三种不同充磁方式圆筒型永磁直线电机气隙磁场研究*

黄克峰，李槐树，周羽，张正勇

(1海军工程大学，湖北武汉 430033;2海军91999部队，山东青岛 266001)

0 引言

圆筒型永磁直线电机(TPMLM)在结构上取消了传动机构，既简化了系统结构又减少了机械损耗提高了效率，同时具有体积小、结构灵活多变、易于调节和控制、以及无横向边端效应等优点，已经在直驱式驱动领域得到了越来越广泛的应用[1]。

在TPMLM中定子的变化主要集中在槽的个数、形状、大小和齿距，而动子的变化主要在极数、极距、极弧系数和永磁体的充磁方式。本文主要是从动子结构的不同来分析几类结构的电机。在TPMLM中比较常见的动子结构通常有三种，即轴向充磁结构、径向充磁结构和Halbach结构，如图1所示。不同充磁方式具有不同的特点，应用场合也不一样。径向充磁动子结构主要应用在平板型永磁直线电机，而轴向充磁动子结构和Halbach充磁动子结构应用的场合比较广泛，在不同类型的永磁直线电机都有应用。

Jiabin Wang等人基于麦克斯韦磁场方程推导出了解析计算三种不同充磁方式的气隙磁场解析表达式[2-5];Nicola Bianchi等人利用等效磁阻的方法分析了TPMLM的气隙磁密以及极槽关系[6，7]。他们都是得出了气隙磁密的解析公式没有进一步去分析结构参数的变化会对气隙磁场有何影响。本文利用有限元分析软件Ansys对三种充磁方式动子结构的TPMLM进行二维有限元仿真分析。首先比较了在所有结构参数都一样时三种充磁方式TPMLM的无槽和开槽的气隙磁密大小、波形以及正弦度，得出三种电机的特点，为电机设计提供理论依据。在此基础上再分别讨论了三种充磁方式下气隙磁密大小在改变极弧系数、永磁体厚度和气隙大小等结构的变化规律，得出了如何能够获得较大的气隙磁密进而得出较大的推力以及如何消除推力脉动的一些思路[8，9]。

图1 TPMLM三种动子结构

1 TPMLM的结构和原理

永磁直线电机其实是从永磁旋转电机演变过来的，该类电机的原理、分析方法和永磁旋转电机类似。把永磁旋转电机沿径向剖开拉直，就能够得到平板型永磁直线电机，再将平板型电机的扁平部分卷绕起来使其与磁场运动方向平行，就得到了圆筒型永磁直线电机。圆筒型永磁直线电机主要由以下五部分结构组成:不锈钢轴、动子铁心、永磁体、定子铁心、不锈钢外壳。TPMLM的结构示意图如图2所示。

图2 TPMLM结构示意图

TPMLM的磁路无论哪种充磁方式都是由永磁体产生，经过动子铁心、气隙到达定子铁心，再从定子铁心出发经过气隙到达动子铁心最后进入永磁体。当动子永磁体产生的磁场和定子绕组电流产生的磁场相互作用时，将会产生轴向推力使动子运动。只要有效地控制绕组中电流大小和方向就可以使得TPMLM按照需要做往复运动。

2 三种充磁方式TPMLM气隙磁场对比

TPMLM的定子结构可以分为无槽和有槽两种。无槽电机出力较小、推力脉动也小。有槽电机虽然比无槽电机出力要大，但是推力脉动也大[8]。下面通过Ansys仿真分析三种动子无槽和有槽电机的气隙磁场磁密大小和波形。

2.1 无槽TPMLM气隙磁场分析

要对三种充磁方式电机的气隙磁密进行对比分析，就必须使得三种充磁方式的电机除了充磁方式不一样，其他的结构参数必须保持一致，电机的结构参数如表1所示。

表1 TPMLM结构参数

无槽TPMLM的气隙磁密波形和FFT结果如图3、图4所示。

图3 不同充磁方向定子表面气隙磁密对比

图4 三种充磁方式无槽的气隙磁密基波和谐波分布

从图中可以看出轴向充磁方式的气隙磁密和基波幅值最大，谐波量少;Halbach充磁方式的气隙磁密大小和基波与轴向充磁方式很接近，谐波分量最小;而径向充磁方式的气隙磁密较小，只是接近于轴向充磁方式的一半，基波也较小，谐波分量最大。

2.2 有槽TPMLM气隙磁场分析

对TPMLM开槽之后的气隙磁场磁密进行对比，在表1的结构参数基础上必须加上一些其它参数:极数p=10、槽数z=9、槽口宽b=6mm和槽型为半闭口槽等结构参数。三种充磁方式有槽TPMLM的气隙磁密波形和FFT分析结果如图5、图6所示。

图5 不同充磁方向定子表面气隙磁密对比

图6 三种充磁方式有槽的气隙磁密基波和谐波分布

从图5和图6中可以看出:由于极和槽的最大公约数为1，三种充磁方式的气隙磁密谐波分量为10的整数倍次，这样大大降低了谐波量;轴向充磁的永磁体结构气隙磁密大且波形好;径向充磁的永磁体结构波形好但和相同情况的轴向充磁结构相比气隙磁密偏小;Halbach永磁体结构方式的气隙磁密大小介于轴向充磁和径向充磁结构之间，但是由于Halbach永磁体结构方式可以看成是轴向充磁和径向充磁的组合，故由于这两种充磁方式的调节作用使得从图6中可以看出Halbach永磁体结构方式基波含量高，谐波少。综合三者的情况可以得出轴向充磁方式的永磁体结构虽然在性能上相比Halbach永磁体结构方式有小小的劣势，但是从永磁体的使用情况和性价比等因数综合考虑轴向充磁在损失一部分性能的情况下占优，再把优化极距大小和永磁体轴向充磁长度两者进行匹配，可以得到一个理想的推力输出能力，而且该种充磁方式结构简单便于制造。

3 结构参数对电机气隙磁场的影响

在分析有槽圆筒型永磁直线电机的基础上，进一步分析电机的极弧系数、永磁体厚度和气隙大小对三种圆筒型永磁直线电机气隙磁场的影响。

3.1 极弧系数对电机气隙磁场的影响

其它参数不变的情况下改变TPMLM的极弧系数，分析三种圆筒型永磁直线电机气隙磁场随极弧系数变化的变化规律。极弧系数对三种充磁方式的气隙磁密影响如图7所示。

图7 气隙磁密大小随极弧系数变化规律

从图7中可以看出:(1)极弧系数的变化对轴向充磁方式影响较大，随着极弧系数增大气隙磁密急剧减小，几乎成线性变化趋势;Habalch充磁方式气隙磁密随着极弧系数的增大先缓慢减小再加速减小;径向充磁方式的气隙磁密随着极弧系数的增大始终只是缓慢减小。(2)Habalch充磁方式气隙磁密先出现轴向充磁的变化趋势后出现径向充磁的变化趋势的原因在于:在极弧小于0.75时，轴向方向充磁占主导作用;在极弧系数大于0.75时，径向方向占主导作用。(3)取不同的极弧系数时Habalch充磁方式始终处于较大的气隙磁密。

3.2 永磁体厚度对气隙磁场的影响

同样，其他参数不变，改变TPMLM的永磁体厚度，分析三种圆筒型永磁直线电机气隙磁场随永磁体厚度变化的变化规律。

在不锈钢轴半径为0.03m、永磁体厚度与动子内径的比值为0.1-0.5时，对三种充磁方式的气隙磁密大小影响的规律如图8所示。

图8 气隙磁密大小随着永磁体厚度变化规律

从图8中可以看出:(1)在永磁体厚度较小时，轴向充磁方式的气隙磁密较小，Halbach充磁方式的气隙磁密较大;当永磁体厚度达到动子半径的1/3时，轴向充磁的气隙磁密比Halbach充磁方式大，说明在永磁体厚度增大时Halbach充磁方式中的类似径向分量限制了气隙磁密的增大;而径向充磁方式的气隙磁密始终处于一个很平稳的范围。(2)在永磁体厚度较小时，轴向充磁和Halbach充磁方式的气隙磁密大小随着永磁体厚度增加增长较快;在永磁体厚度与动子外径的比值达到一定且小于0.5时，Halbach充磁方式的气隙磁密增加变缓慢而轴向充磁增加仍然很快;当永磁体厚度与动子外径的比值大于0.5时，轴向充磁和Halbach充磁方式的气隙磁密增长缓慢;径向充磁方式气隙磁密随着永磁体厚度的变化一直增加缓慢，最后几乎不增加，永磁利用率不高。综上可得在TPMLM设计中永磁体厚度与动子外径比值最好不要超过0.5。在永磁体厚度较小时，Halbach充磁方式占优，在永磁体厚度稍大时，轴向充磁方式占优，而径向充磁方式不太适合TPMLM。

3.3 气隙大小对气隙磁场的影响

其它参数不变，改变TPMLM的气隙大小，分析三种充磁方式圆筒型永磁直线电机气隙磁场随气隙大小变化的变化规律如图9所示。

图9 气隙磁密大小随着气隙大小变化规律

从9图中可以得出:(1)无论气隙多大，轴向充磁方式的气隙磁密最大，径向充磁方式气隙磁密最小。(2)随着气隙的变小，三种充磁方式的气隙磁密都变大。(3)轴向和Hablach充磁方式变化趋势由慢到快，径向充磁几乎是一个线性均匀变化。从三条变化曲线可以得出气隙大小对气隙磁密的影响很大，所以必须根据实际需要合理准确的选择气隙大小。

由以上三种结构参数对TPMLM在不同充磁方式下的气隙磁密大小的变化规律的分析可知:极弧系数对三种电机的气隙磁场强度影响都很明显，且轴向充磁方式接近线性变化，Halbcah充磁方式的变化规律接近于其他两种充磁方式的综合情况;永磁体厚度对径向磁化动子电机的气隙磁场强度影响不大，但是轴向磁化动子电机和Halbcah动子电机的气隙磁场强度会随着永磁体厚度的增大而明显增大，但是当永磁体厚度与动子外径的比值大于0.5时，三种充磁方式变化都不明显，不利于永磁体的利用;气隙大小对三种电机气隙磁场强度的影响是一致的，都随着气隙大小的减小而增大，大部分情况下，Halbach动子电机的气隙磁场强度要大于其他两种电机的气隙磁场强度。

4 结语

通过对三种不同充磁方式的无槽和有槽气隙磁密大小、波形对比，分析了在其它参数不变的情况下改变TPMLM的动子极弧系数、永磁体厚度和气隙大小对三种不同充磁方式气隙磁密的影响，可以得出这三种充磁方式电机的特点。

(1)轴向充磁方式的TPMLM不仅气隙磁密大，且在开槽后的基波磁密也大，谐波含量适中。从结构参数对该种充磁方式的影响来看，受结构参数的影响较大，在设计时要根据实际情况准确合理的选择结构参数。

(2)径向充磁方式的TPMLM气隙磁密偏小，且开槽后对该种充磁方式影响较大，谐波含量高。但受结构参数影响较小，在一些简单快速的场合比较适用。

(3)Halbach动子电机不仅可以获得较大的气隙磁场，还可以获得比较接近正弦形或矩形的气隙磁场波形，且在这种充磁方式下开槽影响不大，谐波含量最小。故Halbach动子在TPMLM的应用比较灵活，但是在设计时对参数的选取要合理准确。

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