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[1]新型定子永磁型动铁心式横向磁通直线振荡电机

发布时间:2018-02-07 10:36:05阅读次数: 分享到:
新型定子永磁型动铁心式横向磁通直线振荡电机

 

李想, 徐伟, 叶才勇

DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.171206

 

 

 

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项目背景  
  相比于传统“旋转电机+曲柄连杆”的传动形式,永磁直线振荡电机可直接产生往复驱动力,其直驱式的传动系统具有效率高、体积小、噪音低、控制简单等优点,从而在线性压缩机领域获得广泛的应用。然而,传统永磁直线振荡电机存在着显著的缺陷:一方面传统电机通常采用动磁式的拓扑结构,永磁体直接参与高频的往复运动,直接导致了其可靠性较低,维护成本偏高;另一方面,其磁路通常采用平行磁通的设计方式,当电机需要加工成圆筒型时(节省空间),定子硅钢片需要沿圆周方向叠压,工艺比较复杂,加工难度大,成本高。为解决上述问题,已有学者展开对定子永磁型直线振荡电机的研究,一方面通过将永磁体表贴于定子齿面,从而有效避免了永磁体参与振动;另一方面,通过横向磁通磁路设计,降低了硅钢片的叠压难度。然而,现阶段的研究中,依然存在永磁体防护困难、利用率低等问题,因此有必要对新型定子永磁型直线振荡电机展开研究,进一步提高材料利用率,降低生产成本。  
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论文所解决的问题及意义  
  本文针对前述传统永磁直线振荡电机其存在的缺陷,提出了一种新型电机拓扑结构,其创新性在于:1)永磁体内嵌于定子轭部,远离运动机构,易于安装防护;2)永磁体磁路采用并联结构,利用率高;3)采用横向磁通的磁路设计,使得硅钢片叠压工艺与旋转电机一致,加工简便。在所述新型电机拓扑结构的基础上,本文首先基于等效磁路法建立其解析模型,并利用有限元法验证了该模型在结构设计和尺寸优化上的有效性。其次,利用3D有限元对其电磁特性、温度分布进行更准确、定量的分析,并与传统结构对比,证明了在体积、铜耗一致的前提下,新结构具有成本低、材料利用率高的优势。  
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论文重点内容  

  (1) 新型电机拓扑结构

 

  图1为本文提出的新型结构与传统结构的对比示意图,图1(a)、(b)为二者的三维结构图,图1(c)、(d)为二者的径向截面图。从图1可见,两者最大的区别在于:永磁体的安装位置。从图1(c)、(d)可见,新型结构中永磁体内嵌于定子轭部,远离动子,安装和防护方面较为方便;另外,在传统结构中,任意相邻的永磁体是相互串联的,磁路相互耦合,而在新型结构中,任意相邻的永磁体是并联结构,磁路相互独立。这意味着相比于新型结构,传统结构需要更大的永磁体截面积,磁体利用率相对较低。

图 1  电机结构对比图

 

  (2) 解析模型

 

  如图2(b)所示,该新型电机可沿轴向划分为三部分(Part I、II、III), Part III中几乎不存在永磁磁场,因而分析中不考虑其影响。Part I和Part II部分的磁通路径分别如图2(c)、(d)所示,对应的空载等效磁路(equivalent magnetic circuit,EMC)模型分别如图2(e)、(f)所示,通过空载模型可以计算不饱和情况下的永磁体于Part I与Part II部分产生的气隙磁密与 。

 

图 2  空载等效磁路模型

 

  针对负载时Part II中出现的饱和效应,如图3(a)所示,建立图3(b)所示的负载等效磁路模型,从而建立了考虑饱和效应的输出推力表达式,如式(1)所示。

图 3  Part II负载等效磁路

 

  输出推力表达式,其中可由负载等效磁路经迭代计算求出,

(1)

  (3) 基于解析模型的尺寸参数优化

 

  定子内外径比值和定子槽开口系数这两个参数直接决定了槽面积,从而影响电机的电负荷,因此有必要利用上述解析模型对二者进行优化,从而使输出推力最大化。考虑到实际应用中,工作环境较为狭小封闭,散热困难,因此,优化的前提选取定子外径不变以及铜损耗(主要热源)不变原则。

图4  的对新型电机推力的影响

 

  由图4可以看出,解析模型的分析结果与有限元法在输出推力变化趋势上具有较好的一致性,两种方法分析的得到的输出推力均在为(0.45, 0.55)处达到极大值,表明了基于磁路的解析模型在快速确定电机尺寸以及优化结构参数上,有着较好的指导意义。

 

  (4) 电机性能对比

 

  进一步利用有限元法对两者的输出特性做更为全面,精确,定量的比较。两种电机模型的参数如表1所示,除以及电流密度不同外,其余参数基本保持一致。

 

图5  推力特性

 

  对应于表1所示参数的两种电机在行程范围内的推力特性如图5(a)、(b)所示。可以看到,当电枢绕组通入直流电时,两种电机总的推力在行程范围内并不恒定,这是由于磁阻力的影响使得合力在平衡位置两侧不对称。然而磁阻力为保守力,并不能对外做功。从图中可以看出,传统电机的磁阻力峰峰值约为23 N,电磁推力平均值为77 N,而新型电机的磁阻力峰峰值则只有11 N,电磁推力平均值为61 N。就推力波动而言,两者分别为30%和18.3%,因此新型电机的波动要小

 

  更进一步地对永磁体利用率作归一化的对比。虽然表1中的两种电机输出推力不同,但单位永磁体的出力可以从一定程度反应电机对稀土永磁体的利用率,有必要进行对比分析。如图6所示,传统电机永磁体用量为0.225 kg,比新型电机的0.111 kg多了一倍,然而在相同铜耗的限制下,其单位永磁体的出力仅为342.2 N/kg,比新结构低了36.7%。因此,新型电机对稀土永磁体利用率更高,性价比更优。

 

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结论  

  本文提出了一种新型定子永磁型动铁芯式直线振荡电机,利用其主要尺寸参数建立了相应的基于磁路的解析模型,并基于该解析模型进行了参数的设计和优化。优化结果与有限元分析的对比,进一步验证了解析模型的实用性。另外,通过新结构与传统结构的性能对比,本文证明了在相同体积和铜耗的限制下,新结构具有如下优势:

 

  1) 永磁体内嵌于定子轭部,简化了其安装和防护工艺,提高了可靠性;

 

  2) 永磁体采用并联磁路结构,提高了铷铁硼的利用率和电机整体性价比,降低了材料成本。

 

 

 

 

 

引文信息

李想,徐伟,叶才勇.新型定子永磁型动铁心式横向磁通直线振荡电机[J].中国电机工程学报,2017,37(21):6209-6217.

Li Xiang, Xu Wei, Ye Caiyong.Novel stator-magnet moving-iron transversal-flux linear oscillatory machine[J].Proceedings of the CSEE,2017,37(21):6209-6217(in Chinese).

 

 

 

 

 

团队介绍  

 

  华中科技大学“能量转换系统研究组”由国家计划专家徐伟教授领衔,自2015年9月成立以来,秉承“立创业思想,做创新研究”理念,长期专注于电机设计、电机控制、(电气传动系统)电力电子调制等相关理论研究和产品研发。团队现有4位老师,近40名研究生,主研电机类型包括直线电机、高速电机、高效电机等。更多信息请访问研究组主页:http://www.machinececs.seee.hust.edu.cn

  李想(1993),硕士研究生,研究方向为新型直线振荡电机及其系统。

  徐伟(1980),华中科技大学教授,博士生导师,从事电机设计、控制及系统集成研究。IEEE高级会员。主持各类基金/人才项目近30项。发表EI/SCI检索论文200余篇,其中SCI期刊近60篇。在Springer出版英文编著1部(2016年6月)。获受理/授权发明专利50余项。担任多个国际SCI期刊客座编辑(如电气工程一区IEEE TIE期刊)等。受邀国际大会报告(讲座)5次,将担任2021年国际直线电机大会(LDIA)主席(武汉)。

 

  叶才勇,华中科技大学副教授,博士生导师。主要从事新型电机设计及应用、特种电磁装置设计及控制研究。过去10余年,在新型电机运行理论、电机本体设计、系统级动态仿真、特种电磁装置研发等方面开展了大量的工作,包括高速储能电机、高速高频无刷电机、永磁电机、开关磁阻电机、补偿脉冲发电机、低压大电流直流起动发电机等新型电机等。承担本科生《电机学》、《新型电机及应用》、《电磁装置设计》等课程教学任务。共发表论文50余篇,其中20余篇被SCI收录。受理/授权发明专利20余项。主持项目10余项,包括2项国家自然科学基金。

 

 

 

 

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