郝雯娟，王 宇

(1.南京航空航天大學 金城學院，南京 211156；2.南京航空航天大學 自動化學院，南京 211106)

0 引 言

目前很多國家，如美國、日本、加拿大、中國等國，都有直線電機驅動的軌道交通路線。這是由于相對于旋轉電機驅動，直線電機可以將電能直接轉換成直線運動的機械能，動態(tài)響應較快，機械結構簡單且工程造價低[1-3]。

近幾年，永磁磁通切換(FSPM)電機的研究備受各國研究人員的關注。作為定子永磁式電機，與傳統(tǒng)的轉子永磁式電機相比，永磁磁通切換電機有以下特點[4-6]：

(1)轉子上沒有永磁體或繞組，轉子結構簡單堅固。

(2)繞組和永磁體在定子上，散熱條件良好。

(3)永磁體幾乎不受電樞磁場影響，退磁風險小。

將旋轉FSPM電機沿著徑向展開，就得到了平板型直線FSPM(LFSPM)電機，直線電機的短初級是原來旋轉FSPM電機的定子部分，而其長次級是FSPM電機的轉子部分。LFSPM電機繼承了其旋轉結構的優(yōu)點，同時，由于其永磁體和繞組在初級，次級是凸極鐵心，這樣在諸如電梯、軌道交通等長次級場合，該電機可以做到節(jié)省繞組和永磁體用量，系統(tǒng)結構簡單、推力密度高、施工和維護成本低[2-3]。

在諸如電力牽引等應用場合，推力密度是衡量LFSPM電機性能的主要指標。永磁體和硅鋼片的配合可以有效地提高電機推力輸出能力[7]。文獻[8-9]研究了一種雙永磁體勵磁的旋轉磁通切換電機電機，這種電機與傳統(tǒng)結構相比具有更好的轉矩能力。 因此，為了提高永磁體和硅鋼片的利用率，本文對一臺雙永磁體勵磁的LFSPM(DMLFSPM)電機進行研究，使其可以輸出較高的推力。

直線永磁磁通切換(LFSPM)電機與旋轉的永磁磁通切換電機一樣都屬于雙凸極結構，具有定位力大的缺點，定位力是推力脈動的主要成因，會很大程度上影響電機控制性能，所以在設計電機時應抑制[10]。目前有一些文獻在減小直線電機定位力方面都做了研究。文獻[11]通過建立單個模塊的定位力模型來分析電機整體的定位力，在此基礎上提出了一種減小定位力的優(yōu)化設計方法。文獻[12]利用LFSPM電機定位力周期變化的特點，提出了一種定位力抵消的方法，該方法有效減小了定位力，但在設計永磁體放置位置時，設計過程比較復雜。旋轉電機中常用斜槽結構來減小定位轉矩，取得良好的效果。因此，本文采用一種簡化的斜槽結構，即次級分段斜槽結構來減小DMLFSPM電機的定位力。

全文安排如下：第二部分分析了雙永磁體勵磁直線永磁磁通切換電機基本拓撲；第三部分進行了推力優(yōu)化和比較；第四部分分析了定次級分段斜槽結構的直線永磁磁通切換電機。第五部分給出了結論。

1 雙永磁體勵磁的直線永磁磁通切換電機的結構

一臺傳統(tǒng)結構的12/14極直線永磁磁通切換電機(12/14LFSPM)如圖1(a)所示。為了增加槽面積以及提高永磁體和硅鋼片的利用率，通過利用雙永磁體的聚磁效應本文研究了一臺雙永磁體勵磁的直線永磁磁通切換電機(DMLFSPM)。與傳統(tǒng)結構相比，該電機由6級模塊組成，每個初級模塊采用充磁方向相反的雙永磁體勵磁，如圖1(b)所示。DMLFSPM電機的空載磁力線分布圖以及空載反電勢如圖2和圖3所示，這里，θe是初級位置對應的電角度，可以看出， DMLFSPM電機的“磁通切換”工作模式與傳統(tǒng)LFSPM電機相似，電機運動過一個次級極距的范圍，永磁磁鏈交替變化一周。同時，從圖2可以發(fā)現(xiàn)，DMLFSPM電機正是利用兩個反向充磁的永磁體通過次級凸極齒實現(xiàn)聚磁。

圖1 直線永磁磁通切換電機結構

圖2 DMLFSPM電機空載磁力線分布

圖3 DMLFSPM電機空載反電勢

2 雙永磁體勵磁的直線永磁磁通切換電機的推力

為了得到最大平均推力，在銅耗不變的情況下利用有限元軟件對傳統(tǒng)的12/14 LFSPM電機和DMLFSPM電機進行輸出推力優(yōu)化，保持不變的銅耗為輸入電流幅度為10 A和相繞組匝數為200匝時初始尺寸的銅耗，采用的算法是Id=0矢量控制。采用參數獨立優(yōu)化方式，即按順序獨立優(yōu)化每個參數，本次優(yōu)化好的參數直接用于下一個參數的優(yōu)化中[13]。圖4給出了兩臺電機的設計參數，表1給出了優(yōu)化過程中固定的參數，表2給出了優(yōu)化的參數名稱，優(yōu)化順序以及優(yōu)化結果。從表2中可以看出，wmtd-ratio和wswp-ratio是DMLFSPM電機獨有的參數，而且wmtd的設計值在次級極距附近，這是因為DMLFSPM電機利用兩個反向充磁的永磁體通過次級凸極齒實現(xiàn)聚磁。

圖4 直線永磁磁通切換電機設計參數

參數和符號12/14 LFSPMDMLFSPM氣隙g/mm11電機總高ht/mm3838電機厚度D/mm8080次級極距ts/mm17.1415永磁體剩磁Br/T1.281.28額定速度v/(m/s)44初級極距tm/mm2020相數33槽滿率kp0.50.5電阻率ρ/Ω·mm1.7×14-51.7×14-5導線直徑d/mm1.21.2永磁體材料NdFeB(N40)NdFeB(N40)

表2 優(yōu)化的參數

圖5(a)給出了優(yōu)化后兩臺電機的平均推力比較，可以發(fā)現(xiàn)，DMLFSPM電機的推力比12/14 LFSPM電機高約22%。兩臺電機的永磁體積分別為92400 mm3和 78048 mm3，結合圖5，兩臺電機的推力永磁體體積比分別為3.7×10-3N/mm3和 5.4×10-3N/mm3，說明DMLFSPM電機的永磁體和鐵心利用率更高。由表1可知，兩臺電機體積基本相同，那么DMLFSPM電機的推力體積比更高，即DMLFSPM電機具有更高的推力密度。此外，圖5(b)給出優(yōu)化后兩臺電機的定位力波形，可以發(fā)現(xiàn)，雖然DMLFSPM電機可以輸出較高推力，但定位力較大，所以對該電機進行進一步的改進。

圖5 直線永磁磁通切換電機優(yōu)化結果

3 采用次級分段斜槽結構的定位力抑制

對DMLFSPM電機的定位力進行抑制來減小推力脈動。一般來說，選擇減小定位力的方法應該考慮到結構復雜程度、實施成本以及對電機性能的影響等問題。旋轉電機中常用斜槽結構來減小電機定位力矩，效果良好，該結構主要是利用電機定位力矩周期變化的特點來抵消定位力幅值。因此，本文也采用斜槽結構來減小DMLFSPM電機的定位力，為了降低結構的復雜性以及抑制的效果，采用一種簡化的斜槽結構，即三段式次級分段斜槽結構，如圖6所示，其中Ds為斜槽位移。采用次級分段斜槽結構的DMLFSPM電機命名為DMLFSPM1電機。

圖6 次級分段斜槽結構

根據有限元仿真分析，圖7(a)給出了DMLFSPM1電機在額定電流下平均推力隨不同Ds值的變化趨勢，圖7(b)給出了定位力峰峰值與額定電流下平均推力的比值隨不同Ds值的變化趨勢。

圖7 DMLFSPM1電機隨Ds變化情況

可以從圖7發(fā)現(xiàn)，平均推力都有不同程度的減小，這是斜槽結構都有的缺點。當Ds值為3s/32時，DMLFSPM1電機的定位力峰峰值與額定平均推力的比值最小，約為20%，但平均推力的減少幅度也最大，當Ds值為s/16時，DMLFSPM1電機的定位力峰峰值與額定平均推力的比值第二小，約為30%，平均推力相對于原始結構減小了約為12%，所以最終選Ds值為s/16。

圖8給出了采用分段斜槽結構前后電機定位力波形的比較?？梢钥闯觯渭壊捎梅侄涡辈劢Y構后，定位力顯著減小。

圖8 采用分段斜槽結構前后電機定位力比較

4 結 論

相對于傳統(tǒng)結構的直線永磁磁通切換電機，雙永磁體勵磁直線永磁磁通切換電機利用雙永磁體的聚磁效應，具有更高的永磁體和鐵心利用率，從而可以輸出較高的平均推力。但由于直線磁通切換電機的雙凸極結構，定位力較大的問題會影響其運行。本文采用一種簡化的斜槽結構，即次級分段斜槽結構來減小其定位力，通過分析分段斜槽不同斜槽位移與電機平均推力和定位力峰峰值的關系，最終選擇合適的斜槽位移。但是，該分段斜槽結構也具有普通斜槽結構的缺點，即在抑制定位力的同時會減小電機推力平均值。