永磁直线同步电机磁阻力最小化研究

  王旭强¹，汪旭东¹，杜卫民¹，余淋²

(1河南理工大学电气工程与自动化学院，焦作454003

    2河南省中原油田供电管理处，濮阳457000)

摘要：依据永磁直线同步电机磁阻力产生的原理，针对2极三槽电机，分析了其边端效应，在此基础上，考虑到齿稽效应起的齿槽力。提出了优化初级铁心长度和初级铁心端部形式的磁阻力最小化方法。有限元分析和验证了动子铁心和边端齿的****长度。结果表明本文提出的磁阻力最小化方法是可行的，减小了电机的推力波动。

关键词：永磁电机；同步电机；直线电机；磁阻力；边端效应；齿槽效应

0引言

    随着高性能、高精度的动力装置的发展要求，永磁直线同步电动机(Permanent Magnet Lineat Syn．onous Motor，PMLSM)在自动控制和往返动输系统中得到了应用。但是由于直线电机铁心开断和齿槽存在引起的磁阻力，限制了它在一些高精度装置的应用，特别是在低速运行时，由于磁阻力的存在，降低了电机的性能，严重影响电机的制精度。磁阻力(Detent Force DF)指的是初级铁心和次级永磁体相互作用产生的沿运动方向(或相反方向)的磁力。根据其产生的原因，磁阻力主要有两个力量：①初级铁心两个端部与永磁体之间作用产生的力。②初级铁心齿与永磁体相互作用产生的力，即由于齿槽的存在产生齿槽力。目前在磁阻力的分析以及最小化研究方向，不考虑边端效应时，直线电机相当于旋转电机，因此由齿槽效应引起的磁阻力最小化分析多沿用旋转电机的方法，例如采用斜极、移极、极槽配合等。在关于边端效应引起的磁阻力分析方面，Zou等人建立了基本的分析模型，但遗憾的是有具体优化时假设磁阻力关于峰值对称，因而并没有从严格的基本模型出发进行优化^[1]。lnoue等人采相位差的方法优化动子长度，但是具有较大局限性。李庆雷等人在分析推力波动时，对边端效应产生的磁阻力进行了初步定性分析时，文献[3]用曲线拟合方法较准确计算动子的长度，但是由于当开齿后，由齿槽引起的边端力并没有考虑。经研究发现，在不考虑齿槽效应优化的****长度与增加了齿槽效应的****长度并不相等。主要原因是当有齿存在时，齿与边端齿端叠加，可能引起整体磁阻力，即①直线电机动子的****长度；②优化动子边端齿的宽度和长度；并对优化后的机模型进行了推力分析和研究。

1原电机模型

    以两极三槽动圈式永磁直线同步电机为研究对象。该电机模型和参数如图l和表1所式。为简化分析，作如下假设：①初级的齿和槽铁磁材料密度分布均匀，表面光滑，且各向同性，不考虑铁磁材料的饱和；②次级永磁体充磁均匀，且以相同的材料填充，磁化强度为一定值，采用稀土材料。

    磁阻力随位置变化曲线如图2所示。

    磁阻力指的是初级铁心和次级永磁体相互作用产生的沿运动方向(或相反方向)的磁力。根据产生的原因，磁阻力主要有两个分量，①初级铁心两个端部与永磁体相互作用产生的力，它由铁心两个端部分别与永磁体相互作用产生的力叠加而成。其周期为一个极距；②初级铁心齿与永磁体相互作用产生的力。根据假设条件磁阻力可以表示为：

式中，FDT线电机的总磁阻力；F_end为由边端产生的磁阻力；F_slot为由齿槽产生的磁阻力。

2磁阻力最小化

2·l优化初级长度

    根据公式(1)，可以通过降边端力和齿槽力的方法减小磁阻力，因此，在不考虑齿槽力影响的情况下，根据文献[3]，当动子的长度为2或2个极距以上，动子在两个边端受到的力互不影响，可以看成是两个半无限大的动子铁心单端受力的合成结果，即可以看成是左端力FL和右端力F_R的合力。左右两端受到的力傅立叶表达式为：

式中，F_RnN和F_Ln为单端受力时傅立叶分解基波分量的幅值。

    图3为在不考虑齿槽采用电磁软件MAGNET建立的两极直线电机模型的磁通量分布。可知此时只有边端的磁端通量分布。由于端部的开端，引起磁场的突变，产生的磁阻力。为优化电机动子长度，分别选择E=27、28、29、30、31、32、33(mm)。其仿