长初级双边直线电机的设计与实验研究

王江波，霍群海

(1.江苏东华测试技术股份有限公司，泰州 214500；2.中国科学院电工研究所，北京 100190)

0 引 言

由于受制造成本的影响，短初级单边直线电机成为应用中的首选，只有在少数情况下才采用长初级双边结构，如采用长初级双边直线电机驱动的航空母舰舰载机电磁弹射器。从目前掌握的文献来看，关于直线电机的理论分析几乎全部是以短初级单边结构为前提，研究电机的等效电路、边端效应、绕组形式，很少有专门针对长初级双边直线电机的研究[1-4]。因此，本文选择长初级双边直线电机作为研究对象。

如果把普通旋转电机的设计方法经过由旋转运动变换为直线运动，然后采用换算成直线运动的设计公式，仿照普通感应电机那样反复试取反电势系数Ke，经过迭代计算逐步逼近的方法进行双边直线电机的设计也是可以的，但采用这种设计方法计算量大、费时较多。本文根据双边直线电机的特点，采用一种新型设计方法，只需一次计算就可以把电机的电磁设计完成[5]。

1 设计非磁性次级电机的新方法

长初级双边直线电机的次级结构可以由整块铝板构成，从而取消背部铁心，具有运动部分质量轻、有效载荷大、无需向运动部分供电的特点，同时由于次级结构由非磁性材料构成，因而次级漏感很小，可以忽略，这样长初级双边直线电机有效部分的简化等值电路如图1所示[6]。

图1 长初级双边直线电机有效部分近似等值电路

由图1可得从a、b两点向右看去的电抗:

(1)

则气隙电势与初级电流之间夹角的余弦(内功率因数)：

(2)

次级电阻：

(3)

励磁电抗:

(4)

将式(3)、式(4)代入式(2)可得：

(5)

式(5)为电磁气隙与次级反应板厚度的一个关系式，如果能再找到一个电磁气隙和次级反应板厚度的关系式，那么通过联立这两个关系式，可以求出电机设计时所要确定的电磁气隙与次级反应板厚度的数值。这样可以根据电机设计时所给出的原始数据，只用一次计算完成设计，避免象设计普通旋转电机那样通过反复计算逐步逼近。

根据图1的等值电路可得初级电流：

(6)

而电机的同步功率：

Pδ=FVe=mKeUIcosθi

(7)

于是可得：

(8)

由式(2)可得：

(9)

由此可得：

(10)

(11)

把式(3)和式(4)代入式(10)、式(11)得：

(12)

(13)

将式(12)和式(13)代入式(8)，整理后可得：

(14)

至此,得到电磁气隙与次级反应板厚度的另一关系式。由同步效率η=Pδ/P1，输入功率P1=mUI·cosφ和式(7)可得：

cosθi=ηcosφ/Ke

(15)

因为进行电机设计时，电磁推力、功率因数、同步效率、电源频率和初级相数等都是设计时的原始数据，所以可以得到一种设计非磁性次级直线电机的新方法：当取定反电势系数后，由式(15)求得内功率因数，然后联立式(5)和式(14)即可求出电磁气隙与次级反应板厚度。这样只需一次计算就可以完成设计，避免了象普通旋转电机那样反复计算逐步逼近的缺点。

直线电机中等效极对数的定义：

(16)

式中：β为短距槽数；q为每极每相槽数。

如果用等效极对数代替实际极对数进行设计，则可将直线电机的端部效应和初级绕组半填充槽的影响考虑进来[1-2]。

2 长初级双边直线电机设计

本文设计的长初级双边直线电机初级结构如图2所示，用以产生电机运行所需的行波磁场。次级反应板如图3所示，由厚0.006 m的铝板加工而成，其中感生的涡流与行波磁场相互作用产生电磁推力。电机的主要技术参数如表1、表2所示[3,6]。

图2 双边长初级实物图

图3 次级反应板实物图

表1 电机的主要电磁参数

表2 电机的主要机械参数

3 实验平台设计

3.1 主电路设计

根据长初级双边直线电机的特点，本文设计的变频电源主电路包含两组三相逆变桥，如图4所示。主电路采用典型的交直交电压源型通用变频器结构，由整流电路、滤波电路和逆变电路组成。整流部分采用三相桥式不控整流电路，整流输出经中间大电容滤波环节获得平滑的直流电压，逆变部分通过功率器件的导通和关断，输出交变的脉冲电压序列。本文所搭建的变频电源主电路实物如图5所示[7-8]。

图4 变频电源主电路拓扑结构图

图5 变频电源主电路实物图

3.2 控制电路设计

本文控制电路采用以DSP为核心的数字电路，由其负责完成数据处理、控制算法及软件保护等功能。由一块DSP电路板和一块I/O电路板组成，如图6所示。

图6 控制电路实物图

4 电磁推力实验验证

双边直线感应电机推力模型如下：

(17)

式中：L为初级绕组的长度；2a为初级铁心的宽度。

对所设计的直线电机在额定工作状态下的机械特性进行计算，计算所得结果如图7所示。通过测量双边直线电机的速度从而求取双边直线电机的加速度，进而求得双边直线电机的推力，可得机械特性的实验值，如图7中星号所示。计算值与实验值之间的误差主要是由于理论模型没有考虑集肤效应引起的；计算结果与实验结果基本吻合[2,9]。

图7 直线电机机械特性的计算值与实验值

5 结 语

本文采用了一种新型电机设计方法，对非磁性次级双边直线电机进行电磁设计，避免了传统方法设计时反复计算逐步逼近的缺点，只需一次计算就可以完成设计。针对长初级双边直线电机的特点，搭建了一台变频电源，完成了主电路和控制电路的设计、安装与调试工作。建立了一整套长初级双边直线电机实验平台，通过实验证明本文所建立的电机设计方法是正确的。