基于次级错齿的C型铁心双边直线永磁开关磁链电机

研究与设计I EMCA

基于次级错齿的C型铁心双边直线

永磁开关磁链电机#

郝雯娟！2，王宇2

(!南京航空航天大学金城学院，江苏南京211156;2.南京航空航天大学自动化学院，江苏南京211156)

要：直线永磁开关磁链电机（LFSPM)适合长次级直线驱动场合，这是由于永磁体和电枢绕组都在短 台双边C型铁心的直线永磁开关磁链电机（DSLFSPM-C)进行研究和改进。利用有限元软件先对电

6

初级，而长次级结构简单可靠性高。很多应用场合都要求电机具有高推力，但往往也需要低的推力脉动。为 此，对

1

机进行推力优化，然为了在

低的推力脉动。

推力的情况下有效地减小推力脉动，分别利用次级错齿和 永磁

体两种结构对电机进行了改进。分析结果表明，改进后的DSLFSPM-C具有相对较低的法向力、高的推力输出

关键词！双边直线永磁开关磁链电机\"次级错齿；端部永磁体；推力脉动中图分类号：TM 302

文献标志码：A

文章编号：1673-60(2018)08-0063-05

AStaggered Secondary Teeth Based onC-Core Flux-Switching

Permanent Magnet Linear Machine

HAO Wenjuan1，2， WANG Yu1(1. College of Jincheng，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211156，China; 2. College of Automation，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211156，China)

Abstract:

The linear

both this

flux

the

switching permanent

PMs

and

magnet (LFSPM) motor were armature winding average

thrust

were

on

the

capable

for

long

application due to that simple and robust. For

short

primary，i

kind of machine，high

force was highly

desirable，however，low

t

ripples were also required. A double-sided C-core LFSPM ( DSSLFSPM-C) motor was investigated and improved.After being optimized

for

optimal

thrust

force

using

Maxwell 2D，this

machine was improved

to

s

force ripple without the decrease of the average thrust forcc based on a staggered secondary teeth structure and two end PMs. The analysis results showed that the improved DSSLFSPM-C machine exhibits relatively low normal force and high thrust force as well as low thrust ripple，indicating that they were suitable for long-stroke applications.

Key words: double-sided linear flux switching permanent magnet motor; staggered secondary teeth; end PMs； thrust force ripple

0引言

与

结构

、

，直线电机具有动 低、 电

小

，

应快、 应用

作为初级永磁式电机，直线永磁开关磁链

(Linear Flux Switching Permanent Magnet，LFSPM ) 电机

很多研究

的关注，与传统电机具有如下优

的直线永磁电机相比， 点[“*:

可靠性强、 于

直线驱动场合[1-3]。

#基金项目：国家自然科学基金项目（51741705)

作者简介：郝雯娟（1982—），女，博士，副教授，研究方向为电力电子与电力传动。

—63 —

研究与设计I EMCA

違权控刹名阄2018,45 (8)

(1) 次级为凸极铁心，无永磁体或绕组，结构

A1 B1 Cl A2 B2

C2 初级简单可靠性高。

(2) 永磁体在初级， 性

。

(3) 电枢磁场与永磁磁场 ，电枢磁场对

永磁场的

。

，LFSPM电机非常适合应用于长次

级短初级的场合。

LFSPM电机也可以做成双边结构，即双边直 线永磁开关磁链（Double-Sided Linear Flux

Switching Permanent Magnet，DSLFSPM)

电机，这

可

向力，提高 性。 ，有

DSLFSPM电机，分别为 初级结构和中间

次级结构。 [7]对这 结构

的

结

构进 和

。许多 对

DSLFSPM电

机有研究[811]。 [11]对

DSLFSPM电机的

边

力、磁力和

下永磁起的推力波动，分别

采用楔形 边端设计、绕组电感互补、电流 入和次级错

方法进 和补偿， 效果显著。文献[8]研究 次级 结构的DSLFSPM电

机，该结构通过实现上下双边初级磁路串联来减

小次级

厚度，从而减小体积提高推力密度。

然而，由于初级和次级都是 结构，

DSLFSPM电机的 力 ，从而引起 的推

力脉动。针对 次级结构的DSLFSPM电机，本

研究 次级 结构。该结构在不减小电

机 推力的情况下可以有效地减小电机 ：

力。此外，

还采用

初级

永磁体的

方 衡电机三相反电动势幅值，可进一步

减小由反电动势幅值 衡引起的推力脉动。

1台双边C型铁心6/13 单边

LFSPM

电机为研究对象，重点研究其推力 能

力和推力脉动减小方法。

1电机推力优化

1台

C

型铁心6/13极单边

LFSPM

电机

(6/13LFSPM-C)如图1(a)所示。研究发现，与传 结构 ，由于具有 的槽面积，C型铁心

6/13极单边LFSPM电机具有更高的推力密度[12]。 将）个传统的单边LFSPM电机相对放置，可以得 到DSLFSPM电机。图1(b)所示为1台双边C型 铁心 6/13 极 LFSPM 电机（6/13DSLFSPM-C)。下

—

—

(a) 6/13LFSPM-C

A1

B1

Cl

A2

B2

C2

初级

A3

B3

C3

A4

B4

C4

(b) 6/13DSLFSPM-C

图1 LFSPM电机基本结构

面对该电机进行推力优化。

在铜耗不变及-=〇 算下，利用有限元

软件对6/13DSLFSPM-C进行推力优化。6/13

DSLFSPM-C设计参数如图2所示。

参数的

义、符号、初始值 顺序

1所示。采

用参数

，即每个参数按照顺序优

，

个 的参数直接用于下一个参数的[12]。在

过程中，铜耗为初始结构时额定

电流下的铜耗，保持该铜耗不变。同时，表1也给

每个参数的

结果。

主要设计参数

2 示。

表1

优化变量和优化结果

顺序参数和符号初始值范围结1裂比\"(///)0.260.2-0.30762次级极宽比0t_rat>( 0st/!)

0.30.2-0.40783

次级极高比/p_ratl0(///s

)

0750.5-0.7074动子轭厚度比/my-ra/( ^m/^m )

0750.1-0.20.175

永磁体宽度0m/rnm

4

3~5

3

电机 的结 图3所示。基于优化

的结构，图3(a)给出了 6/13DSLFSPM-C在不同 电流下的推力

值;图3(b)给

电机的

力波形，图3( @给

电机空载反电动势波形。

可以发现，由于电机的双

结构，

在推

省机滅刹名闱2018,45 (8)

研究与设计I EMCA

表！优化后电机尺寸参数

参数名称气隙l/mm电机总高//mm

力

参数值150100)4373717.5311.08347171734320084

过程中没有考虑 力脉动

力的大小，优

衡，中

电机 有的

。此外，由于直线电机特

t

效应，三反电动势幅值

电机厚度^/mm初级极距‘/mm次级极高//mm

p

线圈反电势幅值高于 线圈。同时，

图3(d)给 电机单边和双边结构法向力的

，可

双边结构有效地减小了直线

电机的法向力。

m

初级轭厚度/m/mm

初级极高//mm次级极距‘/mm永磁体宽度0

次级极宽0st/mm

pm/rnm初级齿宽0mt/mm

永磁体剩磁4/

数

绕组数额定电流幅值/ A

T

2电机的改进

对于直线电机，

力和幅值 性能。因此，

衡的三相

：对研

!1采用次级错齿结构减小定位力

永磁体磁导率\"

反电动势都 重

起电机推力脉动，推力脉动

直线电机的

究电机进行结构改进，来减小定位力和平衡三相 反电动势。

80「

额定速度5(n+s_1 $

o4o

3

o o 2 oo 1 oo

1 400

A

/-R

叵班

0 90 180 270 360

电角度/(°)(d)法向力波形

图3电机 结果

为了在减小 值， 力的同时 推力 f

次级 结构，如图4所示。磁方向相反。

对于6/13DSLFSPM-CST，图5给出了随#变化的 力峰峰值（标‘值），其 ‘值的参考值为6/13DSLFSPM-C的定位力峰峰值。从图5

将带次级错齿结构的6/13DSLFSPM-C命名为 6/13DSLFSPM-CST。图4中，上下次级齿前后错 开一定距离，设#为错开齿距所对应的电角度。 对于初级而言，

A1

B1

下初级位置对应的永磁体充

Cl

A2

B2

C2 初级A3 B3 C3

图 4 6/13

DSLFSPM-CST

A4 B4 C4

结构

—65 —

研究与设计I EMCA

中可 ，当# v 18〇°时， 力 值达到其

最小值。该值小于6/13DSLFSPM-C. 力

〔

值的45%。

图 6 给出了 6/13DSLFSPM-C 和 6/ 13DSLFSPM-CST# # = 180〇 $在额定电流下的推力值

和力

，可发现，改进 电

机推力

值基

，而6/13DSLFSPM-CST

(#v 180〇)

的定位力较6/13DSLFSPM-C大幅度

减小，因此，对于6/13DSLFSPM-CST，上下次级齿 的错开角度选择180°电角度，即上下次级 开

半个次级齿距。

400350

6/13LFSPM-C 6/14LFSPM-CST

(a)额定电流下的推力平均值

8060

8〇 I___________________________I

0

90

180

270

360

电角度/(°)

(b)定位力

图6 6/13DSLFSPM-CST(# = 180°在额定电流下的

推力平均值 和定位力

需要 的是， 进

下次级齿错开半个次级齿距，而下初级位置对应的永磁 体充磁方向不变，则 推力

值。古

结构需要 下初级位置对应的永磁体充磁方向

反。

2. 2

基于端部永磁体的反电动势幅值平衡

为

衡三相反电动势幅值， 在有的

基 永磁体，如图$所

示。通过有 设计 永磁体的宽度，

通过 最终宽度选择为％ MM。 反电动势后的电机命名为6/13DSLFSPM-CST1。图8 给出了 6/13DSLFSPM-CST1的三相空载反电动势 形，可发现，其幅值基 ，实现了三相空

载反电动势的幅值平衡。

—

66 —

違权控刹名阄2018,45 (8)

A1 B1 Cl A2 B2 C2 初级

A3 B3 C3 A4 B4 C4

图 7 6/13DSLFSPM-CST1 结构

A歇混躺识

/图8 6/13DSLFSPM-CST1空载反电动势

3

电机改进前后比较

为

面改进的效果，下文对改进前后

的电机推力和推力脉动进

&

图9所示为电机改进

额定电流下推力平

值、推力波形 推力脉动 的 ，其图9(@是推力脉动 值和额定电流下推力

值的比值。从图9 ( a $可

图9

电机改进前后结果比较

喏名L乃农别名阄2018,45 (8)

研究与设计I EMCA

Conference on Power Electronics， Machines and Drives，2008： 116-119.

[5

]

6/13DSLFSPM-CST1的推力平均值最大，这是由于 三相反电动势的平衡可 电机的推力 能

力。从图9 ( Q)和图9 ( @)可 发现， 6/13DSLFSPM-CST1的推力脉动最小，约为 14.8%，这由于三相反电动势的平衡不但可 高推力

力，还可以减小推力脉动。

[7 ]

郝雯娟， 中基于分段定子的直线永磁磁

方法[J].电机与 中

[J

电机结构及其

用，2015,42(12):

[6]

1-6.

应

：

，

电机的 ⑴：5-7.

与

， 开关磁链永磁直线

应用，2014,41

].电机与

4结语

与单边LFSPM电机相比，DSLFSPM电机不

HAOW J，WANGY，DENGZ Q中tudy of two kinds of

double-sided

yokeless

linear

$flux-switching

但可 向力。

其推力 力，而具有较小的法

研究的基于次级 的C型铁心

DSLFSPM电机具有如下优点：（1)与单边结构

一

permanent magnet machines [ C ] 2016

IEEE

Vehicle

Power

Presented at the and

Propulsion

Conference，Hangzhou，2016: 1-6.

[8 ]

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sided

linear flux-switching

，具有较高的推力 力。（2)过次级错

结构有效地减小了电机的 力，从而减小了电机推力脉动。（3)过 永磁体结构有效地衡三相反电动势，从而提高了电机推力 力并进一步减小了推力脉动。 具有较高的推力 长次级场合，

电

、

。

能，电机

，Hangzliou，2014： 38­

力和较低的脉动，适用于

permanent magnet machine for direct drives [ J ].

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：2018-03-26

(上接第49页）

装配锁制器时，每台锁制器通过检测和调整 气隙，可保 可靠

气隙在可控范围内，保证

[1 ]

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]中t

和制动。

过

设计和通过显

高

制设

应用在某结构

京:机

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结构改进、 在 机上，取得 计具有

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、

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收稿日期：2018-03-25

一 67 —