輔助極一體式永磁同步直線電機端部定位力抑制技術

李國銘 王 飛

（包頭長安永磁電機有限公司，包頭 014030）

永磁同步直線電機廣泛應用于半導體精密加工制造、往復式運動伺服以及提升搬運運輸等領域，特點比較顯著，其特點主要包括：構造簡單、快速響應、高精度定位以及無傳動鏈等。同時，永磁同步直線電機的使用最受限制的問題是設備的推力產生波動性，而在高速度和高精度的數控運行系統中，波動的推力會影響運行速度的穩定性，產生不需要的機械震動以及噪聲，進而影響電機的穩定性，造成其控制速度和位置的特性能力低下，使得直線電機在零部件的加工精度和定位精度方面，性能變差。因此，找到這種推力波動的產生原因和解決辦法，決定著同步直線電機的實際價值。

1 端部定位力的研究概述

推力發生波動是影響永磁同步直線電機運行性能的主要問題，而端部定位力則是導致推力波動的根本原因。所謂端部定位力，就是特指在電機空載運行的狀態下，電機內永磁體形成的磁場要和鐵心電樞齒槽的端部發生相互電磁作用，而形成電磁阻力，這就是齒槽以及端部的定位力。齒槽定位力要和電機旋轉的定位齒槽轉矩形成機理一致，一般情況下，能夠采用的方法就是通過同步旋轉直線電機的定位齒槽轉矩來降低電機定位力，即錯極處理、斜極處理，或半封口槽處理等。直線電機端部形成的定位力是其特定定位力，因為電機初級鐵心在縱向有端部的影響才會形成，其也是本文重點研究的內容。

目前，永磁同步直線電機的端部定位力抑制和補償技術的研究，一直是國內外該領域學者關注的重點，研究主要集中在如下方向：一是改良初級鐵心的合理長度，二是改良初級鐵心端部的設計形狀，三是整合初級多個端部，四是對初級鐵心的外側添加齒的個數，五是提高輔助極的個數等。這些研究對于端部定位力的抑制有一定效果，也存在一些問題。而本文借助上述抑制方法研究的成果，進一步提出輔助極一體式永磁同步直線電機的設計理念，該設計方案特點明顯，如電機結構材料機械強度高、電機端部形成的定位力小、制造加工工藝簡單。

筆者運用側向力研究的方法，創建輔助極一體式永磁同步直線電機端部定位力的數學分析模擬模型，并獲得最優配置的輔助極位置以及輔助極寬度的數學函數表達式，通過有限元分析法驗證了理論計算和分析的結果，并進一步對直線電機的個數、存在的氣隙體狀長度和極間距離對端部定位力的影響規律，進行深入的分析。

2 輔助極一體式永磁同步直線電機端部定位力抑制技術研究

2.1 永磁同步直線電機的結構特征

過去采用的永磁同步直線電機端部定位力抑制方案，通常會借助沒有導磁特性的鋁制板把電機的初級鐵心和輔助極連接。該設計方案導致電機動子的設計結構非常復雜，造成裝配時的大誤差，電機整體的運行可靠性難以保證。如果將直線電機中的初級鐵心與輔助極直接整合成一個固定結構，該處理的結果使得電機的結構設計更為簡單，同時電機的各部件機械強度明顯提升，而運行的穩定性和使用壽命都會有顯著改善。這種設計不但延續了輔助極設計方案的諸多優點，而且彌補其存在的一些不足。與改良電機側邊端齒個數等方案比較，輔助極設計方案需要電機動子在縱向增加長度，而這對于其適用場合的選擇，也是一個限制因素。

2.2 輔助極對于直線電機端部定位力的抑制機理

電機的輔助極含兩個不同的端面，這一點和初級鐵心的情況基本相似，而電機的輔助極也能和永磁體次級形成的磁場發生相互作用形成端部定位力，同時，此時的端部定位力也是線圈初始位置關于時間周期T的函數。在分析過程中，人們可以忽略電磁諧波的干擾影響，從而得到電機端部定位力相對于隨初始位置依照正弦函數的變化曲線，并保持相應的幅值以及相位。采取改良輔助極寬度和高度的方式，能影響輔助極端部定位力的實際幅值，促使其端部定位力保持和初級鐵心幅值一致。此外，人們可以借助改良輔助極的初始位置來調整電機輔助極的端部定位力函數曲線的相位，令初級鐵心端部定位力與輔助極的相位差滿足180°的條件，這樣就會抵消相互的作用，能夠抑制直線電機端部定位力的影響。

2.3 電機端部定位力數學解析

磁性材料在磁場中會受到力的作用，而作用力的大小主要受磁場磁導率影響。如果鐵心材料內磁導率設為恒定，那么磁導材料不會形成作用力。但是，鐵心兩側的端面是磁性介質與外部環境接觸的界面，因此磁導率有一個突然的變化，導致初級鐵心的兩側端面會形成作用力，該作用力就是電機鐵心的端部定位力。實際電機鐵心端部受力的計算公式為：

式中，B為垂直于鐵心端面的磁通密度分量；μ為材料真空狀態下的磁導率。

電機采用輔助極的設計方案，其端部定位力的分析與前述的初級鐵心解析過程基本一致。電機中每個輔助極都包含兩個端面，且輔助極采用的制造材料與初級鐵心保持一致，即材料的電磁學屬性沒有任何差別，所以，這兩個構造的端部定位力的數學表達式也完全保持一致。

對于輔助極一體式永磁同步直線電機來說，其內部動子主要由輔助極與初級鐵心構成，并借助隔磁橋進行物理連接。按照設計預設前提條件，電機的動子端部定位力要等于輔助極與初級鐵心端部定位力二力相加的合力。電機的動子端部定位力會按照其位置發生周期性的變化，而周期大小取值等于一個間距T，初級鐵心端部定位力的幅值是電機輔助極寬度、位置和高度的函數。所以，人們可以設計適合的結構參數，確保電機端部定位力的幅值因抵消而為零，從而實現端部定位力抑制的設計目標。

設定初級鐵心與輔助極高度等高，就能使初級鐵心與輔助極的氣隙磁通密度保持一致。該情況下，電機端部定位力的函數波形幅值為零，輔助極寬度會產生多個最優值，如果端部定位力的抑制效果不變，通常會選擇最小寬度設計的輔助極配置方案。

3 結語

永磁同步直線電機端部定位力的抑制，對于該電機的使用性能和應用領域有著極大的影響。輔助極一體式端部定位力抑制技術是最近才被挖掘出來的解決方案，前景廣闊。理論推導和實踐應用證明，其擁有非常重要的意義和實用價值，值得大力推廣和應用。