浙江大學(xué)蔣錢、盧琴芬 等：雙三相永磁直線電機(jī)的推力波動(dòng)及抑制

原創(chuàng)2021-04-29 06:58:00·電氣技術(shù)

團(tuán)隊(duì)介紹

盧琴芬，教授，博士。主要研究電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)控制及應(yīng)用技術(shù)，包括各種直線電機(jī)及新型永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以及牽引供電系統(tǒng)仿真技術(shù)及電機(jī)故障診斷。是中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)直線電機(jī)專業(yè)委員會(huì)副主任委員兼秘書長。發(fā)表各類學(xué)術(shù)論文150余篇（SCI論文39篇），授權(quán)發(fā)明專利23項(xiàng)（3項(xiàng)已經(jīng)轉(zhuǎn)讓），入選浙江省151人才工程第二層次培養(yǎng)人員,IET Fellow, IEEE高級(jí)會(huì)員。

李焱鑫，特聘副研究員，博士。IEEE會(huì)員，IEEE Industry Applications Society會(huì)員，IEEE Magnetics Society會(huì)員。

本文基于有限元模型，分析了雙三相永磁直線同步電機(jī)的推力波動(dòng)，其包括了兩個(gè)由于直線結(jié)構(gòu)引起的分量，一個(gè)分量是由鐵芯開斷引起的磁路不對(duì)稱所產(chǎn)生，另一個(gè)分量由繞組空間位置不對(duì)稱引起的電感不對(duì)稱所產(chǎn)生。針對(duì)前者，采用了優(yōu)化鐵芯邊端齒的方法來抑制；針對(duì)后者，則提出了不等匝數(shù)繞組結(jié)構(gòu)來抑制，并通過優(yōu)化得出了性能最佳的匝數(shù)配合。

研究背景

雙三相電機(jī)比三相電機(jī)降低了電源的要求，可以采用更低電壓標(biāo)準(zhǔn)的功率器件，系統(tǒng)的容錯(cuò)性好；磁動(dòng)勢(shì)及反電動(dòng)勢(shì)波形大大改善；電機(jī)推力波動(dòng)明顯降低。因此研究雙三相永磁直線電機(jī)非常重要。然而，在直線電機(jī)中存在著由鐵芯不連續(xù)結(jié)構(gòu)引起的邊端效應(yīng)和繞組開斷引起的各相互感不對(duì)稱等現(xiàn)象,因此在推力中存在特定頻率的推力波動(dòng)，降低了推力的平穩(wěn)性。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

在結(jié)構(gòu)上，A1相與C2相位于兩端端部，因此改變這兩相繞組的匝數(shù)，就能夠使這兩者電感與其余四相趨于平衡，稱為不等匝數(shù)結(jié)構(gòu)。改變繞組匝數(shù)固然也會(huì)使與A1、C2耦合的相互感減小，然而互感的數(shù)值遠(yuǎn)小于自感，所以A1、C2匝數(shù)的稍微改變對(duì)互感的影響可以忽略不計(jì)。

理論上來講，雙三相電機(jī)中六相繞組都可以改變?cè)褦?shù)，達(dá)到最優(yōu)的匝數(shù)值，然而6個(gè)參數(shù)的計(jì)算比較復(fù)雜，所以要考慮減少參數(shù)。由繞組結(jié)構(gòu)分析可得最需要調(diào)整是兩端相自感是A1和C2相，由圖1電機(jī)模型可以看出，B1和B2相在電機(jī)的中間位置，保持190匝不變，先考慮優(yōu)化A1、A2、C1和C2相的繞組匝數(shù)。取得最優(yōu)值，再去調(diào)校B1和B2相的繞組匝數(shù)，分組優(yōu)化繞組匝數(shù)，降低計(jì)算難度。

通過有限元計(jì)算，A1、A2、C1、C2相匝數(shù)的優(yōu)化結(jié)果如圖1所示，當(dāng)A1、A2、C1、C2相線圈匝數(shù)分別等于188，189，186和187時(shí)，電機(jī)的推力波動(dòng)最小，然后再去調(diào)校B1、B2相的繞組匝數(shù)。

圖1

圖2

同樣，B1、B2相匝數(shù)的優(yōu)化結(jié)果如圖2所示，當(dāng)B1、B2相繞組匝數(shù)分別等于190和188，此時(shí)電機(jī)的推力波動(dòng)為2.43%，電機(jī)推力為304.4N。因此，通過端部優(yōu)化與采用不等匝數(shù)繞組結(jié)構(gòu)，該直線電機(jī)的推力波動(dòng)明顯下降。

試驗(yàn)基于邊端齒相同的常規(guī)結(jié)構(gòu)樣機(jī)展開，因?yàn)樵摌訖C(jī)鐵芯采用自鉚接結(jié)構(gòu)，加工精度高，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，能夠驗(yàn)證分析模型的準(zhǔn)確性。測(cè)試平臺(tái)如圖3所示，樣機(jī)由一臺(tái)空心線圈永磁直線電機(jī)拖動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)，采用空心線圈永磁直線電機(jī)是因?yàn)槠洳淮嬖邶X槽力，推力波動(dòng)小，速度平穩(wěn)性好，不會(huì)給測(cè)試結(jié)果帶來誤差。

圖3 樣機(jī)測(cè)試

圖4 樣機(jī)仿真和測(cè)試結(jié)果比較

圖4顯示了樣機(jī)的測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比，顯然定位力和反電勢(shì)的波形吻合度較好，證明了前述仿真模型與仿真結(jié)果的正確性。

結(jié)論

文章針對(duì)繞組空間位置排布不對(duì)稱引起的自感不對(duì)稱：通過采用改變相電感的方法，使原本不對(duì)稱的電感趨于對(duì)稱。相比自感，互感很小，可以忽略互感不對(duì)稱的影響。在不考慮飽和的情況下，由于電機(jī)的自感正比于匝數(shù)平方，采用了不等匝數(shù)結(jié)構(gòu)來改變自感。基于有限元進(jìn)行了匝數(shù)優(yōu)化得到最佳的匝數(shù)分配。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)負(fù)載推力波動(dòng)峰峰值下降23%，推力波動(dòng)下降了30.7%。

引用本文

蔣錢, 盧琴芬, 李焱鑫. 雙三相永磁直線同步電機(jī)的推力波動(dòng)及抑制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(5): 883-892. Jiang Qian, Lu Qinfen, Li Yanxin. Thrust Ripple and Depression Method of Dual Three-Phase Permanent Magnet Linear Synchronous Motors. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(5): 883-892.