磁通切换型永磁直线电机

发布于：2022-12-04 17:22:04 来自：电气工程/成套电气设备 [复制转发]

知识点：直线电机

初级励磁型永磁直线电机是从传统永磁直线电机衍生而来的一类新型特种电机，具有高推力密度、高效率、高精度和高可靠性等优点。在长行程直驱式直线运动领域，该类电机有其独特的性能与成本优势，具有很高的研究价值和广阔的应用前景。初级励磁型永磁直线电机从空间结构来看，可分为单边型、双边型和圆筒型三种结构；从励磁方式来看，主要有永磁励磁和混合励磁两种方式；从磁场分布来看，可分为纵向磁通和横向磁通。

磁通切换型永磁直线电机（Switched-Flux 永磁直线电机，SF永磁直线电机）作为一种典型的双凸极直线电机，已成为直线电机研究领域的一大热点，其典型拓扑结构如图1所示。

2008年，英国谢菲尔德大学的Z. Q. Zhu教授首次提出SF永磁直线电机，并对不同槽极配合及绕组结构进行了对比分析。同年，浙江大学的沈建新教授也对SF永磁直线电机展开了研究，并利用次级斜极的方法减小定位力。此后，越来越多的学者对SF永磁直线电机展开深入的研究，主要集中在新型拓扑结构研究方面。

图1 磁通切换型永磁直线电机典型拓扑

1 少永磁结构：

有学者在传统U型结构的基础上，提出了C型和E型新结构以减少一半的永磁用量。研究表明，相同损耗下C型结构可比传统U型结构提高约10%~20%的推力；E型结构中的容错齿有效降低了相间互感，适合模块化容错运行。有学者进一步对初级奇数槽下的C型和E型新结构进行了深入研究，结果显示，奇数槽下可选槽极配合更多，且同样可提高电机推力密度及容错性能。

有学者提出了多齿型结构用于进一步提高电机推力密度并降低永磁用量，其结构如图2所示。研究表明，电负荷较低时多齿型结构可明显提高推力密度，但电负荷较高时，其功率因数较低且非常容易饱和，过载能力较弱。

图2 多齿型结构SF永磁直线电机

2 圆筒型及双边型结构

圆筒型及双边型结构可以消除不平衡单边法向力的影响，且在减小定位力及推力波动、提高推力密度等方面更具优势。

有学者利用传统U型铁心的外电枢结构，提出了一种圆筒型SF永磁直线电机，如图3所示。在此基础上，采用模块化E型铁心及隔磁桥结构，可以提高圆筒型SF永磁直线电机的容错能力。此外，有学者提出了一种采用单相圆筒型SF永磁直线电机的直线振荡电机。总体而言，圆筒型SF永磁直线电机结构复杂，加工及装配困难，实际应用时较少采用。

图3 圆筒型结构SF永磁直线电机

有学者提出了一种初级无轭部双边型SF永磁直线电机，如图4所示。研究表明，该结构可以有效减少轭部漏磁并提高永磁体利用率，同体积下推力密度可提高约50%。有学者进一步提出了一种双永磁结构的初级无轭部双边型SF永磁直线电机。结果显示，该电机在同体积下推力密度可提高约80%，特别适合用作有限空间内的力电机。

与此同时，有学者提出了一种多齿型结构的初级无轭部双边型SF永磁直线电机，如图5所示。研究表明，去掉初级轭部并采用多齿结构后，定位力及推力波动可大幅减小，相同推力密度下永磁用量减少约30%，但是电负荷较高时非常容易饱和。此外，还有一些双边型结构以次级轭部作为对称轴，且次级通常作为短动子运动，可应用于电磁弹射等领域。

图4 初级无轭部双边型SF电机

图5 多齿型的初级无轭部双边型SF电机

3 模块化容错结构

有学者在传统U型结构基础上，利用磁障将相邻两相磁路隔离，提出了一种模块化容错型SF永磁直线电机，如图6所示。该电机具有相间互感小、容错能力强、永磁用量小等优点。在此基础上，有学者提出了磁路互补模块化容错型SF永磁直线电机，

如图8所示。磁路互补的目的是追求各模块合成反动势正弦度更好及合成定位力最小。此外，还有一些去掉磁障且各相独立的模块化容错型SF永磁直线电机。

图6 模块化容错型SF永磁直线电机

图7 磁路互补模块化容错型SF电机

4 混合励磁结构

为了增强气隙磁场的调节能力，电励磁作为补充励磁源的混合励磁方式常被采用，主要有串联励磁和并联励磁两种形式。有学者提出了一种串联混合励磁SF永磁直线电机，其中直流励磁绕组位于靠近气隙的电枢分裂齿内，如图8所示。结果显示，当直流励磁在±15 A/mm2范围内调节时，气隙磁场调节范围扩大至+45%~-53%。

有学者提出了一种励磁绕组位于轭部的并联混合励磁SF永磁直线电机，如图9所示。有学者以E型结构为基础，在E型铁心中间的容错齿上添加直流励磁绕组，构成并联混合励磁。

图8 串联混合励磁SF永磁直线电机

图9 并联混合励磁型SF永磁直线电机

5 边端效应削弱与优化

受初级铁心开断的影响，直线电机存在边端力及三相不平衡问题。因此，在本体设计中常采用先进的优化算法对电机各尺寸进行全局优化，并利用其他辅助方法削弱边端效应。

有学者提出了一种利用边端辅助齿来削弱推力波动中端部效应的方法。针对推力波动中齿槽效应成分，可以采用次级铁心斜极或分段错位、齿顶表面开槽或圆弧倒角、大小齿匹配等方式进行削弱。有学者提出了一种带补偿绕组及永磁体的边端辅助齿新结构，如图10所示。通过分析空载定位力及负载推力波动主要谐波成分，并在补偿绕组中反向注入谐波电流，可以消除主要谐波成分的影响并提供更加平稳的推力。该方法为削弱边端效应提供了新思路。