哈尔滨工业大学寇宝泉、葛庆稳 等：双边错位高速永磁直线同步电机的设计与分析
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寇宝泉，哈尔滨工业大学教授，博士生导师，工学博士，IEEE会员，中国电工技术学会高级会员。获2005年度教育部技术发明一等奖1项，获2006年度国家技术发明二等奖1项，获第六届国际发明展览会银奖2项，获第十九届全国发明展览会银奖1项，获2014年度教育部技术发明二等奖1项。2008年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”。致力于直线电机与平面电机系统技术、分布式能源发电及能量存储技术、磁悬浮及电磁推进技术的研究。近年来获授权国家发明专利130余项。
本文针对传统的4极6槽双边对称长初级永磁直线同步电机，在保证电磁推力大小的情况下，提出了一种采用双边错位来降低永磁体涡流损耗的有效方法。介绍了电机的基本结构，阐明双边错位结构可以完全消除偶数次电枢谐波磁动势，进而能大幅度降低次级永磁体涡流损耗。
研究背景
20世纪90年代以来，电力电子技术的发展日趋成熟，用于电磁推进系统的直线电机逐渐成为研究的热点。双边长初级分数槽集中绕组永磁直线同步电机非常适用于高速、高加速度场合。
但是分数槽集中绕组的电枢磁动势谐波含量比较大，特别是高速场合，这些谐波磁动势相对于次级高速运动，进而在永磁体内感应出涡流，使得永磁体温度升高，甚至引起退磁。因此，研究有效降低次级涡流损耗的方法具有很重大的意义。
论文方法及创新点
图1为传统4极6槽DSSLP-PMLSM的基本结构。图2为提出的双边DSDLP-PMLSM的基本结构。
图1 DSSLP-PMLSM基本结构
图2 DSDLP-PMLSM基本结构
电机主要由初级和次级两部分组成，初级包括初级铁心和两套初级绕组，次级包括基板和永磁体。双边初级形成串联磁路，两套绕组对应相串联连接。
相比于传统对称结构，DSDLP-PMLSM的主要特点：①初级宽等于槽宽，双边铁心一侧的齿与另一侧的槽相对；②两套绕组不是对称布置，对应相之间错了一个极距，并且反向连接。
选取同相相互错位的两个单线圈为对象，分析DSDLP-PMLSM的电枢磁动势。图3为两个线圈的磁动势谐波分布。从图可见，相互错位的两个同相线圈产生的各次谐波磁动势有所差异，1、5、7次谐波磁动势分量空间分布相同，2、4次谐波磁动势分量空间分布正好反向。
图3 磁动势谐波分析
图4为相同工况下两种结构的电磁推力对比曲线。从图中可知，两种结构电磁推力随时间的变化曲线相差不大，错位结构的平均电磁推力略小于对称结构。对称结构的平均电磁推力为596N，错位结构的平均电磁推力为566N，约降低了5%，错位结构对电机电磁推力的影响很小。
图4 电磁推力对比曲线
图5为两种结构的永磁体涡流损耗对比曲线。从图中可知，对称结构的永磁体涡流损耗平均值为36.1W，错位结构为5.6W，降低了近84.5%。
图5 永磁体涡流损耗对比曲线
图6为永磁体涡流损耗分布。从图中可知，对于对称结构，基板两侧的永磁体涡流呈对称分布，错位结构基板两侧的永磁体涡流损耗分布不同，错位结构可以有效地降低永磁体涡流损耗。
图6 永磁体涡流损耗分布
总结
本文针对4极6槽双边对称长初级永磁直线同步电机，提出一种双边错位结构，采用双边错位的方法对电机电枢磁动势谐波进行削弱。结果表明，双边错位结构相比于双边对称结构，电枢谐波磁动势仅存在奇数次，偶数次被完全消除；双边错位结构对电机的定位力和电磁推力影响都很小，使永磁体涡流损耗下降了近84.5%，该结构可以在保证电磁推力的情况下有效降低永磁体涡流损耗。
引用本文
寇宝泉, 葛庆稳, 张浩泉, 牛旭, 黄昌闯. 双边错位高速永磁直线同步电机的设计与分析[J]. 电工技术学报, 2021, 36(6): 1149-1158. Kou Baoquan, Ge Qingwen, Zhang Haoquan, Niu Xu, Huang Changchuang. Design and Analysis of Double-Sided Dislocated High Speed Permanent Magnet Linear Synchronous Motors. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(6): 1149-1158.
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200802