一种磁悬浮直线开关磁阻电机悬浮模块设计与分析

郝雯娟，王 宇

(1.南京航空航天大学 金城学院，南京211156；2.南京航空航天大学 自动化学院，南京211106)

0 引 言

随着电机相关新技术的发展，交通运输、国防、工业设备、矿井提升等领域对驱动电机及驱动系统的动态响应性能、体积、成本、可靠性等方面的要求越来越高。采用旋转电机和机械转换装置将旋转运动转换为直线运动或其他的驱动方式越来越不能满足相应的要求。因此，直线电机在上述领域得到了日益广泛的应用[1-3]。

在轨道交通和工业运输等场合，与旋转电机驱动相比，直线电机驱动主要优势如下[4-5]：

(1)直线电机不需要中间转换环节就可以直接将电能变成直线运动的机械能，具有结构简单且动态响应快，施工成本低的优点。

(2)直线电机牵引具有良好的爬坡能力，且无需减速齿轮等装置，转向架设计的自由度大，车辆易于通过小半径曲线线路，可缩短线路建设长度。

20 世纪70年代以后，随着工业化国家经济实力不断增强以及对交通运输中舒适性或快速性需求的日益增长，德国、日本、美国、中国等国家相继开展了磁悬浮运输系统的研发。在运输系统用直线电机的选择上，各类电机都有各自的优势[6-7]。

近几年，直线开关磁阻电机的研究备受各国研究人员的关注。该类电机具有以下特点[8]：

(1)只在动子放置集中绕组，短动子场合应用时成本低。

(2)定子为结构简单可靠的凸极铁心，对建造条件要求低。

(3)制作维护成本低，容错性能好。

磁悬浮直线开关磁阻电机属于直线开关磁阻电机的衍生结构，具有上述直线开关磁阻电机的优点，结合有效的悬浮方案，在磁悬浮运输系统中具有一定的应用潜力[9-10]。

在磁悬浮直线电机系统中，高性能的推力和悬浮力解耦控制是实现磁悬浮系统安全稳定运行的关键。然而，解耦控制算法往往比较复杂，传统的悬浮力控制往往需要电枢电流和动子前进位置的信息[9]。因此，为了简化悬浮力控制，降低悬浮力控制与动子位置信息的耦合，提高悬浮力控制与推力控制的独立性，本文从电机结构上进行改进，提出一种直线电机悬浮模块用于磁悬浮直线开关磁阻电机的悬浮控制系统，通过该悬浮模块的特殊设计，可以实现悬浮模块和电枢模块独立，并且悬浮力控制与动子前进位置解耦，使得悬浮力控制更简单。

全文安排如下：第二部分对所提出磁悬浮模块进行了设计和分析；第三部分利用有限元软件验证了模块的有效性；第四部分提出了一种改进结构并进行验证。第五部分给出了结论。

1 悬浮模块设计

本文提出的悬浮模块及采用该模块的磁悬浮直线开关磁阻电机结构如图1(a)所示，悬浮绕组通入悬浮电流后的磁力线分布如图1(b)所示，图1(c)给出了其尺寸标识。

图1(a)中，L1～L3为悬浮绕组，A1～C2为电枢绕组。从图1(a)和图1(b)可以看出，所提出悬浮模块采用E型铁心结构，该结构磁路相对独立，在用于磁悬浮直线开关磁阻电机时，配合电枢模块和悬浮模块之间的隔磁磁障，可以有效的减小电枢部分和悬浮部分的磁路耦合。

图1(c)中，wst为定子齿宽，为了使悬浮绕组磁路的合成磁导(电感)随动子前进位置基本不发生变化或者变化较小，从而使得悬浮绕组通直流电时所产生的悬浮力随动子前进位置基本不发生变化，即实现悬浮力控制与动子前进位置解耦，该悬浮模块尺寸在设计时需要其端部窄齿和中间宽齿以及齿间距的尺寸匹配，具体设计特点如下：

图1 悬浮模块结构

(1)悬浮模块轭的厚度、槽的宽度、两边端部窄齿的宽度与定子齿宽wst相同。

(2)悬浮模块中间宽齿的宽度是定子齿宽wst的4倍。

(3)定子极距是定子齿宽wst的4倍。

图1(c)同时也给出了悬浮模块3个气隙磁导P1、P2和P3的标识，悬浮模块等效磁路模型如图2所示，其中，Fe为悬浮绕组产生的磁动势。

图2 悬浮模块磁路模型

根据前面所述悬浮模块的特殊设计以及图2的磁路模型可得3个气隙磁导P1、P2和P3的表达式，如下：

(1)

(2)

(3)

式中，μ0为空气磁导率，D为电机厚度，g为气隙宽度，wm为悬浮模块中间齿中心轴线与其最近的定子齿中心轴线之间在水平方向方向的距离，如图1(c)所示。则总的气隙磁导为

(4)

从式(4)可以看出，电机参数一定时，总气隙磁导可以看成是常数，即悬浮模块气隙磁导与动子前进位置无关，即悬浮绕组电感的变化独立于动子前进方向的位置，二者解耦。那么，悬浮绕组通直流电时所产生的悬浮力随动子前进位置基本不发生变化，这样，悬浮力控制只需调节悬浮电流(直流)的幅值即可，加上悬浮模块与电枢模块磁路耦合程度低，那么悬浮力控制系统及算法被大大简化了。

2 仿真分析

为了验证所提出悬浮模块的有效性，本节采用Ansoft有限元软件对悬浮模块进行仿真分析。采用悬浮模块的磁悬浮直线开关磁阻电机结构如图1(a)所示，主要参数见表1。

表1 磁悬浮直线开关磁阻电机主要参数

其中，电枢部分可以看成是一台三相12/14动定子极数配合的直线开关磁阻电机，其对应的旋转结构在文献[11-12]中有深入研究，这里不再赘述。

图3给出了悬浮模块的仿真结果，其中动子位置用电角度θ表示。这里，定义各波形峰峰值与平均值的比值为脉动比例。

图3 悬浮模块结构仿真结果

图3(a)为悬浮绕组D3的自感波形，可以发现波形脉动较小，其脉动比例为5.5%，验证了前面的理论分析，即悬浮绕组电感随动子前进位置基本不发生变化或者变化较小。

图3(b)为悬浮绕组D3与其相邻电枢绕组B之间的互感波形，可以发现，两个绕组之间的互感非常小，平均值约为8μH，相对于悬浮绕组自感平均值4mH，互感大小可以忽略不计，说明悬浮模块和电枢模块磁路耦合程度低，从结构上实现了悬浮力控制和推力控制解耦。

图3(c)为额定悬浮电流下悬浮力FL波形，可以发现，悬浮力脉动很小，其脉动比例为5.1%，即悬浮力幅值随动子前进位置变化很小，也就是悬浮力的控制与动子前进位置解耦，图3(d)中悬浮电流突变时悬浮力波形可以验证悬浮力的控制只需调节悬浮电流的幅值即可实现，悬浮电流的控制属于标量控制。

图3(e)为不同悬浮电流IL下悬浮力平均值，表2给出了图中各悬浮力脉动比例。可以发现，额定悬浮电流以下，可以通过调节悬浮电流大小线性的调节悬浮力，脉动比例都比较小。

表2 不同悬浮电流下悬浮力脉动比较

为了研究悬浮力对推力的影响，图3(f)给出了电枢绕组A相和悬浮绕组同时加额定电流时的电机推力FtA1，和电枢绕组A相加额定电流而悬浮绕组不加悬浮电流时电机推力FtA2的波形。可以发现，加悬浮电流前后电机推力的相位几乎没有变化，只有峰值有很小程度的增加，影响较小，可以认为悬浮力控制和推力控制基本解耦。

综上所述，所提出悬浮模块可以有效实现：(1)悬浮力控制和推力控制基本解耦；(2)悬浮力控制与动子前进位置解耦。因此可以很大程度上降低悬浮控制系统的复杂性。

3 结构改进

磁悬浮直线电机在磁悬浮运输系统中应用时，需要产生较大的悬浮力，如文献[13]中的小型磁悬浮运输系统，需要悬浮部分产生较大的吸力来平衡车身重量实现悬浮。因此，本文对图1中的悬浮模块进行改进，提出了一种改进的悬浮模块，结构和尺寸标识如图4(a)所示，其中，永磁体宽度为3mm，改进悬浮模块的磁力线分布图如图4(b)所示。

从图4(a)和图4(b)可以看出，改进悬浮模块在轭部加入两块充磁方向相反的永磁体来聚磁，从而提高悬浮电流利用率，增加悬浮模块的磁拉力，由于所加入的永磁体体积较小，且在动子，所以成本增加有限。

图4 改进悬浮模块结构及磁力线分布

图5给出了改进悬浮模块的仿真结果。

从图5(a)～图5(e)可以发现，改进悬浮模块同样也具有较强的解耦特性，即悬浮绕组自感脉动比例较小，与电枢绕组见的互感非常小可以忽略，悬浮力脉动也较小。表3给出了图中各悬浮力脉动比例，不同电流下脉动比例都比较小。图5(f)给出了电枢绕组A相和悬浮绕组同时加额定电流时的电机推力FtA1，和电枢绕组A相加额定电流而悬浮绕组不加悬浮电流时电机推力FtA2的波形。可以发现，该结构中悬浮电流对推力影响较小，悬浮力控制和推力控制解耦程度高。

表3 改进悬浮模块在不同悬浮电流下悬浮力脉动比较

比较图3(d)和图5(d)可以发现，相同额定电流下，改进模块的悬浮力大大提高了，提高了约40%，说明该结构可以有效提高悬浮电流利用率，减小悬浮系统损耗。

结合图4(b)和图5(e)可以发现，悬浮绕组磁场和永磁磁场共同作用于气隙，不加悬浮电流时，悬浮模块由于永磁磁场的作用，已经具有磁拉力，当悬浮电流为正时，该磁拉力增加，悬浮电力为负时，该磁拉力减小。

图5 改进悬浮模块结构仿真结果

4 结 论

磁悬浮直线开关磁阻电机继承了直线开关磁阻电机的优点，结合有效的悬浮系统设计，在磁悬浮运输系统中具有一定的应用潜力。由于传统的悬浮系统悬浮力控制，需要在不同动子位置下建立悬浮绕组自感(悬浮力)与转子位置信息对应的解析函数，才能实现悬浮系统的稳定控制，实现起来比较复杂。本文提出的悬浮模块和改进悬浮模块，通过E型铁心结构和磁障隔离，实现了悬浮力控制和推力控制解耦；通过特殊的尺寸配合设计，实现了悬浮力控制与动子前进位置解耦，使得悬浮电流控制变成标量控制。因此，采用这两种悬浮模块的磁悬浮直线电机系统可以很大程度上降低悬浮控制系统的复杂性，使得悬浮力控制更简单。此外，所提出的改进悬浮模块可以有效提高悬浮电流利用率，减小悬浮绕组损耗。