- 頭條科研展望：初級勵磁型永磁直線電機的研究進展及未來發展方向2022-01-17 作者：沈燚明 盧琴芬 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語浙江大學電氣工程學院的研究人員沈燚明、盧琴芬，在2021年第11期《電工技術學報》上撰文，針對初級勵磁型永磁直線電機，回顧并總結了國內外相關研究的技術現狀和發展趨勢。
隨著我國國民經濟的高速發展和制造強國戰略的深入部署，高性能電機系統成為裝備制造業向高端化發展的關鍵與核心。在直驅式直線運動領域，永磁直線電機（Permanent Magnet Linear Machines，PMLM）集成了永磁電機與直線電機的特性，具有高推力密度、高效率、高精度和高可靠性等顯著優點，目前廣泛應用于高檔數控機床、極大規模集成電路制造裝備、3C產品制造裝備、高速物流系統與無繩電梯等領域。
傳統永磁直線電機電樞與磁極分別在動、定子兩側，可分為具有高推力密度的有鐵心結構和高動態響應的無鐵心結構。針對高精度應用場合的直線伺服系統領域，傳統永磁直線電機已在工業界得到了廣泛的應用。目前，國內外知名的供應商有德國Siemens、美國Kollmorgen、荷蘭Tecnotion、瑞士ETEL、日本Yaskawa、新加坡Akribis、深圳大族和廣州數控等公司。
在工業界廣泛應用的同時，傳統永磁直線電機面臨著兩大問題：①磁極需面貼于次級全行程范圍，永磁體用量大且成本高；②次級帶有強磁性，需要額外安裝隔磁防護裝置。隨著長行程直驅式應用領域的不斷拓展，上述兩大問題越發突出，工業界急需具有高推力密度和低成本的永磁直線電機新拓撲結構。
近年來，初級勵磁型永磁直線電機成為直線電機領域的一大熱點，逐步得到了深入的研究。顧名思義，初級勵磁型永磁直線電機將電樞和磁極均放置于初級側，次級僅由鐵心構成，且通常是短初級長次級結構。在長行程應用時，永磁體僅位于短初級側而無需面貼于次級全行程范圍，用量與成本均大幅降低。同時，次級在全行程范圍內不再具有強磁性，無需額外安裝隔磁防護裝置，可以應用的領域得到大幅擴展。
由此可見，初級勵磁型永磁直線電機相比于傳統永磁直線電機具有獨特的性能與成本優勢，在長行程直驅式直線運動領域，如長行程直線伺服系統、高速物流系統和高速無繩電梯等，具有很高的研究價值和廣闊的應用前景。
浙江大學電氣工程學院的研究人員沈燚明、盧琴芬，在2021年第11期《電工技術學報》上撰文，針對初級勵磁型永磁直線電機，回顧并總結了國內外相關研究的技術現狀和發展趨勢。
他們研究認為，初級勵磁型永磁直線電機相比于傳統永磁直線電機具有更加豐富的拓撲結構，各拓撲結構各有優缺點，從推力密度、鐵心飽和度、結構簡易度與可靠性、退磁風險等幾個方面對各類初級勵磁型永磁直線電機的綜合性能進行比較：
（1）推力密度
推力密度的定義有多種，常用的主要有單位體積下的推力和單位永磁下的推力。按照單位體積下的推力進行比較，初級勵磁型永磁直線電機的推力密度仍不如傳統永磁直線電機，其約為后者的60%~80%；而按照單位永磁下的推力進行比較，則初級勵磁型永磁直線電機遠高于傳統永磁直線電機，并且隨著行程的增加優勢更加明顯。在各類初級勵磁型永磁直線電機中，磁通切換型、磁通反向型和游標型永磁直線電機具有較高的推力密度。
（2）鐵心飽和度
由于永磁體與電樞繞組同時位于初級側，初級勵磁型永磁直線電機相比于傳統永磁直線電機更容易飽和，因而在設計時需要綜合考慮推力密度與過載能力，以便選取合適的永磁體尺寸。
（3）結構簡易度與可靠性
對于磁通反向型、游標型和槽口永磁型永磁直線電機，其初級鐵心為整體結構，永磁體以表貼的形式固定在鐵芯上，結構簡單且容易裝配，可靠性較高；而對于磁通切換型、磁通偏置型和初級分裂型永磁直線電機，初級鐵心模塊化分立，結構較為復雜且裝配困難，可靠性較低。
（4）退磁風險
磁通切換型和槽口永磁型永磁直線電機以并聯勵磁形式存在，電樞磁場不經過永磁體，因而退磁風險較低；磁通反向型、游標型和磁通偏置型永磁直線電機以串聯勵磁形式存在，電樞磁場需要經過永磁體，因而存在大規模退磁的風險，需要采用較高工作溫度的永磁體牌號如SH、UH等。
另外，研究人員指出磁通反向型、游標型永磁直線電機及其交替極結構更具有綜合性能優勢，值得關注并進一步深入研究，以下給出幾個潛在的研究方向供探討：
（1）拓撲結構優化
對于磁通反向型和游標型永磁直線電機，各永磁體間漏磁較多，交替極結構雖可以減小部分漏磁，但漏磁問題仍較為突出，需要在拓撲結構上進一步優化以減小漏磁并提高推力密度。
（2）多物理場作用下電機系統電磁參數時變規律
初級勵磁型永磁直線電機氣隙磁場相比傳統永磁直線電機具有更多的諧波，在非理想激勵及多物理場耦合工況下電磁參數的變化規律更為復雜。為了提高控制精度，需要探明多物理場耦合作用下電機系統關鍵電磁參數時變特征，進一步還原電磁參數與電機運行狀態間的映射關系。
（3）高性能控制策略
初級勵磁型永磁直線電機本質上是一類諧波電機，相比于傳統永磁直線電機這類基波電機，其氣隙磁場諧波豐富，但定位力及推力波動較大，在伺服領域應用時，需要采取額外的控制策略補償定位力及推力波動。因此，初級勵磁型永磁直線電機高性能控制需要從諧波電機的電磁參數出發，建立電機系統電磁、變流、控制及負載參數間的動態耦合模型，提高電機系統整體性能。
研究人員最后總結指出，初級勵磁型永磁直線電機研究尚有諸多關鍵技術需要突破，主要有以下幾個方面：
1）新型高推力密度拓撲結構及優化設計是初級勵磁型永磁直線電機研究和進一步發展的重要基礎。
初級勵磁型永磁直線電機拓撲結構雖然豐富，但其核心的單位體積推力密度指標與傳統永磁直線電機相比仍有一定距離。因此，需要深刻理解并充分利用初級勵磁型永磁直線電機氣隙磁場多諧波的特點，構造具有更高推力密度的拓撲結構。
2）寬禁帶電力電子器件及其功率變換技術的發展為初級勵磁型永磁直線電機的高性能控制帶來新的手段。
初級勵磁型永磁直線電機本質上是一類雙凸極結構的諧波電機，相比于傳統永磁直線電機這類基波電機，其氣隙磁場諧波豐富，但定位力及推力波動較大，在應用于高精度伺服領域時，需要采取額外的高性能控制策略用于補償定位力及推力波動。
3）實際工業應用背景下的系統綜合問題。
初級勵磁型永磁直線電機最有潛力應用于長行程直線運動領域，如長行程直線伺服系統、高速物流系統和高速無繩電梯等。因此，長行程下電機系統的初級無線纜供電、無位置傳感器控制、多電機協同控制運行等系統綜合問題需要重點突破。
本文編自2021年第11期《電工技術學報》，論文標題為“初級勵磁型永磁直線電機研究現狀與展望”，作者為浙江大學電氣工程學院的沈燚明、盧琴芬。
