初級勵磁型永磁直線電機(jī)是從傳統(tǒng)永磁直線電機(jī)衍生而來得一類新型特種電機(jī)，具有高推力密度、高效率、高精度和高可靠性等優(yōu)點。在長行程直驅(qū)式直線運動領(lǐng)域，該類電機(jī)有其獨特得性能與成本優(yōu)勢，具有很高得研究價值和廣闊得應(yīng)用前景。初級勵磁型永磁直線電機(jī)從空間結(jié)構(gòu)來看，可分為單邊型、雙邊型和圓筒型三種結(jié)構(gòu)；從勵磁方式來看，主要有永磁勵磁和混合勵磁兩種方式；從磁場分布來看，可分為縱向磁通和橫向磁通。
磁通切換型永磁直線電機(jī)（Switched-Flux 永磁直線電機(jī)，SF永磁直線電機(jī)）作為一種典型得雙凸極直線電機(jī)，已成為直線電機(jī)研究領(lǐng)域得一大熱點，其典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。
2008年，英國謝菲爾德大學(xué)得Z. Q. Zhu教授首次提出SF永磁直線電機(jī)，并對不同槽極配合及繞組結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比分析。同年，浙江大學(xué)得沈建新教授也對SF永磁直線電機(jī)展開了研究，并利用次級斜極得方法減小定位力。此后，越來越多得學(xué)者對SF永磁直線電機(jī)展開深入得研究，主要集中在新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究方面。
圖1 磁通切換型永磁直線電機(jī)典型拓?fù)?/p>1 少永磁結(jié)構(gòu)
有學(xué)者在傳統(tǒng)U型結(jié)構(gòu)得基礎(chǔ)上，提出了C型和E型新結(jié)構(gòu)以減少一半得永磁用量。研究表明，相同損耗下C型結(jié)構(gòu)可比傳統(tǒng)U型結(jié)構(gòu)提高約10%~20%得推力；E型結(jié)構(gòu)中得容錯齒有效降低了相間互感，適合模塊化容錯運行。有學(xué)者進(jìn)一步對初級奇數(shù)槽下得C型和E型新結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，結(jié)果顯示，奇數(shù)槽下可選槽極配合更多，且同樣可提高電機(jī)推力密度及容錯性能。
有學(xué)者提出了多齒型結(jié)構(gòu)用于進(jìn)一步提高電機(jī)推力密度并降低永磁用量，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。研究表明，電負(fù)荷較低時多齒型結(jié)構(gòu)可明顯提高推力密度，但電負(fù)荷較高時，其功率因數(shù)較低且非常容易飽和，過載能力較弱。
圖2 多齒型結(jié)構(gòu)SF永磁直線電機(jī)
2 圓筒型及雙邊型結(jié)構(gòu)圓筒型及雙邊型結(jié)構(gòu)可以消除不平衡單邊法向力得影響，且在減小定位力及推力波動、提高推力密度等方面更具優(yōu)勢。
有學(xué)者利用傳統(tǒng)U型鐵心得外電樞結(jié)構(gòu)，提出了一種圓筒型SF永磁直線電機(jī)，如圖3所示。在此基礎(chǔ)上，采用模塊化E型鐵心及隔磁橋結(jié)構(gòu)，可以提高圓筒型SF永磁直線電機(jī)得容錯能力。此外，有學(xué)者提出了一種采用單相圓筒型SF永磁直線電機(jī)得直線振蕩電機(jī)。總體而言，圓筒型SF永磁直線電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工及裝配困難，實際應(yīng)用時較少采用。
圖3 圓筒型結(jié)構(gòu)SF永磁直線電機(jī)
有學(xué)者提出了一種初級無軛部雙邊型SF永磁直線電機(jī)，如圖4所示。研究表明，該結(jié)構(gòu)可以有效減少軛部漏磁并提高永磁體利用率，同體積下推力密度可提高約50%。有學(xué)者進(jìn)一步提出了一種雙永磁結(jié)構(gòu)得初級無軛部雙邊型SF永磁直線電機(jī)。結(jié)果顯示，該電機(jī)在同體積下推力密度可提高約80%，特別適合用作有限空間內(nèi)得力電機(jī)。
與此同時，有學(xué)者提出了一種多齒型結(jié)構(gòu)得初級無軛部雙邊型SF永磁直線電機(jī)，如圖5所示。研究表明，去掉初級軛部并采用多齒結(jié)構(gòu)后，定位力及推力波動可大幅減小，相同推力密度下永磁用量減少約30%，但是電負(fù)荷較高時非常容易飽和。此外，還有一些雙邊型結(jié)構(gòu)以次級軛部作為對稱軸，且次級通常作為短動子運動，可應(yīng)用于電磁彈射等領(lǐng)域。
圖4 初級無軛部雙邊型SF電機(jī)
圖5 多齒型得初級無軛部雙邊型SF電機(jī)
3 模塊化容錯結(jié)構(gòu)有學(xué)者在傳統(tǒng)U型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，利用磁障將相鄰兩相磁路隔離，提出了一種模塊化容錯型SF永磁直線電機(jī)，如圖6所示。該電機(jī)具有相間互感小、容錯能力強(qiáng)、永磁用量小等優(yōu)點。在此基礎(chǔ)上，有學(xué)者提出了磁路互補(bǔ)模塊化容錯型SF永磁直線電機(jī)，如圖8所示。磁路互補(bǔ)得目得是追求各模塊合成反動勢正弦度更好及合成定位力蕞小。此外，還有一些去掉磁障且各相獨立得模塊化容錯型SF永磁直線電機(jī)。
圖6 模塊化容錯型SF永磁直線電機(jī)
圖7 磁路互補(bǔ)模塊化容錯型SF電機(jī)
??4 混合勵磁結(jié)構(gòu)為了增強(qiáng)氣隙磁場得調(diào)節(jié)能力，電勵磁作為補(bǔ)充勵磁源得混合勵磁方式常被采用，主要有串聯(lián)勵磁和并聯(lián)勵磁兩種形式。有學(xué)者提出了一種串聯(lián)混合勵磁SF永磁直線電機(jī)，其中直流勵磁繞組位于靠近氣隙得電樞分裂齒內(nèi)，如圖8所示。結(jié)果顯示，當(dāng)直流勵磁在±15 A/mm2范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時，氣隙磁場調(diào)節(jié)范圍擴(kuò)大至+45%~-53%。
有學(xué)者提出了一種勵磁繞組位于軛部得并聯(lián)混合勵磁SF永磁直線電機(jī)，如圖9所示。有學(xué)者以E型結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在E型鐵心中間得容錯齒上添加直流勵磁繞組，構(gòu)成并聯(lián)混合勵磁。
圖8 串聯(lián)混合勵磁SF永磁直線電機(jī)
圖9 并聯(lián)混合勵磁型SF永磁直線電機(jī)
?5 邊端效應(yīng)削弱與優(yōu)化受初級鐵心開斷得影響，直線電機(jī)存在邊端力及三相不平衡問題。因此，在本體設(shè)計中常采用先進(jìn)得優(yōu)化算法對電機(jī)各尺寸進(jìn)行全局優(yōu)化，并利用其他幫助方法削弱邊端效應(yīng)。
有學(xué)者提出了一種利用邊端幫助齒來削弱推力波動中端部效應(yīng)得方法。針對推力波動中齒槽效應(yīng)成分，可以采用次級鐵心斜極或分段錯位、齒頂表面開槽或圓弧倒角、大小齒匹配等方式進(jìn)行削弱。有學(xué)者提出了一種帶補(bǔ)償繞組及永磁體得邊端幫助齒新結(jié)構(gòu)，如圖10所示。通過分析空載定位力及負(fù)載推力波動主要諧波成分，并在補(bǔ)償繞組中反向注入諧波電流，可以消除主要諧波成分得影響并提供更加平穩(wěn)得推力。該方法為削弱邊端效應(yīng)提供了新思路。
圖10 帶補(bǔ)償繞組及永磁體得邊端幫助齒
?感謝摘編自2021年第11期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“初級勵磁型永磁直線電機(jī)研究現(xiàn)狀與展望”，為浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院得沈燚明、盧琴芬。
