無槽圓筒型永磁直線作動器繞組分布特性實驗

黃旭珍

(南京航空航天大學 江蘇省新能源發電與電能變換重點實驗室，南京210016)

李立毅

(哈爾濱工業大學 電磁與電子技術研究所，哈爾濱150001)

目前，中小功率的飛行器作動器，普遍采用旋轉電機加滾珠絲杠等中間轉換機構的方案，該方案具有無油液泄漏、結構簡單、功率密度高等優點［1-2］.但是由于采用復雜中間傳動機構存在傳動間隙、回程差等非線性因素，而且機械傳統機構的響應時間遠高于電器元件，使得系統的動態性能及控制精度的提高受到了一定的限制.而直線電機可以直接輸出直線運動，是一種直接驅動系統，有利于實現高動態、高精度運動控制.

近年來，對直線電機的研究成為熱點，直線電機在航空航天飛行器上的應用，受到越來越多的關注.多種采用直線電機的電力作動器概念被提出及研究，包括隔振系統、閥門控制、機翼控制、舵面控制等，簡述如下:在飛機、航天器上的精密儀器，需要低振動低噪聲的工作環境，因此振動隔離裝置或系統就成為飛行器上的不可或缺的系統，這些隔振系統對作動器提出了體積小、質量輕、高加速度、快速響應等性能要求，在此類隔振系統中，多種直線電機被用作作動器.如意大利的Del Vecchio等人在天文望眼鏡的平臺上采用了內嵌永磁體圓筒型同步直線電機作為作動器［3］;在多種隔振平臺中采用高動態音圈直線電機作為作動器［4-7］;將雙邊平板型永磁同步電機作為發動機閥門控制的作動器［8］;具有三維磁路的多氣隙永磁直線電機被提出并研究應用于飛機起落架的控制［9-10］.可見，在各種機電作動器中，直線電機的應用越來越多，各種新型直線電機拓撲結構受到廣泛關注.

在各種直線電機結構和拓撲中，圓筒型永磁直線電機具有無橫向鐵心端部、繞組利用率高、推力密度大、無單邊磁拉力等優點［11-12］.而采用無槽繞組結構，克服了齒槽力的影響，電樞反應小，使電機更容易實現高精度、高動態性能指標［13-14］.本文提出將無槽圓筒型永磁直線電機用于飛行器姿態控制作動器，分析研究無槽圓筒型永磁直線作動器繞組的分布特性，闡明相間絕緣厚度的影響，并比較不同繞組結構的作動器的繞組因數.研制無槽圓筒型永磁直線作動器樣機，進行反電勢、推力以及動態響應特性的實驗研究，以論證此類作動器在性能上的優勢及應用中的潛力.

1 無槽直線作動器的繞組特性

無槽圓筒型永磁直線作動器的結構如圖1所示，其次級上環形永磁體和環形導磁鐵心依次套裝在非導磁軸上.初級上，繞制成圓環形的線餅按照一定的相序排列，并套裝在初級鐵心內筒.

1.1 相間絕緣的影響分析

圖2所示的虛槽繞組結構中，每個圓環形繞組及其絕緣所在區域形成一個虛槽，繞組內圓為強度較高的絕緣骨架材料，每兩個圓環形線圈之間是相間絕緣，圓環形線圈與動子鐵心之間是主絕緣.常規電機的槽內絕緣的厚度比較薄，但是對于無槽結構的電機省去了齒部，為增強繞組強度，不但需要在面向氣隙的繞組內圓采用較厚的絕緣骨架，而且在虛槽之間的相絕緣也采用較厚且強度較好的絕緣材料，甚至在相間絕緣之間插入薄的非導磁的金屬材料作為繞組骨架，以提高無槽繞組的強度.而這些虛槽之間的絕緣或金屬材料，占據了一定的相角，會影響無槽繞組的分布特性.可見無槽圓筒型直線電機繞組軸向分布具有特殊性.

圖1 無槽圓筒型直線作動器的結構示意圖Fig.1 Structure of slot-less tubular linear actuator

圖2 單元電機的無槽繞組截面圖Fig.2 Section view of slot-less windings of unit motor

繞制的虛槽內圓環形繞組如圖3所示，對于虛槽繞組，盡可能使繞組排列規整，不但利于減小繞組長度，降低電阻值，提高槽滿率，而且由于繞組所在位置等效于有效氣隙，因此減小繞組徑向厚度，有利于減小主磁路的磁阻，從而提高磁負荷及電機的推力密度.

圖3 單個圓環形繞組Fig.3 Single annular winding

1.2 虛槽繞組軸向分布因數計算

對于此類排列規整的無槽繞組，在對其分析計算時，可以合理地將單個虛槽內的繞組等分為n份，如圖4所示.

因此，如果單個虛槽對應的電角度為α，對于槽寬為bs，相間絕緣(或者骨架)寬 bi的虛槽繞組，虛槽內實際繞組所占的電角度為

圖4 單個虛槽內繞組的反電勢Fig.4 Back EMF of windings in single virtual slot

考慮到相間絕緣或非導磁這n份繞組產生的反電勢可以分別表示為它們的有效值相等，但是相位相差α'/n，即

當這n份繞組反電勢的有效值相等時，上述無槽TPMLM基波的虛槽內軸向繞組分布因數Kds，可以表示為

式中，ENN和ENk分別為繞組反電勢和第 k份繞組的反電勢的有效值.

對式(3)有兩種計算方法:

1)如果虛槽內繞組排列整齊，軸向每層導體數可以確定，且為n=M，則有

2)如果繞組散下線，可以取n→∞，對式(3)取極限，有

此外，一個極下同相的無槽圓環形線圈在不同虛槽內也存在分布特性，該分布特性與旋轉電機和平板型直線電機的相同，因此其虛槽內的繞組分布因數Kd的計算方法也同于旋轉電機和平板型直線電機.

1.3 單極性繞組和雙極性繞組

由于圓筒型永磁直線電機位于一個虛槽內的單個圓環形繞組即構成一個有效繞組元件，因此還可以采用單極性繞組，如圖5所示，與雙極性繞組由AX，B-Y，和C-Z 組成不同，它只包含A，B，C 繞組［15］.

圖5 單極性繞組結構單元電機Fig.5 Unit motor with single-polar windings

對于圓筒型永磁直線電機，單極性繞組和雙極性繞組的節距因數均為1，但是由于虛槽內軸向繞組分布因數不同，電機的繞組因數不同，當電機的極距相等時，表1列出不同相間絕緣骨架厚度時的繞組因數.

所以，對于無槽圓筒型永磁直線電機，在不影響虛槽內繞組匝數的情況下，適當增加相間絕緣骨架的厚度，對繞組因數的影響并不大.而對于有槽圓筒型永磁直線電機，上述雙極性繞組和單極性繞組的繞組因數相同.

表1 不同相間絕緣骨架厚度時的繞組因數Table 1 Winding factor of the motor with different phase insulation thickness

圖6為兩種繞組所對應的空載反電勢曲線.雙極性繞組和單極性繞組的空載反電勢基波幅值分別為40.15和33.79 V，計算結果與繞組系數計算結果相符，這也驗證了虛槽內軸向繞組分布因數的合理性.

圖6 空載反電勢波形Fig.6 No-load back EMF wave

為提高電機的推力，常選用繞組因數高的繞組方案.但是當電機極距較小時，單極性繞組的寬度是雙極性繞組的兩倍，槽數減半，繞組的繞制及接線工藝簡化，利于提高槽滿率，此時，綜合考慮繞組因數、繞組工藝、槽滿率等，單極性繞組也是一可行的繞組方案.

2 圓筒型直線作動器的實驗研究

研制了無槽圓筒型直線作動器樣機，樣機由初級組件、次級組件和支撐結構組成，采用圖2所示的繞組結構，并將樣機安裝在模擬噴管裝置上，進行了論證實驗，如圖7所示.

圖7 無槽圓筒型直線作動器樣機Fig.7 Prototype of the slot-less tubular linear actuator

對樣機進行了反電勢、推力及動態性能測試.測得的反電勢波形如圖8所示.電機的反電勢波形正弦性較好，三相繞組對稱，與有限元仿真計算結果基本相符，其峰值略低，這與動子鐵心開引線槽、加工裝配誤差等有關.

圖8 測試空載反電勢波形Fig.8 Tested no-load back EMF waves

采用壓力傳感器對電機進行靜態推力測試.在給定動子位置下，通過驅動控制器控制給定繞組電流，使三相繞組加載q軸電流，圖9為測得樣機的推力-電流曲線.從曲線中可見，計算和測量電磁推力隨電流基本相符，都呈線性變化趨勢.可見當負載變化時，作動器電樞反應較小，該作動器在負載變化大的應用中具有明顯的應用優勢.

圖9 平均推力隨相電流變化曲線Fig.9 Average thrust vs phase current

通過信號發生器給定正弦波位置信號，經直接驅動伺服控制，作動器的初級跟隨給定信號做往復直線運動，從而驅動噴管擺動.圖10為測得的單通道作動器系統位置動態響應曲線，此時作動器的動子位置圍繞零初始位置變化，幅值為±3 mm，頻率為32 Hz，從圖中可見跟蹤信號和給定信號的相角差較小，小于35°，可見系統具有良好的動態響應跟蹤性能.

圖10 單通道直線作動器的位置響應波形Fig.10 Positioning response wave of single channel linear actuator

3 結論

1)本文研究了用于作動器的無槽圓筒型直線電機的繞組分布特性，給出了其軸向繞組分布因數的兩種計算方法.

2)比較得到了考慮相間絕緣的雙極和單極繞組的繞組因數的規律，指出隨著槽絕緣寬度增加，兩種繞組的繞組因數均略有增大.

3)研制了采用無槽圓筒型直線作動器樣機，并進行了在模擬負載臺上的論證，推力測試結果表明該作動器的推力隨電流呈線性變化趨勢，電樞反應小.動態響應測試的結果表明，該圓筒型直線作動器的動態響應速度快，且跟蹤精度較高.

References)

［1］郝振洋，胡育文，黃文新.電力作動器中永磁容錯電機及其控制系統的發展［J］.航空學報，2008，29(1):65-74 Hao Zhenyang，Hu Yuwen，Huang Wenxin.Development of fault tolerant permanent magnet machine and its control system and its control system in electromechanical actuator［J］.Acta Aeronoutica et Astronautica Sinica，2008，29(1):65-74(in Chinese)

［2］郝振洋，胡育文，黃文新.電力作動器中永磁容錯電機的電感和諧波分析［J］.航空學報，2009，30(6):1063-1069 Hao Zhenyang，Hu Yuwen，Huang Wenxin.Analysis of inductance and harmonics of fault tolerant permanent magnet machine in EMA［J］.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2009，30(6):1063-1069(in Chinese)

［3］ Del Vecchio C，Riccardi A，Marignetti F.Linear motors for astronomical mirrors［C］//IEEE Industry Applications Society Annual Meeting，2008，IAS'08.Piscataway，NJ:Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc，2008:1-8

［4］崔龍，黃海.大行程Hexapod平臺及其隔振實驗［J］.北京航空航天大學學報，2010，36(6):671-675 Cui Long，Huang Hai.Large-stroke Hexapod platform and its vibration isolation test［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2010，36(6):671-675(in Chinese)

［5］崔龍，黃海.行程Hexapod隔振平臺作動器研制與性能實驗［J］.機械科學與技術，2009，28(12):1643-1647 Cui Long，Huang Hai.Design and performance test of largestroke vibration isolation for a Hexapod platform actuator［J］.Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering，2009，28(12):1643-1647(in Chinese)

［6］陳照波，呂俊超，焦映厚.音圈電機驅動的雙層主動隔振系統設計與仿真［J］.噪聲與振動控制，2012(5):26-30 Chen Zhaobo，Lü Junchao，Jiao Yinghou.Design and simulation of double-stage active vibration isolation system based on voice coil motor［J］.Noise and Vibration Control，2012(5):26-30(in Chinese)

［7］賈鵬霄.基于音圈電機的主動隔振系統研究［D］.北京:北京林業大學，2010 Jia Pengxiao.The studuy on active vibration isolation system based on voice coil motor［D］.Beijing:Beijing Forestry University，2010(in Chinese)

［8］ Seeffen B，Liu S，Paolo M.Design and control of an electromagnetic valve actuator［C］//Proceedings of the 2006 IEEE International Conference on Control Applications.New York:Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc，2006:1657-1662

［9］ Enrici P，Dumas，Matt D.Impact of the assembly constraints on a multi-air gap linear motor［C］//2012 International Conference on Electrical Machines.Washington，DC:IEEE Computer Society，2012:1322-1327

［10］ Ziegler N，Matt D，Jac J.et al.High force linear actuator for an aeronautical application.association with a fault tolerant converter［C］//International Aegean Conference on Electrical Machines and Power Electronics and Electromotion ACEMP'07 and Electromotion'07 Joint Conference.Piscataway，NJ:IEEE Computer Society，2007:76-80

［11］ Bianchi N，Bolognani S，Corte D，et al.Tubular linear permanent magnet motors:an overall comparison［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2003，39(2):466-475

［12］ Urban C，Günther R，Nagel T，et al.Development of a bendable permanent-magnet tubular linear motor［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2012，48(8):2367-2373

［13］ Bianchi N.Analytical field computation of a tubular permanentmagnet linear motor［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2000，36(5):3798-3801

［14］ Liu X，Ye Y Y，Zheng Z，et al.A novel tubular permanent magnet linear synchronous motor used for elevator door［C］//Proceeding of International Conference on Electrical Machines and Systems.Piscataway，NJ:Inst of Elec and Elec Eng Computer Society，2007:801-804

［15］ Wang J B，Wang W Y，Atallah K，et al.Design considerations for tubular flux-switching permanent magnet machines［C］//IEEE Transactions on Magnetics Piscataway，NJ:IEEE，2008，44(11):4026-4032