郝雯娟，鄧智泉

(1.南京航空航天大學(xué)，南京210016;2.金城學(xué)院，南京211156)

0 引 言

在城市軌道交通驅(qū)動方面，直線電動機相對于旋轉(zhuǎn)電機有較強的優(yōu)勢，如可以直接將電能轉(zhuǎn)換成直線運動的機械能而不需要中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡單且動態(tài)響應(yīng)快，施工成本低等。所以目前很多國家，如美國、日本，都有直線電動機驅(qū)動的軌道交通路線。在直線電動機的選擇上，最早采用的是直線感應(yīng)電機，但其效率和功率因數(shù)相比其旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)較低。與直線感應(yīng)電機相比，永磁直線電動機在效率、力能指標、功率因數(shù)等方面具有顯著的優(yōu)勢，傳統(tǒng)直線永磁同步電機的繞組和永磁體分別放置在電機的初級和次級。在長定子應(yīng)用場合中，比如城市軌道交通等，無論是將永磁體或繞組沿軌道鋪設(shè)，都將造成工程造價高、維護不便等缺點［1］。磁通切換直線電動機作為初級永磁式電機，有電樞繞組的一側(cè)稱為初級，即動子，凸極鐵心一側(cè)稱為次級，即定子，這樣在長定子應(yīng)用場合既省銅又省永磁體，而且可采用模塊化結(jié)構(gòu)，易于生產(chǎn)和維護［2］。

直線永磁磁通切換(以下簡稱LFSPM)電機與旋轉(zhuǎn)的永磁磁通切換電機一樣都屬于雙凸極結(jié)構(gòu)，具有定位力大的缺點，而LFSPM 電機的定位力由兩部分組成，一部分是由鐵心開槽引起的氣隙磁導(dǎo)變化所產(chǎn)生的齒槽力;另一部分由于初級鐵心存在兩個端部而引起的端部力。齒槽力與旋轉(zhuǎn)電機的齒槽轉(zhuǎn)矩相似，而端部力是直線電動機所特有的。LFSPM 電機的定位力會對電機運行不利，會造成推力波動以及噪聲振動等問題，所以在電機設(shè)計時應(yīng)盡量減小［3］。目前有一些文獻在減小直線電動機定位力方面都做了研究。文獻［4］給出了一種LFSPM電機定位力的分析方法，該方法通過分析一個模塊的定位力來確定整個電機的定位力，同時給出了一種動子齒優(yōu)化設(shè)計方法來減小定位力。文獻［5］提出了一種磁路互補型的模塊化LFSPM 電機，該電機通過設(shè)計模塊化直線電動機的磁障尺寸來使得磁路互補，從而減小磁鏈的諧波含量以及減小定位力。此外，一些永磁直線電動機定位力的減小方法也可以參考。文獻［6］提出了一種永磁體不對稱放置的方式來減小定位力，該方法在減小定位力的同時，不犧牲氣隙磁鏈幅值，但磁鏈的相位有一定的偏移，同時在設(shè)計永磁體放置位置時，設(shè)計過程比較復(fù)雜。

為了減小定位力，本文研究了一種定子齒錯位結(jié)構(gòu)的模塊化直線永磁磁通切換(以下簡稱ML -FSPM)電機，該電機分為兩段，兩段定子采用錯位結(jié)構(gòu)，兩段動子上對應(yīng)位置的永磁體反向充磁。本文第二部分分析了MLFSPM 電機基本拓撲，第三部分給出了所研究定子齒錯位結(jié)構(gòu)的模塊化MLFSPM電機的拓撲。第四部分分析了錯位角對定位力和線圈磁鏈的影響，并為電機選擇了合適的錯位角。第五部分采用ANSYS 有限元軟件對電機進行仿真分析。

1 LFSPM 電機基本拓撲分析

普通的12/10 旋轉(zhuǎn)永磁磁通切換(以下簡稱FSPM)電機拓撲如圖1 所示［7］。隨著轉(zhuǎn)子位置的變化，電機電樞繞組所匝鏈的永磁磁鏈也在發(fā)生變化，電機轉(zhuǎn)過一個轉(zhuǎn)子極距范圍，對應(yīng)的永磁磁鏈交變一周，即一個轉(zhuǎn)子極距對應(yīng)一個電周期，這個過程稱為“磁通切換”。

圖1 旋轉(zhuǎn)FSPM 電機(12/10)

將旋轉(zhuǎn)的FSPM 電機沿著徑向展開，就得到了LFSPM 電機，該電機的初級短動子是原來旋轉(zhuǎn)FSPM 電機的定子部分，而其次級長定子是FSPM 電機的轉(zhuǎn)子部分。圖2(a)為基本的LFSPM 電機的拓撲(6/7)。文獻［8］研究了一種帶輔助齒的LFSPM電機來減小端部力，如圖2(b)所示，同時為了解決帶輔助齒LFSPM 電機磁路不對稱的問題以及同時提高電機容錯性能的需要。文獻［3］在此基礎(chǔ)上又提出一種模塊化LFSPM(MLFSPM)電機，電機結(jié)構(gòu)如圖2(c)所示。該電機利用磁障實現(xiàn)模塊化，具體做法是將輔助齒LFSPM 電機的永磁間隔替換為磁障，去掉上面的線圈，然后將剩下的線圈匝數(shù)增加一倍，保證每相繞組的總匝數(shù)不變。從圖2 中可以看出，電機每相由兩個E 型模塊組成，每個模塊由兩個U 型齒中間夾一塊永磁體構(gòu)成，每個模塊只有一個線圈，由該模塊的永磁體單獨勵磁，屬于同一相的兩個線圈串聯(lián)成該相繞組。模塊之間用磁障做間隔。這樣，每個線圈磁路獨立，不存在端部繞組和中間繞組磁路不對稱的問題，而且三相繞組之間互感很小，容錯能力強。

2 錯位定子齒的MLFSPM 電機

2.1 基本結(jié)構(gòu)

為了進一步減小圖2(c)的MLFSPM 電機的定位力，尤其是齒槽力，同時減小電機繞組磁鏈里的諧波含量，本文研究了一種基于錯位定子齒(twisted -stator)的模塊化直線永磁磁通切換(MLFSPM -TS)電機拓撲，如圖3 所示。該電機延z 軸方向分成兩段，分別由兩段定子和兩段動子組成，兩段尺寸結(jié)構(gòu)完全相同。其中兩段動子上相同位置的永磁體采用相反的充磁方向，這樣對應(yīng)的兩個線圈磁路互補，可以減小磁鏈中的諧波含量。而兩段定子錯開一個錯位角放置，兩段電機采用磁障來隔離。兩段動子相同位置E 型模塊(如圖3(a)中的A11和A12)共同繞制一套線圈A1，如圖3(d)和圖3(e)所示。A 相繞組的兩個線圈A1和A2采用順向串聯(lián)連接。

2.2 電機的線圈磁鏈和定位力

圖3(a)中，以A 相的E 型模塊A11和A12為例，永磁體PMA11 和PMA12 在線圈A1中激勵的磁鏈可分別表示成:

式中:Ψm和Ψnm分別是基波和n 次諧波分量的幅值;ω 是動子電角速度。φ1和φn分別是基波和n次諧波分量的相位角;θs為兩段定子齒錯開的角度。則兩個E 型模塊合成的磁鏈:

同樣，兩段電機的定位力可分別表示:

式中:Fcm和Fcnm分別是基波和n 次諧波分量的幅值;φc1和φcn分別是基波和n 次諧波分量的相位角;P 為電機定位力周期對電機電周期的倍數(shù)，ANSYS仿真結(jié)果可知該電機P=1，則MLFSPM-TS 電機的定位力:

3 錯位角分析及優(yōu)化

利用MATLAB 對ANSYS 仿真后的數(shù)據(jù)進行傅里葉分析發(fā)現(xiàn)，合成磁鏈ψ 中幅值大于5%基波幅值的諧波只有二次諧波，則忽略其他諧波ψ 可以表示:

可以發(fā)現(xiàn)，基波幅值是θs/2 的函數(shù)，而二次諧波幅值是θs的函數(shù)，令m 為二次諧波和基波幅值的比值，則:

當(dāng)θs=180°時即m =0 時，磁鏈為正弦。磁鏈基波幅值(標幺值)以及m(標幺值)隨θs變化的曲線如圖4 所示，計算標幺值時的參考值選取各自幅值的最大值。

圖5 給出了電機定位力峰峰值(忽略幅值小于10%基波幅值的諧波)隨θs變化的波形圖，其中，為了便于比較，計算標幺值時的參考值選取峰峰值中的最大值?？梢钥闯觯讦萻為0° ～360°的范圍內(nèi)變化，定位力峰值也在變化，如當(dāng)θs=90°和270°時MTLFSPM-TS 電機的定位力峰值最小，為MLFSPM電機的30%左右，當(dāng)θs=180°左右時，為MLFSPM電機的40%左右。從圖4、圖5 的分析可以得出，為了在減小定位力的同時，兼顧磁鏈的基波幅值和減小諧波含量，當(dāng)MTLFSPM - TS 電機定子齒錯開180°電角度時，定位力減小幅度較大，電機磁鏈正弦，基波幅值不減小。

4 仿真驗證

采用ANSYS 軟件對所研究的MTLFSPM - TS電機進行仿真分析。兩段電機尺寸完全相同，尺寸參數(shù)如表1 所示。定子和動子E 型模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示，其中tm/ ts=12/14，陰影部分為磁障，黑色部分為永磁體。兩段電機的厚度分別為60 mm，中間磁障厚度為5 mm，每個線圈匝數(shù)為100。

表1 電機尺寸參數(shù)

采用ANSYS 軟件對所研究的MTLFSPM - TS電機進行仿真分析，重點比較了MTLFSPM 和MTLFSPM-TS 電機的定位力和磁鏈。用于比較的MTLFSPM 電機的橫向尺寸及匝數(shù)和MTLFSPM-TS電機相同，厚度是MTLFSPM-TS 電機兩段的和，即120 mm。

4.1 定位力

MTLFSPM 和MTLFSPM - TS 電機的定位力隨動子位置變化的曲線如圖7 所示。圖8 給出了兩種電機定位力峰值的比較。從圖中可看出，由于錯位角的優(yōu)化選擇，在MTLFSPM 中，定位力的幅值被大幅度減小，減小幅度約為50%。

4.2 A 相繞組磁鏈

圖9 給出了兩種電機A 相繞組的磁鏈曲線?？梢钥闯?，MTLFSPM 電機有一個很小的直流分量，而MTLFSPM-TS 電機的兩段動子橫向相同位置的永磁體充磁方向相反，θs=180°時使得兩個線圈磁路互補，這樣不但可以有效地減小諧波含量但不損失基波幅值，同時還可以消除直流偏置。

4.3 推力

圖10 給出了MTLFSPM 和MTLFSPM-TS 電機的推力隨動子位置變化的曲線。從圖10 中可以看出，由于定位力的減小，相對于MTLFSPM，MTLFSPM-TS 電機的推力脈動顯著減小，但由于兩段電機中間加有磁障，所以在厚度相同的情況下，其推力密度會有一定程度的減小。

以上仿真結(jié)果表明，MTLFSPM -TS 電機的錯位角選擇合理，相比相同尺寸的MTLFSPM 電機，定位力峰峰值減小了約50%，而相繞組磁鏈基波幅值沒有損失，且二次諧波和直流偏置被消除了。

5 結(jié) 語

模塊化MLFSPM 電機的磁路對稱，容錯性能好。但由于直線磁通切換電機的定子凸極結(jié)構(gòu)，定位力較大的問題會影響其運行。本文針對模塊化MLFSPM 電機減小定位力的問題，提出了一種定子齒錯位結(jié)構(gòu)的MLFSPM 電機，該電機是兩段式電機，兩段結(jié)構(gòu)相同，沿z 軸前后放置，兩段定子錯位放置，動子上相同位置永磁體采用相反的充磁方向，這樣，通過設(shè)計定子齒錯位的角度，可以有效減小定位力，同時可以兼顧相繞組磁鏈幅值，并且可以減小諧波含量。

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