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浙江大學(xué)蔣錢、盧琴芬 等:雙三相永磁直線電機(jī)的推力波動及抑制

 電氣技術(shù)雜志社 2021-04-29

中國電工技術(shù)學(xué)會活動專區(qū)


CES Conference


團(tuán)隊(duì)介紹

盧琴芬,,教授,,博士。主要研究電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì),、驅(qū)動控制及應(yīng)用技術(shù),,包括各種直線電機(jī)及新型永磁電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng),以及牽引供電系統(tǒng)仿真技術(shù)及電機(jī)故障診斷,。是中國電工技術(shù)學(xué)會直線電機(jī)專業(yè)委員會副主任委員兼秘書長,。發(fā)表各類學(xué)術(shù)論文150余篇(SCI論文39篇),授權(quán)發(fā)明專利23項(xiàng)(3項(xiàng)已經(jīng)轉(zhuǎn)讓),,入選浙江省151人才工程第二層次培養(yǎng)人員,IET Fellow, IEEE高級會員,。

李焱鑫,特聘副研究員,,博士,。IEEE會員,IEEE Industry Applications Society會員,IEEE Magnetics Society會員,。

本文基于有限元模型,,分析了雙三相永磁直線同步電機(jī)的推力波動,其包括了兩個由于直線結(jié)構(gòu)引起的分量,,一個分量是由鐵芯開斷引起的磁路不對稱所產(chǎn)生,,另一個分量由繞組空間位置不對稱引起的電感不對稱所產(chǎn)生。針對前者,,采用了優(yōu)化鐵芯邊端齒的方法來抑制,;針對后者,則提出了不等匝數(shù)繞組結(jié)構(gòu)來抑制,,并通過優(yōu)化得出了性能最佳的匝數(shù)配合,。

研究背景


雙三相電機(jī)比三相電機(jī)降低了電源的要求,可以采用更低電壓標(biāo)準(zhǔn)的功率器件,,系統(tǒng)的容錯性好,;磁動勢及反電動勢波形大大改善;電機(jī)推力波動明顯降低,。因此研究雙三相永磁直線電機(jī)非常重要。然而,,在直線電機(jī)中存在著由鐵芯不連續(xù)結(jié)構(gòu)引起的邊端效應(yīng)和繞組開斷引起的各相互感不對稱等現(xiàn)象,因此在推力中存在特定頻率的推力波動,,降低了推力的平穩(wěn)性。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)


在結(jié)構(gòu)上,,A1相與C2相位于兩端端部,,因此改變這兩相繞組的匝數(shù),就能夠使這兩者電感與其余四相趨于平衡,,稱為不等匝數(shù)結(jié)構(gòu),。改變繞組匝數(shù)固然也會使與A1、C2耦合的相互感減小,,然而互感的數(shù)值遠(yuǎn)小于自感,,所以A1、C2匝數(shù)的稍微改變對互感的影響可以忽略不計(jì),。

理論上來講,,雙三相電機(jī)中六相繞組都可以改變匝數(shù),達(dá)到最優(yōu)的匝數(shù)值,,然而6個參數(shù)的計(jì)算比較復(fù)雜,,所以要考慮減少參數(shù)。由繞組結(jié)構(gòu)分析可得最需要調(diào)整是兩端相自感是A1和C2相,,由圖1電機(jī)模型可以看出,,B1和B2相在電機(jī)的中間位置,保持190匝不變,先考慮優(yōu)化A1,、A2,、C1和C2相的繞組匝數(shù)。取得最優(yōu)值,,再去調(diào)校B1和B2相的繞組匝數(shù),,分組優(yōu)化繞組匝數(shù),降低計(jì)算難度,。

通過有限元計(jì)算,,A1、A2,、C1,、C2相匝數(shù)的優(yōu)化結(jié)果如圖1所示,當(dāng)A1,、A2,、C1、C2相線圈匝數(shù)分別等于188,,189,,186和187時,電機(jī)的推力波動最小,,然后再去調(diào)校B1,、B2相的繞組匝數(shù)。



圖1 A1,、A2,、C1、C2相繞組匝數(shù)優(yōu)化推力波動



圖2 B1和B2相繞組匝數(shù)優(yōu)化時推力波動

同樣,,B1,、B2相匝數(shù)的優(yōu)化結(jié)果如圖2所示,當(dāng)B1,、B2相繞組匝數(shù)分別等于190和188,,此時電機(jī)的推力波動為2.43%,電機(jī)推力為304.4N,。因此,,通過端部優(yōu)化與采用不等匝數(shù)繞組結(jié)構(gòu),該直線電機(jī)的推力波動明顯下降,。

試驗(yàn)基于邊端齒相同的常規(guī)結(jié)構(gòu)樣機(jī)展開,,因?yàn)樵摌訖C(jī)鐵芯采用自鉚接結(jié)構(gòu),加工精度高,,測試結(jié)果準(zhǔn)確,,能夠驗(yàn)證分析模型的準(zhǔn)確性,。測試平臺如圖3所示,樣機(jī)由一臺空心線圈永磁直線電機(jī)拖動進(jìn)行試驗(yàn),,采用空心線圈永磁直線電機(jī)是因?yàn)槠洳淮嬖邶X槽力,,推力波動小,速度平穩(wěn)性好,,不會給測試結(jié)果帶來誤差,。



圖3 樣機(jī)測試



圖4 樣機(jī)仿真和測試結(jié)果比較

圖4顯示了樣機(jī)的測試結(jié)果與仿真結(jié)果對比,顯然定位力和反電勢的波形吻合度較好,,證明了前述仿真模型與仿真結(jié)果的正確性,。

結(jié)論


文章針對繞組空間位置排布不對稱引起的自感不對稱:通過采用改變相電感的方法,使原本不對稱的電感趨于對稱,。相比自感,,互感很小,可以忽略互感不對稱的影響,。在不考慮飽和的情況下,,由于電機(jī)的自感正比于匝數(shù)平方,采用了不等匝數(shù)結(jié)構(gòu)來改變自感,?;谟邢拊M(jìn)行了匝數(shù)優(yōu)化得到最佳的匝數(shù)分配。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)負(fù)載推力波動峰峰值下降23%,,推力波動下降了30.7%,。







引用本文







蔣錢, 盧琴芬, 李焱鑫. 雙三相永磁直線同步電機(jī)的推力波動及抑制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2021, 36(5): 883-892. Jiang Qian, Lu Qinfen, Li Yanxin. Thrust Ripple and Depression Method of Dual Three-Phase Permanent Magnet Linear Synchronous Motors. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(5): 883-892.

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