初級(jí)勵(lì)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(lái)的一類新型特種電機(jī)，具有高推力密度、高效率、高精度和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。在長(zhǎng)行程直驅(qū)式直線運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域，該類電機(jī)有其獨(dú)特的性能與成本優(yōu)勢(shì)，具有很高的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。初級(jí)勵(lì)磁型永磁直線電機(jī)從空間結(jié)構(gòu)來(lái)看，可分為單邊型、雙邊型和圓筒型三種結(jié)構(gòu)；從勵(lì)磁方式來(lái)看，主要有永磁勵(lì)磁和混合勵(lì)磁兩種方式；從磁場(chǎng)分布來(lái)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)）作為一種典型的雙凸極直線電機(jī)，已成為直線電機(jī)研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)，其典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

2008年，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的Z. Q. Zhu教授首次提出SF永磁直線電機(jī)，并對(duì)不同槽極配合及繞組結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析。同年，浙江大學(xué)的沈建新教授也對(duì)SF永磁直線電機(jī)展開(kāi)了研究，并利用次級(jí)斜極的方法減小定位力。此后，越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)SF永磁直線電機(jī)展開(kāi)深入的研究，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>

有學(xué)者在傳統(tǒng)U型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了C型和E型新結(jié)構(gòu)以減少一半的永磁用量。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%的推力；E型結(jié)構(gòu)中的容錯(cuò)齒有效降低了相間互感，適合模塊化容錯(cuò)運(yùn)行。有學(xué)者進(jìn)一步對(duì)初級(jí)奇數(shù)槽下的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(cuò)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(shí)多齒型結(jié)構(gòu)可明顯提高推力密度，但電負(fù)荷較高時(shí)，其功率因數(shù)較低且非常容易飽和，過(guò)載能力較弱。

圖2 多齒型結(jié)構(gòu)SF永磁直線電機(jī)

圓筒型及雙邊型結(jié)構(gòu)可以消除不平衡單邊法向力的影響，且在減小定位力及推力波動(dòng)、提高推力密度等方面更具優(yōu)勢(shì)。

有學(xué)者利用傳統(tǒng)U型鐵心的外電樞結(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)的容錯(cuò)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)的直線振蕩電機(jī)?？傮w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(shí)際應(yīng)用時(shí)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(jí)無(wú)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)的初級(jí)無(wú)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)的力電機(jī)。

與此同時(shí)，有學(xué)者提出了一種多齒型結(jié)構(gòu)的初級(jí)無(wú)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(jí)軛部并采用多齒結(jié)構(gòu)后，定位力及推力波動(dòng)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(shí)非常容易飽和。此外，還有一些雙邊型結(jié)構(gòu)以次級(jí)軛部作為對(duì)稱軸，且次級(jí)通常作為短動(dòng)子運(yùn)動(dòng)，可應(yīng)用于電磁彈射等領(lǐng)域。

圖4 初級(jí)無(wú)軛部雙邊型SF電機(jī)

圖5 多齒型的初級(jí)無(wú)軛部雙邊型SF電機(jī)

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(cuò)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(cuò)能力強(qiáng)、永磁用量小等優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，有學(xué)者提出了磁路互補(bǔ)模塊化容錯(cuò)型SF永磁直線電機(jī)，如圖8所示。磁路互補(bǔ)的目的是追求各模塊合成反動(dòng)勢(shì)正弦度更好及合成定位力最小。此外，還有一些去掉磁障且各相獨(dú)立的模塊化容錯(cuò)型SF永磁直線電機(jī)。

圖6 模塊化容錯(cuò)型SF永磁直線電機(jī)

圖7 磁路互補(bǔ)模塊化容錯(cuò)型SF電機(jī)

為了增強(qiáng)氣隙磁場(chǎng)的調(diào)節(jié)能力，電勵(lì)磁作為補(bǔ)充勵(lì)磁源的混合勵(lì)磁方式常被采用，主要有串聯(lián)勵(lì)磁和并聯(lián)勵(lì)磁兩種形式。有學(xué)者提出了一種串聯(lián)混合勵(lì)磁SF永磁直線電機(jī)，其中直流勵(lì)磁繞組位于靠近氣隙的電樞分裂齒內(nèi)，如圖8所示。結(jié)果顯示，當(dāng)直流勵(lì)磁在±15 A/mm2范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時(shí)，氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)范圍擴(kuò)大至+45%~-53%。

有學(xué)者提出了一種勵(lì)磁繞組位于軛部的并聯(lián)混合勵(lì)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型鐵心中間的容錯(cuò)齒上添加直流勵(lì)磁繞組，構(gòu)成并聯(lián)混合勵(lì)磁。

圖8 串聯(lián)混合勵(lì)磁SF永磁直線電機(jī)

圖9 并聯(lián)混合勵(lì)磁型SF永磁直線電機(jī)

受初級(jí)鐵心開(kāi)斷的影響，直線電機(jī)存在邊端力及三相不平衡問(wèn)題。因此，在本體設(shè)計(jì)中常采用先進(jìn)的優(yōu)化算法對(duì)電機(jī)各尺寸進(jìn)行全局優(yōu)化，并利用其他輔助方法削弱邊端效應(yīng)。

有學(xué)者提出了一種利用邊端輔助齒來(lái)削弱推力波動(dòng)中端部效應(yīng)的方法。針對(duì)推力波動(dòng)中齒槽效應(yīng)成分，可以采用次級(jí)鐵心斜極或分段錯(cuò)位、齒頂表面開(kāi)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)償繞組及永磁體的邊端輔助齒新結(jié)構(gòu)，如圖10所示。通過(guò)分析空載定位力及負(fù)載推力波動(dòng)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的影響并提供更加平穩(wěn)的推力。該方法為削弱邊端效應(yīng)提供了新思路。

圖10 帶補(bǔ)償繞組及永磁體的邊端輔助齒

?本文摘編自2021年第11期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“初級(jí)勵(lì)磁型永磁直線電機(jī)研究現(xiàn)狀與展望”，作者為浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院的沈燚明、盧琴芬。