 kN，右側(cè)動(dòng)子靠近主定子，單邊磁拉力fB-R由52.8 kN變化至57.6 kN，兩側(cè)動(dòng)子的合成磁拉力ΣfB由0增大至9 kN。模型C中，由于兩側(cè)動(dòng)子外部各有1臺(tái)輔助定子，其間也存在磁拉力，進(jìn)而平衡了動(dòng)子與主定子間的磁拉力，單邊磁拉力的數(shù)值減小，方向指向輔助定子。在動(dòng)子結(jié)構(gòu)不發(fā)生偏移的時(shí)候，兩側(cè)的單邊磁拉力方向相反，約為1.8 kN。隨著動(dòng)子偏移量的增加，左側(cè)動(dòng)子逐漸靠近左側(cè)輔助定子，單邊磁拉力fC-L增至6.67 kN，右側(cè)動(dòng)子由于逐漸靠近主定子，其與右側(cè)輔助定子間的磁拉力不足以平衡掉與主定子間的磁拉力，因而單邊磁拉力fC-R的方向改變，數(shù)值由-1.8 kN增至+2.17 kN。模型C兩側(cè)動(dòng)子的合成磁拉力ΣfC也由0增大至8.84 kN。

雖然2種模型的合成磁拉力ΣfB與ΣfC數(shù)值接近，但是由于沒有輔助定子來平衡一部分的磁拉力，模型B兩側(cè)動(dòng)子的單邊磁拉力數(shù)值較大，在高速運(yùn)行的情況下，易造成動(dòng)子結(jié)構(gòu)的變形，嚴(yán)重的會(huì)使動(dòng)子支架與永磁體分離。因此，電機(jī)在動(dòng)子偏心的情況下運(yùn)行，模型C更具有優(yōu)勢(shì)。

4新型雙邊動(dòng)磁式環(huán)形繞組結(jié)構(gòu)永磁直線同步電機(jī)的優(yōu)化

由上一節(jié)的仿真與分析可知，無論在正常運(yùn)行還是偏心運(yùn)行，模型C推力性能更高，加速能力更強(qiáng)，更適合電磁彈射系統(tǒng)。此種電機(jī)結(jié)構(gòu)特殊，運(yùn)行時(shí)主定子與輔助定子均固定不動(dòng)，對(duì)定子質(zhì)量的要求不高，只需保證在主定子的軛部與輔助定子中不發(fā)生磁飽和，這樣就不會(huì)影響電機(jī)的推力性能。因此，在對(duì)主定子參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，在保證電機(jī)繞組匝數(shù)、繞組銅線電流密度與槽內(nèi)面積、槽滿率不變的情況下，調(diào)整槽口尺寸、槽寬與槽深，考察槽型對(duì)電磁推力的影響。主定子槽型對(duì)推力特性的影響如圖9所示，槽寬對(duì)電機(jī)電磁推力影響較為明顯，槽寬b1較寬時(shí)，較窄的齒部會(huì)引起齒部的磁飽和，推力變小。隨著槽寬變窄，推力明顯上升。同時(shí)，槽深伴隨著槽寬的減小而加深，當(dāng)過深時(shí)會(huì)引起永磁體工作點(diǎn)的下降，因此在槽寬達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，推力又慢慢減小。主定子齒的端部磁密最高，極易磁飽和，在保證繞組嵌線方便的同時(shí)，適當(dāng)調(diào)整槽口寬度，減小齒端磁飽和程度。通過對(duì)比，當(dāng)槽寬b1=13.3 mm，槽口寬b0=8.5 mm時(shí)，電磁推力較高，推力波動(dòng)較小。

作為整個(gè)電磁彈射系統(tǒng)中與彈射物體共同運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源，動(dòng)子的設(shè)計(jì)舉足輕重，永磁體作為磁場(chǎng)的提供者，更是重中之重。永磁體的寬度bM決定了每極磁通量，除了改變氣隙磁密中基波占有率，還會(huì)改變動(dòng)子勵(lì)磁的交直軸與主定子電樞齒槽的相對(duì)位置，直接影響電機(jī)的推力波動(dòng)，常用極弧系數(shù)α，即永磁體寬度bM與極距τ的比值來分析其對(duì)電機(jī)性能的影響。永磁體的磁化方向高度hM是影響永磁體的最佳工作點(diǎn)、直軸電抗的重要因素，其取值也應(yīng)適當(dāng)。在動(dòng)子永磁體寬度bM=129.6～153.9 mm，即極弧系數(shù)α=0.80～0.95，永磁體高度hM=8.4～11.6 mm的范圍內(nèi)進(jìn)行了一系列的優(yōu)化，得到圖10（a）所示的電磁推力曲線。同時(shí)計(jì)算每種情況下動(dòng)子的質(zhì)量與摩擦力，得到圖10（b）所示的加速度曲線，當(dāng)取永磁體寬度bM=147.4 mm，即極弧系數(shù)α=0.91，永磁體高度hM=10.2 mm，在不添加彈射負(fù)重時(shí)，動(dòng)子可達(dá)到最大電磁推力值F=11.3 kN，最大加速度值a=176 m/s2。

5實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證新型雙邊動(dòng)磁式永磁直線同步電機(jī)結(jié)構(gòu)的合理性、主要參數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性，在對(duì)電機(jī)的定子、動(dòng)子優(yōu)化后，確定電機(jī)優(yōu)化后各電磁及結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)制造了實(shí)驗(yàn)用樣機(jī)，并重新對(duì)樣機(jī)進(jìn)行場(chǎng)路結(jié)合數(shù)值分析計(jì)算。

其中，樣機(jī)主定子與輔助定子鐵心的硅鋼片選用DW470-50，永磁體選用釹鐵硼（NdFeB）牌號(hào)N35，永磁體的粘接劑選用高性能AB膠。在完成樣機(jī)的制造后搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，圖11為實(shí)驗(yàn)的方案示意圖，主要包括直線電機(jī)樣機(jī)、控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3部分。交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器給定直線電機(jī)主定子電流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)子運(yùn)行，電機(jī)動(dòng)子與負(fù)載之間用鋼絲繩連接，并且通過拉力傳感器測(cè)量直線電機(jī)的輸出推力，最后通過功率分析儀與示波器顯示推力特性曲線。與此同時(shí)，固定在電機(jī)主定子上的光柵尺與固定在動(dòng)子上的傳感器配合，反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)行動(dòng)子運(yùn)行速度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)直線電機(jī)樣機(jī)由永磁直線同步電機(jī)定子、動(dòng)子和輔助定子組成：沿彈射方向的整個(gè)彈射路徑平鋪2組直線導(dǎo)軌，導(dǎo)軌之間鋪設(shè)直線電機(jī)的主定子，導(dǎo)軌兩側(cè)鋪設(shè)直線電機(jī)的2組輔助定子，雙邊動(dòng)磁式的動(dòng)子安裝在2組導(dǎo)軌上，如圖12所示。

通過驅(qū)動(dòng)器分別給電機(jī)主定子通入不同的電流值，利用拉力傳感器測(cè)量各個(gè)電流下的電磁推力值，得到電機(jī)電磁推力隨繞組電流密度變化的數(shù)值，如表2所示。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，電磁推力值隨著電流密度的減小而減小。在給定相同的電流下，場(chǎng)路結(jié)合解析值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值變化趨勢(shì)保持一致，并且兩者之間的偏差較小，平均相差在6%以內(nèi)，因此可以認(rèn)為所計(jì)算結(jié)果在工程允許的誤差范圍內(nèi)，印證了解析計(jì)算和仿真分析的正確性。

6結(jié)論

本文針對(duì)應(yīng)用于電磁彈射系統(tǒng)的雙邊動(dòng)磁式環(huán)形繞組結(jié)構(gòu)的永磁直線同步電機(jī)，提出了一種新型的動(dòng)子結(jié)構(gòu)。通過對(duì)采用新型動(dòng)子結(jié)構(gòu)永磁直線同步電機(jī)主要性能的分析，并將得到的場(chǎng)路結(jié)合理論分析值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，得到以下結(jié)論：

1）在雙邊動(dòng)磁式的永磁直線同步電機(jī)中，與動(dòng)子永磁體N-N相對(duì)的排列方式相比，永磁體N-S相對(duì)的排列方式更加合理，電機(jī)電磁推力更高，大幅度降低單邊磁拉力，使合成磁拉力更小，進(jìn)而減小運(yùn)行時(shí)對(duì)導(dǎo)軌的壓力。

2）采用新型雙邊動(dòng)子結(jié)構(gòu)的永磁直線同步電機(jī)，電磁推力較高，并且新型動(dòng)子質(zhì)量約為傳統(tǒng)型的1/3，動(dòng)子運(yùn)行時(shí)的加速度大幅提高，縮短彈射的時(shí)間與距離。在動(dòng)子由于外界原因偏心運(yùn)行時(shí)，新型動(dòng)子的單邊磁拉力在輔助定子的作用下得到平衡，與傳統(tǒng)動(dòng)子相比優(yōu)勢(shì)明顯。

3）在對(duì)電機(jī)的定子、動(dòng)子進(jìn)行優(yōu)化后，設(shè)計(jì)制造樣機(jī)并進(jìn)行電磁推力的測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好地吻合了解析計(jì)算的結(jié)果。該結(jié)論驗(yàn)證了采用場(chǎng)路結(jié)合法求解永磁直線同步電機(jī)性能參數(shù)的準(zhǔn)確性，對(duì)應(yīng)用于電磁彈射系統(tǒng)的直線電機(jī)的設(shè)計(jì)與研究有實(shí)際的參考價(jià)值。

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