永磁直線同步電機(jī)磁阻力最小化研究
王旭強(qiáng)1，汪旭東1，杜衛(wèi)民1，余淋2
(1河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，焦作454003
2河南省中原油田供電管理處，濮陽(yáng)457000)
摘要：依據(jù)永磁直線同步電機(jī)磁阻力產(chǎn)生的原理，針對(duì)2極三槽電機(jī)，分析了其邊端效應(yīng)，在此基礎(chǔ)上，考慮到齒稽效應(yīng)起的齒槽力。提出了優(yōu)化初級(jí)鐵心長(zhǎng)度和初級(jí)鐵心端部形式的磁阻力最小化方法。有限元分析和驗(yàn)證了動(dòng)子鐵心和邊端齒的****長(zhǎng)度。結(jié)果表明本文提出的磁阻力最小化方法是可行的，減小了電機(jī)的推力波動(dòng)。
關(guān)鍵詞：永磁電機(jī)；同步電機(jī)；直線電機(jī)；磁阻力；邊端效應(yīng)；齒槽效應(yīng)
0引言
隨著高性能、高精度的動(dòng)力裝置的發(fā)展要求，永磁直線同步電動(dòng)機(jī)(Permanent Magnet Lineat Syn．onous Motor，PMLSM)在自動(dòng)控制和往返動(dòng)輸系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。但是由于直線電機(jī)鐵心開斷和齒槽存在引起的磁阻力，限制了它在一些高精度裝置的應(yīng)用，特別是在低速運(yùn)行時(shí)，由于磁阻力的存在，降低了電機(jī)的性能，嚴(yán)重影響電機(jī)的制精度。磁阻力(Detent Force DF)指的是初級(jí)鐵心和次級(jí)永磁體相互作用產(chǎn)生的沿運(yùn)動(dòng)方向(或相反方向)的磁力。根據(jù)其產(chǎn)生的原因，磁阻力主要有兩個(gè)力量：①初級(jí)鐵心兩個(gè)端部與永磁體之間作用產(chǎn)生的力。②初級(jí)鐵心齒與永磁體相互作用產(chǎn)生的力，即由于齒槽的存在產(chǎn)生齒槽力。目前在磁阻力的分析以及最小化研究方向，不考慮邊端效應(yīng)時(shí)，直線電機(jī)相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)，因此由齒槽效應(yīng)引起的磁阻力最小化分析多沿用旋轉(zhuǎn)電機(jī)的方法，例如采用斜極、移極、極槽配合等。在關(guān)于邊端效應(yīng)引起的磁阻力分析方面，Zou等人建立了基本的分析模型，但遺憾的是有具體優(yōu)化時(shí)假設(shè)磁阻力關(guān)于峰值對(duì)稱，因而并沒有從嚴(yán)格的基本模型出發(fā)進(jìn)行優(yōu)化[1]。lnoue等人采相位差的方法優(yōu)化動(dòng)子長(zhǎng)度，但是具有較大局限性。李慶雷等人在分析推力波動(dòng)時(shí)，對(duì)邊端效應(yīng)產(chǎn)生的磁阻力進(jìn)行了初步定性分析時(shí)，文獻(xiàn)[3]用曲線擬合方法較準(zhǔn)確計(jì)算動(dòng)子的長(zhǎng)度，但是由于當(dāng)開齒后，由齒槽引起的邊端力并沒有考慮。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在不考慮齒槽效應(yīng)優(yōu)化的****長(zhǎng)度與增加了齒槽效應(yīng)的****長(zhǎng)度并不相等。主要原因是當(dāng)有齒存在時(shí)，齒與邊端齒端疊加，可能引起整體磁阻力，即①直線電機(jī)動(dòng)子的****長(zhǎng)度；②優(yōu)化動(dòng)子邊端齒的寬度和長(zhǎng)度；并對(duì)優(yōu)化后的機(jī)模型進(jìn)行了推力分析和研究。
1原電機(jī)模型
以兩極三槽動(dòng)圈式永磁直線同步電機(jī)為研究對(duì)象。該電機(jī)模型和參數(shù)如圖l和表1所式。為簡(jiǎn)化分析，作如下假設(shè)：①初級(jí)的齒和槽鐵磁材料密度分布均勻，表面光滑，且各向同性，不考慮鐵磁材料的飽和；②次級(jí)永磁體充磁均勻，且以相同的材料填充，磁化強(qiáng)度為一定值，采用稀土材料。
磁阻力隨位置變化曲線如圖2所示。
磁阻力指的是初級(jí)鐵心和次級(jí)永磁體相互作用產(chǎn)生的沿運(yùn)動(dòng)方向(或相反方向)的磁力。根據(jù)產(chǎn)生的原因，磁阻力主要有兩個(gè)分量，①初級(jí)鐵心兩個(gè)端部與永磁體相互作用產(chǎn)生的力，它由鐵心兩個(gè)端部分別與永磁體相互作用產(chǎn)生的力疊加而成。其周期為一個(gè)極距；②初級(jí)鐵心齒與永磁體相互作用產(chǎn)生的力。根據(jù)假設(shè)條件磁阻力可以表示為：
式中，F(xiàn)DT線電機(jī)的總磁阻力；Fend為由邊端產(chǎn)生的磁阻力；Fslot為由齒槽產(chǎn)生的磁阻力。
2磁阻力最小化
2·l優(yōu)化初級(jí)長(zhǎng)度
根據(jù)公式(1)，可以通過(guò)降邊端力和齒槽力的方法減小磁阻力，因此，在不考慮齒槽力影響的情況下，根據(jù)文獻(xiàn)[3]，當(dāng)動(dòng)子的長(zhǎng)度為2或2個(gè)極距以上，動(dòng)子在兩個(gè)邊端受到的力互不影響，可以看成是兩個(gè)半無(wú)限大的動(dòng)子鐵心單端受力的合成結(jié)果，即可以看成是左端力FL和右端力FR的合力。左右兩端受到的力傅立葉表達(dá)式為：
式中，F(xiàn)RnN和FLn為單端受力時(shí)傅立葉分解基波分量的幅值。
圖3為在不考慮齒槽采用電磁軟件MAGNET建立的兩極直線電機(jī)模型的磁通量分布。可知此時(shí)只有邊端的磁端通量分布。由于端部的開端，引起磁場(chǎng)的突變，產(chǎn)生的磁阻力。為優(yōu)化電機(jī)動(dòng)子長(zhǎng)度，分別選擇E=27、28、29、30、31、32、33(mm)。其仿 |
