永磁弧形同步电动机磁阻力研究

杨　龙，生国锋，王　军

（枣庄科技职业学院，山东 枣庄277599）

0　引言

由于永磁（PM）线性同步电动机的高速度，大扭矩，行程范围宽和快速的动态响应等特性，永磁（PM）线性同步电动机驱动越来越多的用于商业、工业和军工产业。对于一些扫描系统和雷达系统中，回转马达与齿轮箱通常采用实现有限的角运动，这样会带来一些缺点，比如占领空间大，易造成传动误差和低响应性能。由此看来，永磁弧形同步电动机是能够做直线驱动的角运动，其所做的角运动被控制在一定范围内[1]。

在这篇文章中将提出一个新的混合永磁交流弧形同步电动机电枢绕组和补偿绕组，用以研究减少磁阻力，提高平稳行程[2]。第一，首先对这一新型电动机的构造进行描述；第二，对直流补偿效果的评估；第三，通过只使用补偿电流的补偿策略进行研究；第四，对补偿电流组合及长度的优化进行了分析；第五，接着对采取补偿的策略来增强平稳行程开展研究；最后对AL-PMSM原型进行制造和测试通过有限元结果与实验结果进行比较。

1　永磁弧形电动机磁阻力分析

磁阻力主要受端部效应及齿槽效应的影响，他们都是定子齿之间磁阻有规律的变动引起的。在旋转式永磁电机中，磁阻有规律的变动导致了齿槽效应的产生。减少齿槽效应的方法有很多，如偏移、磁极间距优化、磁极形状优化，定子铁芯优化，磁铁转变，采用定子齿部触点，封闭定子槽等。这个端部效应是由于主要和次要侧的长度有限产生的。通过对这两者相互作用得到的磁阻力进行评价，得出由于端部效应及齿槽效应引起的一种单独的磁阻力。从实验结果表明没有做优化，端部效应会比齿槽效应产生的磁阻力要高很多[3]。

减少磁阻力的途径可以分为两种，一是对机器进行复杂的控制策略，和其他机械进行结构的优化，如图1所示。通过分析主要边长度对磁阻力的影响，得出优化主要边长度能够减少磁阻力。辅助齿也能广泛用于减少磁阻力，永磁交流同步直线电机采用了复杂的结构，分为三个模块，所以三个模块的磁阻力可以彼此抵消。然而，很少有研究考虑结合控制策略和结构优化的方法来减少磁阻力。然而大多数的研究都集中在了由于短侧引起的端部效应。当初端区域接近次端区域的时候，长边端部效应也会发生。长边端部效应引起的磁阻力显著的降低了平稳的行程，值得认真研究。

图1　磁阻力最小化优化

2　永磁弧形同步电机模型结构分析

在本文中，弧形同步电机采用了次级侧为长边，初级侧为短边的结构，见图2所列。表面安装转子类型是采用11个磁极和12个槽组成，弧形永磁同步电机的主要数据见表1所列[4]。在没有其他的磁阻力优化下，磁阻力的组成可以表达成：

式中，S为次级边移动的位移；τ为极距；θ为次级原始位置磁阻力的偏移角；Fod为电动机的恒定幅度。

图2　新型弧形同步电机结构图解

表1　弧形同步电机参数

见图3所列，通过用有限元的方法进行分析计算，得出磁阻力[5]。从图中很明显看出磁阻力很大，因此，两个补偿绕组都设计在初级侧的端齿上。在次级侧的运动中，适当的电流作用于补偿绕组会产生相反的力，从而有效地减少磁阻力[6]。

图3　无补偿绕组的磁阻力

3　直流补偿的计算

当次级运动时，直流电直接供应到补偿绕组。为了简化分析，最初只使用了一个补偿线圈。补偿线圈的端齿可以被视为一个电磁铁[7]。当直流电通到补偿线圈时，由有限元分析和计算出初级和次级典型的通量分布位置，结果如图4所示。

（续下图）

（接上图）

图4　初级和次级通量的不同分布

图4（a）中所示的位置等效电磁铁的N极对应着永磁电机的N极点，由直流所产生的法向力为0.当次级侧从a位置移动到b位置时，由直流所产生的法向力增加到最大值。在c位置时，由直流所产生的的法向力又回到了0值，等效电磁铁的N极对应着永磁电机的S极点。在位置d时，由直流所产生的的法向力到达最小值。再由位置d回到位置a时由直流所产生的法向力再次回到0。

图5所列，通过使用有限元的方法进行分析计算得出磁阻力。用直流补偿所产生的磁阻力减去原来产生的磁阻力，以及直流所产生的的法向力都能算出来如图6所示。从图6可以看出，每两个磁极距间直流周期性的变化所产生的法向力与分析的结果相一致。图4所示的a，b，c，d四个位置分别标记在图6中。基于上述的分析知，由直流补偿所产生的磁阻力表达公式为：

图5　直流补偿产生的磁阻力

图6　直流补偿产生的法向力

4　结束语

本文中主要介绍一种新型的永磁交流弧形同步电动机，通过用限元分析的方法对永磁弧形电机的电枢绕组和补偿绕组进行计算和分析。从图3和图5的对比中可以看出，补偿绕组能够有效地减少磁阻力，提高平稳行程。如果永磁弧形电机的补偿绕组在闭环控制系统中运行，那么结果会更加显著，这也是以后研究的内容。虽然在本文中只是通过对永磁弧形电机建模分析，但是这种补偿绕组的方法也同样适用于普通永磁直线交流电机，因为分析原理是一样的。