王江波，霍群海

(1.江蘇東華測(cè)試技術(shù)股份有限公司，泰州 214500；2.中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京 100190)

0 引 言

由于受制造成本的影響，短初級(jí)單邊直線電機(jī)成為應(yīng)用中的首選，只有在少數(shù)情況下才采用長(zhǎng)初級(jí)雙邊結(jié)構(gòu)，如采用長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的航空母艦艦載機(jī)電磁彈射器。從目前掌握的文獻(xiàn)來(lái)看，關(guān)于直線電機(jī)的理論分析幾乎全部是以短初級(jí)單邊結(jié)構(gòu)為前提，研究電機(jī)的等效電路、邊端效應(yīng)、繞組形式，很少有專門針對(duì)長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線電機(jī)的研究[1-4]。因此，本文選擇長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線電機(jī)作為研究對(duì)象。

如果把普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)的設(shè)計(jì)方法經(jīng)過(guò)由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)，然后采用換算成直線運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)公式，仿照普通感應(yīng)電機(jī)那樣反復(fù)試取反電勢(shì)系數(shù)Ke，經(jīng)過(guò)迭代計(jì)算逐步逼近的方法進(jìn)行雙邊直線電機(jī)的設(shè)計(jì)也是可以的，但采用這種設(shè)計(jì)方法計(jì)算量大、費(fèi)時(shí)較多。本文根據(jù)雙邊直線電機(jī)的特點(diǎn)，采用一種新型設(shè)計(jì)方法，只需一次計(jì)算就可以把電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)完成[5]。

1 設(shè)計(jì)非磁性次級(jí)電機(jī)的新方法

長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線電機(jī)的次級(jí)結(jié)構(gòu)可以由整塊鋁板構(gòu)成，從而取消背部鐵心，具有運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量輕、有效載荷大、無(wú)需向運(yùn)動(dòng)部分供電的特點(diǎn)，同時(shí)由于次級(jí)結(jié)構(gòu)由非磁性材料構(gòu)成，因而次級(jí)漏感很小，可以忽略，這樣長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線電機(jī)有效部分的簡(jiǎn)化等值電路如圖1所示[6]。

圖1 長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線電機(jī)有效部分近似等值電路

由圖1可得從a、b兩點(diǎn)向右看去的電抗:

(1)

則氣隙電勢(shì)與初級(jí)電流之間夾角的余弦(內(nèi)功率因數(shù))：

(2)

次級(jí)電阻：

(3)

勵(lì)磁電抗:

(4)

將式(3)、式(4)代入式(2)可得：

(5)

式(5)為電磁氣隙與次級(jí)反應(yīng)板厚度的一個(gè)關(guān)系式，如果能再找到一個(gè)電磁氣隙和次級(jí)反應(yīng)板厚度的關(guān)系式，那么通過(guò)聯(lián)立這兩個(gè)關(guān)系式，可以求出電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)所要確定的電磁氣隙與次級(jí)反應(yīng)板厚度的數(shù)值。這樣可以根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)所給出的原始數(shù)據(jù)，只用一次計(jì)算完成設(shè)計(jì)，避免象設(shè)計(jì)普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)那樣通過(guò)反復(fù)計(jì)算逐步逼近。

根據(jù)圖1的等值電路可得初級(jí)電流：

(6)

而電機(jī)的同步功率：

Pδ=FVe=mKeUIcosθi

(7)

于是可得：

(8)

由式(2)可得：

(9)

由此可得：

(10)

(11)

把式(3)和式(4)代入式(10)、式(11)得：

(12)

(13)

將式(12)和式(13)代入式(8)，整理后可得：

(14)

至此,得到電磁氣隙與次級(jí)反應(yīng)板厚度的另一關(guān)系式。由同步效率η=Pδ/P1，輸入功率P1=mUI·cosφ和式(7)可得：

cosθi=ηcosφ/Ke

(15)

因?yàn)檫M(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，電磁推力、功率因數(shù)、同步效率、電源頻率和初級(jí)相數(shù)等都是設(shè)計(jì)時(shí)的原始數(shù)據(jù)，所以可以得到一種設(shè)計(jì)非磁性次級(jí)直線電機(jī)的新方法：當(dāng)取定反電勢(shì)系數(shù)后，由式(15)求得內(nèi)功率因數(shù)，然后聯(lián)立式(5)和式(14)即可求出電磁氣隙與次級(jí)反應(yīng)板厚度。這樣只需一次計(jì)算就可以完成設(shè)計(jì)，避免了象普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)那樣反復(fù)計(jì)算逐步逼近的缺點(diǎn)。

直線電機(jī)中等效極對(duì)數(shù)的定義：

(16)

式中：β為短距槽數(shù)；q為每極每相槽數(shù)。

如果用等效極對(duì)數(shù)代替實(shí)際極對(duì)數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，則可將直線電機(jī)的端部效應(yīng)和初級(jí)繞組半填充槽的影響考慮進(jìn)來(lái)[1-2]。

2 長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線電機(jī)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線電機(jī)初級(jí)結(jié)構(gòu)如圖2所示，用以產(chǎn)生電機(jī)運(yùn)行所需的行波磁場(chǎng)。次級(jí)反應(yīng)板如圖3所示，由厚0.006 m的鋁板加工而成，其中感生的渦流與行波磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁推力。電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1、表2所示[3,6]。

圖2 雙邊長(zhǎng)初級(jí)實(shí)物圖

圖3 次級(jí)反應(yīng)板實(shí)物圖

表1 電機(jī)的主要電磁參數(shù)

表2 電機(jī)的主要機(jī)械參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 主電路設(shè)計(jì)

根據(jù)長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線電機(jī)的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的變頻電源主電路包含兩組三相逆變橋，如圖4所示。主電路采用典型的交直交電壓源型通用變頻器結(jié)構(gòu)，由整流電路、濾波電路和逆變電路組成。整流部分采用三相橋式不控整流電路，整流輸出經(jīng)中間大電容濾波環(huán)節(jié)獲得平滑的直流電壓，逆變部分通過(guò)功率器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出交變的脈沖電壓序列。本文所搭建的變頻電源主電路實(shí)物如圖5所示[7-8]。

圖4 變頻電源主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖5 變頻電源主電路實(shí)物圖

3.2 控制電路設(shè)計(jì)

本文控制電路采用以DSP為核心的數(shù)字電路，由其負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)處理、控制算法及軟件保護(hù)等功能。由一塊DSP電路板和一塊I/O電路板組成，如圖6所示。

圖6 控制電路實(shí)物圖

4 電磁推力實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

雙邊直線感應(yīng)電機(jī)推力模型如下：

(17)

式中：L為初級(jí)繞組的長(zhǎng)度；2a為初級(jí)鐵心的寬度。

對(duì)所設(shè)計(jì)的直線電機(jī)在額定工作狀態(tài)下的機(jī)械特性進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算所得結(jié)果如圖7所示。通過(guò)測(cè)量雙邊直線電機(jī)的速度從而求取雙邊直線電機(jī)的加速度，進(jìn)而求得雙邊直線電機(jī)的推力，可得機(jī)械特性的實(shí)驗(yàn)值，如圖7中星號(hào)所示。計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值之間的誤差主要是由于理論模型沒有考慮集膚效應(yīng)引起的；計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合[2,9]。

圖7 直線電機(jī)機(jī)械特性的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值

5 結(jié) 語(yǔ)

本文采用了一種新型電機(jī)設(shè)計(jì)方法，對(duì)非磁性次級(jí)雙邊直線電機(jī)進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)，避免了傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)時(shí)反復(fù)計(jì)算逐步逼近的缺點(diǎn)，只需一次計(jì)算就可以完成設(shè)計(jì)。針對(duì)長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線電機(jī)的特點(diǎn)，搭建了一臺(tái)變頻電源，完成了主電路和控制電路的設(shè)計(jì)、安裝與調(diào)試工作。建立了一整套長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明本文所建立的電機(jī)設(shè)計(jì)方法是正確的。