作者及團(tuán)隊介紹

司紀(jì)凱，工學(xué)博士，鄭州大學(xué)特聘教授/博導(dǎo)、河南省教育廳學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人，科技部評審專家、河南省中小型企業(yè)評審專家等。現(xiàn)擔(dān)任鄭州市機(jī)器人驅(qū)動與控制重點實驗室主任及鄭州市協(xié)同創(chuàng)新專項的負(fù)責(zé)人。擔(dān)任IEEE PES中國區(qū)電動汽車電驅(qū)動技術(shù)分委會委員，中國工業(yè)節(jié)能與清潔生產(chǎn)協(xié)會綠色電機(jī)系統(tǒng)專業(yè)委員會。

嚴(yán)作光，碩士研究生，主要研究方向為圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)的設(shè)計及其優(yōu)化。

聶瑞，博士后，主要研究方向為特種電機(jī)的設(shè)計及其控制。

徐帥，鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院講師，博士，主要研究方向為電動汽車和智能制造用先進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)研究。

董亮輝，鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院講師，博士，主要研究方向為電機(jī)驅(qū)動控制、電機(jī)系統(tǒng)的故障診斷和容錯控制、電力電子變換技術(shù)。

鄭州大學(xué)“先進(jìn)電磁驅(qū)動及控制科研中心”團(tuán)隊，以司紀(jì)凱教授為學(xué)術(shù)帶頭人，目前共有成員20人，其中高級職稱8人，博士2人，碩士10人。

團(tuán)隊研究基礎(chǔ)扎實，成果顯著，勇于創(chuàng)新。近年來，團(tuán)隊已在本學(xué)科前沿和相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了卓有成效的工作，先后得到國家自然科學(xué)基金、教育部博士點專項基金等省部級、市廳級科研課題及相關(guān)企業(yè)的資助，積淀了豐富的研究方法和經(jīng)驗，取得了多項前期研究成果。

團(tuán)隊始終堅持以“瞄準(zhǔn)基礎(chǔ)研究前沿方向，突出原創(chuàng)性研究；面向工程，實現(xiàn)技術(shù)和集成創(chuàng)新”為指導(dǎo)思想。近年來，已形成了新型高效節(jié)能永磁同步電機(jī)理論及控制技術(shù)、高效節(jié)能永磁同步電機(jī)驅(qū)動機(jī)器人技術(shù)、兩自由度直驅(qū)電機(jī)理論及控制技術(shù)等三個穩(wěn)定的特色研究方向。

本文提出了一種適用于圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)的三相120°相帶環(huán)形繞組，該繞組方式可以有效地提高發(fā)電機(jī)的功率密度。然而，該三相120°相帶環(huán)形繞組圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)也存在著定位力問題，這將引起發(fā)電機(jī)的振蕩甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。

 

為解決此問題，本文建立了此發(fā)電機(jī)定位力解析模型，探究結(jié)構(gòu)參數(shù)對定位力的影響。以降低定位力為目標(biāo)，采用輔助齒、半開口槽、Halbach永磁體等優(yōu)化措施，結(jié)合田口法對該電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，在保證輸出功率不變的前提下，最大限度地降低定位力。

研究背景

直驅(qū)式波浪能發(fā)電系統(tǒng)無齒輪、液壓系統(tǒng)等中間轉(zhuǎn)換裝置，直接與發(fā)電機(jī)構(gòu)相連，具有結(jié)構(gòu)簡單、能量轉(zhuǎn)換效率高、易于維護(hù)等優(yōu)點，在波浪能的開發(fā)利用中得到了廣泛的應(yīng)用。

圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)對稱，無徑向電磁力，且其整個環(huán)形繞組都為有效邊，無繞組端部，繞組利用率相對較高，因此成為直驅(qū)式波浪能發(fā)電系統(tǒng)的首選電機(jī)。但是圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)存在定位力問題，如何在不損失輸出功率的前提下，最大限度地降低定位力是該電機(jī)開發(fā)利用的難點之一。

論文所解決的問題及意義

本文針對120°相帶環(huán)形繞組圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)存在的定位力問題，通過建立該電機(jī)定位力解析模型，探究了各結(jié)構(gòu)參數(shù)對定位力的影響，找出對定位力影響較大的結(jié)構(gòu)參數(shù)。然后以這些參數(shù)為優(yōu)化變量，采用田口法對電機(jī)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，該方法能在不損失輸出功率的情況下，最大限度地降低電機(jī)定位力。

論文方法及創(chuàng)新點

針對120°相帶環(huán)形繞組圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)存在的定位力問題，本文研究了電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)與定位力的關(guān)系，建立二者之間的解析模型。在此基礎(chǔ)上，以降低定位力為目標(biāo)，采用輔助齒、半開口槽、Halbach永磁體等優(yōu)化措施，結(jié)合田口法對該電機(jī)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，使其定位力得到極大地降低。

圖1 優(yōu)化流程圖

結(jié)論

文章分析了120°相帶環(huán)形繞組圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)（定子鐵心長度、極弧系數(shù)、槽肩寬度、定子齒寬和氣隙長度）對定位力的影響。根據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合田口方法對該發(fā)電機(jī)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，使其在輸出功率基本不變的情況下，定位力明顯降低，得到了電機(jī)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

引用本文

司紀(jì)凱， 嚴(yán)作光， 聶瑞， 徐帥， 董亮輝. 120°相帶環(huán)形繞組圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)定位力降低的優(yōu)化設(shè)計[J]. 電工技術(shù)學(xué)報， 2021, 36(6): 1138-1148. Si Jikai, Yan Zuoguang, Nie Rui, Xu Shuai, Dong Lianghui. Optimal Design of a Tubular Permanent Magnet Linear Generator with 120°Phase Belt Toroidal Windings for Detent Force Reduction. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(6): 1138-1148.