圓筒型永磁直線電機(jī)磁阻力最小化分析*

崔皆凡，秦 超，王鴻雪

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

圓筒型永磁直線電機(jī)磁阻力最小化分析*

崔皆凡，秦 超，王鴻雪

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

為了提高圓筒型永磁直線電機(jī)在高速加工中心、精密磨床等應(yīng)用場(chǎng)合的伺服驅(qū)動(dòng)性能，基于Ansoft軟件分別對(duì)影響圓筒型永磁直線電機(jī)運(yùn)行性能的邊端力和齒槽力進(jìn)行了分析。推導(dǎo)了初級(jí)鐵心長(zhǎng)度和邊端力的解析關(guān)系式，得出了最優(yōu)的初級(jí)長(zhǎng)度，通過(guò)有限元仿真證明了所得結(jié)論的正確性。針對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)中采用均勻分布輔助槽來(lái)削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的方法進(jìn)行了深入的分析,重點(diǎn)研究了輔助槽尺寸對(duì)永磁直線電機(jī)齒槽力的影響。最后對(duì)電機(jī)磁阻力進(jìn)行了分析并通過(guò)有限元仿真證明了所采用方法的有效性。所得結(jié)論可為直線電機(jī)的設(shè)計(jì)提供一定的理論指導(dǎo)。

圓筒型永磁直線電機(jī)；邊端力；初級(jí)長(zhǎng)度；齒槽力；有限元；輔助槽

0 引言

圓筒型永磁直線電機(jī)(Tubular PMLSM)是直線電機(jī)中一種特殊結(jié)構(gòu)的電機(jī)，它兼有永磁電機(jī)和直線電機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)，因此其在高性能的伺服驅(qū)動(dòng)如高速加工中心、精密磨床等場(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用。然而PMLSM的推力波動(dòng)是其應(yīng)用方面的主要缺陷，因?yàn)橥屏Σ▌?dòng)是電機(jī)振動(dòng)和噪聲的主要來(lái)源。因此減小永磁直線電機(jī)的推力波動(dòng)是高性能電機(jī)必須克服的一個(gè)重要問(wèn)題。推力波動(dòng)的主要來(lái)源之一是磁阻力DF(Dedent Force)的產(chǎn)生，DF主要有兩部分組成：由齒槽效應(yīng)引起的齒槽力(Fslot)和由邊端效應(yīng)引起的邊端力(Fend)。目前針對(duì)永磁直線電機(jī)磁阻力的削弱，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作。在國(guó)內(nèi)，文獻(xiàn)[1-4]從電機(jī)設(shè)計(jì)的角度給出了直線電機(jī)磁阻力的削弱方法。如改變極槽配合﹑優(yōu)化極弧系數(shù)﹑優(yōu)化初級(jí)長(zhǎng)度和改變邊端齒的結(jié)構(gòu)等。文獻(xiàn)[5-6]從控制的角度給出了抑制永磁直線電機(jī)推力波動(dòng)的方法。在國(guó)外，文獻(xiàn)[7]采用一種新的圓筒型永磁直線電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析方法并計(jì)算了磁阻力的各分量。文獻(xiàn)[8]采用一種磁極分段的方法來(lái)減小圓筒型永磁直線電機(jī)的齒槽力。文獻(xiàn)[9]采用端部加輔助極的方法來(lái)減小邊端力。以上這些方法或針對(duì)直線電機(jī)磁阻力的某一個(gè)分量進(jìn)行分析或只針對(duì)平板型直線電機(jī)進(jìn)行了研究，對(duì)圓筒型永磁直線電機(jī)的研究還很少。

本文在國(guó)內(nèi)外對(duì)永磁直線電機(jī)研究的基礎(chǔ)上，采用了兩種不同的方法分別對(duì)圓筒型永磁直線電機(jī)的邊端力和齒槽力進(jìn)行了分析，即采用最優(yōu)的初級(jí)長(zhǎng)度來(lái)削弱電機(jī)的邊端力以及初級(jí)加輔助槽來(lái)削弱電機(jī)的齒槽力，并重點(diǎn)研究了輔助槽結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)電機(jī)齒槽力的影響，最后對(duì)電機(jī)總的磁阻力進(jìn)行了分析說(shuō)明了本文所采用方法的有效性。

1 圓筒型永磁直線電機(jī)磁阻力產(chǎn)生原理

圓筒型永磁直線電機(jī)初級(jí)鐵心齒槽和永磁體相互作用導(dǎo)致氣隙磁場(chǎng)儲(chǔ)能發(fā)生改變產(chǎn)生了齒槽力，同時(shí)由于圓筒型永磁直線電機(jī)初級(jí)鐵心開斷，會(huì)使初級(jí)鐵心在兩端各受到一個(gè)邊端力，因此永磁直線電機(jī)磁阻力(Fdetent)包含兩個(gè)分量：

Fdetent=Fslot+Fend

(1)

其中Fslot為磁阻力的齒槽力分量，F(xiàn)end為磁阻力的邊端力分量。永磁直線電機(jī)磁阻力的產(chǎn)生模型如圖1所示。

圖1 永磁直線電機(jī)的磁阻力產(chǎn)生原理圖

2 圓筒型永磁直線電機(jī)邊端力分析

根據(jù)文獻(xiàn)[10]可以得到永磁直線電機(jī)的邊端力為：

(2)

δ=(2k±1)π

(3)

考慮到邊端力是極距τ的周期函數(shù)，δ所對(duì)應(yīng)的初級(jí)長(zhǎng)度Lp可由下式計(jì)算：

(4)

根據(jù)該式可以確定初級(jí)的最優(yōu)長(zhǎng)度。

本文分析的圓筒型永磁直線電機(jī)的二維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。其對(duì)應(yīng)的主要尺寸數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 圓筒型永磁直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 表1 圓筒型永磁直線電機(jī)主要參數(shù)

初級(jí)長(zhǎng)L1/mm80初級(jí)外徑D1/mm75次級(jí)外徑D2/mm25氣隙長(zhǎng)δe/mm0.5極距τ/mm8槽口寬b0/mm2槽寬bs/mm5.9極數(shù)10槽數(shù)9充磁方向軸向

采用無(wú)槽電機(jī)模型進(jìn)行邊端力的分析，在其它尺寸不變的條件下分別使初級(jí)長(zhǎng)度的變化量Δd取0mm、2mm、4mm、6mm、8mm,得出的邊端力幅值的變化趨勢(shì)如圖3所示。

圖3 邊端力幅值隨初級(jí)長(zhǎng)度變化量的曲線

可以看出在初級(jí)長(zhǎng)度的變化量Δd取4mm即0.5τ時(shí)邊端力幅值最小。利用Ansoft軟件分別對(duì)直線電機(jī)初級(jí)長(zhǎng)度取不同值時(shí)的邊端力進(jìn)行分析，邊端力的變化曲線如圖4所示。初級(jí)長(zhǎng)度為88mm時(shí)邊端力的變化曲線如圖5所示，可以看到其和初級(jí)長(zhǎng)度為80mm時(shí)的邊端力變化曲線基本一致，說(shuō)明了邊端力是極距τ的周期函數(shù)。

圖4 邊端力在初級(jí)長(zhǎng)分別取80mm、82mm、84mm、86mm 時(shí)的變化曲線

圖5 初級(jí)長(zhǎng)度為88mm時(shí)邊端力的變化曲線

3 初級(jí)加輔助槽的圓筒型永磁直線電機(jī)齒槽力分析

圖6 初級(jí)齒開輔助槽示意圖

針對(duì)本文的圓筒型永磁直線電機(jī)，采用上文給出的輔助槽數(shù)確定方法，可知該電機(jī)采用的最小輔助槽數(shù)k為2，直線電機(jī)初級(jí)加輔助槽的示意圖如圖6所示。為分析輔助槽結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)電機(jī)齒槽力的影響，首先在保持輔助槽的槽寬b1和槽口寬b0相等以及h1等于h0的情況下對(duì)輔助槽之間的齒寬b2對(duì)電機(jī)齒槽力的影響進(jìn)行分析，得到齒槽力隨b2的變化曲線如圖7所示。從圖中可以看出當(dāng)輔助槽之間的齒寬為0.3mm時(shí)齒槽力幅值最小，而后齒槽力幅值單調(diào)遞增。

圖7 齒槽力幅值隨輔助槽間齒寬的變化曲線

保持b2為0.3mm對(duì)輔助槽深h1對(duì)電機(jī)齒槽力的影響進(jìn)行分析如圖8所示。從圖上可以看到齒槽力在輔助槽深為1mm時(shí)達(dá)到最小。

圖8 齒槽力幅值隨輔助槽深的變化曲線

圖9 齒槽力幅值隨輔助槽寬的變化曲線

保持輔助槽的槽深為1mm，及輔助槽間齒寬為0.3mm時(shí)，對(duì)輔助槽的槽口寬對(duì)齒槽力的影響進(jìn)行分析如圖9所示，可以看到隨著輔助槽口寬度的增加齒槽力先減小，當(dāng)輔助槽口寬在2mm附近齒槽力幅值變化不大，而后齒槽力隨槽口寬的變化單調(diào)增加。

圖10 電機(jī)在最優(yōu)的輔助槽尺寸和無(wú)輔助槽時(shí)的齒槽力對(duì)比

最后根據(jù)本文的分析采用最優(yōu)的輔助槽尺寸，對(duì)電機(jī)的齒槽力進(jìn)行分析，其和原電機(jī)的齒槽力對(duì)比曲線如圖10所示，可以看出和原電機(jī)的齒槽力相比，采用本文分析的輔助槽尺寸后齒槽力下降了約60%。

4 同時(shí)考慮邊端力和齒槽力時(shí)直線電機(jī)磁阻力的分析

基于以上的分析，采用最優(yōu)的初級(jí)長(zhǎng)度以及最優(yōu)的輔助槽尺寸對(duì)永磁直線電機(jī)的磁阻力進(jìn)行分析，其和原電機(jī)模型的磁阻力對(duì)比分析曲線如圖11所示。可以看出采用本文所使用的方法在有效削弱電機(jī)邊端力和齒槽力的情況下，能夠使電機(jī)總的磁阻力相比于原電機(jī)模型的磁阻力減小了約62%。說(shuō)明了本文所采用的方法在削弱直線電機(jī)磁阻力方面的有效性。

圖11 原電機(jī)模型磁阻力以及在最優(yōu)初級(jí)長(zhǎng)度和加輔助 槽后電機(jī)的磁阻力

5 結(jié)論

本文以圓筒型永磁直線電機(jī)為分析對(duì)象，運(yùn)用有限元法，分別分析了影響圓筒型永磁直線電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)性能的邊端力和齒槽力，得出在初級(jí)的變化長(zhǎng)度為0.5τ時(shí)能有效削弱邊端力，邊端力下降了約86%，通過(guò)在電機(jī)初級(jí)加輔助槽來(lái)削弱齒槽力，發(fā)現(xiàn)輔助槽的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)電機(jī)齒槽力有很大的影響，選擇合適的輔助槽尺寸能夠有效的降低電機(jī)的齒槽力，針對(duì)本文的電機(jī)齒槽力下降了約60%，最后對(duì)電機(jī)總的磁阻力進(jìn)行了分析發(fā)現(xiàn)采用本文的方法磁阻力削弱效果明顯。所得結(jié)論可為直線電機(jī)的設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)。

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[11] 王秀和．永磁電機(jī)[M]．北京：中國(guó)電力出版社， 2010．

(編輯 趙蓉)

Research on Minimizing Detent Force of Tubular Permanent Magnet Linear Motors

CUI Jie-fan,QIN Chao,WANG Hong-xue

(School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870,China)

In order to improve the servo drive performance of tubular permanent magnet linear synchronous motors(PMLSM) in applications such as high speed machining center and precision grinder ,the end force and cogging force which affect the operating performance of the tubular PMLSM were analysed respectively based on Ansoft software. By deducing the expression between the length of primary armature core and the end force, the optimal length of armature core was carried out, the correctness of the conclusions was proved through the finite element simulition. The theory of using uniform distribution auxiliary slots in rotary motors to reduce cogging torque was studied in depth,the effect of auxiliary slots size on the cogging force of permanent magnet linear motors was studied. Finally the detent force of the motor was studied and the effectiveness of these methods were verified by finite element method. The conclusions can provide some theoretical guidance for the analysis and design of linear motors .

tubular PMLSM; end force; primary length ;cogging force; finite element; auxiliary slots

1001-2265(2014)06-0025-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.06.007

2013-09-10；

2013-10-20

遼寧省科技廳資助基金項(xiàng)目(201202167)

崔皆凡(1963—)，女，沈陽(yáng)人，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)教授，博士，主要從事特種電機(jī)及其控制的研究，(E-mail)cuijf2001cn@yahoo.com.cn。

TH39;TG65

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