黄克峰，李槐树，潘元璋，周 羽

(海军工程大学，湖北武汉 430033)

0 引 言

直线电动机是一类将电能直接转化为直线电动机运动的机械能而不需要增加中间变换装置的电机。经过几十年的发展，已经在交通运输、工业、物流输送等各个方面得到了广泛应用。直线电动机技术在国外起步比我们早、技术较领先。随着国内研究人员对该技术的掌握，近些年在国内各个直驱系统的应用领域，直驱式技术逐渐成为了研究热点，但由于我国对直线电动机的技术在各个领域的应用起步比较晚，尤其是圆筒型永磁直线电动机目前应用更少、研究也不多、理论体系也没有形成，尚有许多问题亟待解决［1－2］。

在国内研究的样机中，目前最高额定效率偏低，只有18%，最高额定推力也不大，只有170 kg/m，推力大小和效率没法达到系统的要求。为了能够更好的发挥这种电机在直驱系统中的优势，研究影响电机性能因数的规律就变得很有必要。

1 圆筒型永磁直线电动机基本结构和工作原理［2］

永磁旋转电机经过结构上的演变就是圆筒型永磁直线电动机如图1所示。把永磁旋转电机沿径向剖开拉直，就能够得到平板型永磁直线电动机，再将平板型电机的扁平部分卷绕起来使其与磁场运动方向，就得到了圆筒型永磁直线电动机。圆筒型永磁直线电动机主要由动子铁心、永磁体、不锈钢轴、定子铁心、定子绕组几部分结构组成。

图1 扁平型结构到圆筒型结构的演变过程

圆筒型永磁直线电动机与永磁旋转电机的工作原理基本一样。即在定子三相绕组中通入对称正弦电流时，这样就能在气隙中形成行波磁场，永磁体产生的磁场和行波磁场之间互相作用形成电磁推力，电磁推力推动着动子作直线运动。

与普通永磁旋转电机和扁平型永磁直线电动机相比，圆筒型永磁直线电动机具有较多的优点:①定子绕组利用率高;②没有横向边缘效应，端部漏磁消失;③由于对称的轴向结构，使得在径向方向动子拉力互相抵消，较好地消除了单边磁拉力。由于该种电机拥有这么多优势，为了在直驱系统中更好的应用，就必须掌握影响电机性能的规律。

2 影响圆筒型永磁直线电动机的因素

2.1 电机类型的影响

根据电机在运行时所通入的电流方式不同，圆筒型永磁直线电动机可分为如表1所示的三种类型。考虑到电机的性能优势和所使用环境等一些限制因素，我们通过表1比较得出了一般选择圆筒型永磁同步直线电动机。

表1 不同结构永磁直线电动机

2.2 动子永磁体充磁方向的影响［3－5］

圆筒型永磁直线电动机有三种不同转子结构型式，如图2所示。

图2 三种不同充磁方式的转子结构

从图3中可以看出:轴向充磁的永磁体结构气隙磁密大且波形好，径向充磁的永磁体结构波形好但和相同情况的轴向充磁结构相对气隙磁密偏小;Halbach永磁体结构的漏磁比较大，导致磁密波形小且不规则。综合三者的情况可以得出轴向充磁方式的永磁体结构在性能上更优，再把优化极距大小和永磁体轴向充磁长度两者进行匹配，可以得到一个理想的推力输出能力，而且该种充磁方式结构简单便于制造。

图3 不同充磁方向定子表面气隙磁密对比

2.3 定子铁心结构的影响［6－7］

目前圆筒型永磁直线电动机内通用的定子是既在表面起轴承作用，同时支撑电机动子的不锈钢定子内衬管，虽然在制造方面工艺简单，但是增加了很多额外的电机铁耗，降低了整个电机的推力大小和效率等性能，不利于节能和提高电机系统性能;圆环形硅钢片作为电机定子铁心，虽然制造工艺简单，但磁场感应出的涡流回路仍然存在，额外增加了电机铁耗。这些通用设计虽然制造简单，也能达到一定的设计要求，但非常不利于电机性能的提高，所以很有必要对这些结构设计进行改进。

本文研究圆筒型永磁直线电动机去掉定子内衬管，将电机定子的槽口结构由开口改成半闭口，如图4(a)所示，既可以减小等效气隙磁阻大小达到提高气隙磁密，又使得漏磁部分得到很好的控制，这样就较好地优化了气隙磁密波形，有效地达到了减小电机齿槽力的目的;轴向硅钢叠片结构运用到定子铁心如图4(b)所示，该种结构的铁心在力容量、系统运行效率和功率因数等方面都具有很大的优势，如图5所示。同时该种结构设计相对于其他结构电机铁耗小，从而很好地提高了电机性能指标。

2.4 槽数的影响

图6为4种不同极槽配合下的圆筒型永磁同步直线电动机结构型式。下面对这4种结构进行介绍，并通过仿真比较这4种电机的性能。

图6(a)的结构适合采用方波电流控制的电机。因为圆筒型永磁直线电动机特殊的结构特点，取消了端部，故没有永磁旋转电机运用该种结构时所能够达到的运行效率高、功率因数好等优点;如果通入其他类型的电流，基波绕组因数低，反而谐波绕组因数偏高，故采用别的类型电流时电机性能差;该型电机每极下对应1.5个槽，便于制造。但圆筒型永磁直线电动机采用三相正弦波电流，不适合该结构。

图6(b)的结构适合采用三相对称正弦波电流进行控制，基波绕组因数高，同时谐波绕组因数也高，导致气隙磁密波形差，从而电机性能不高;该种结构电机每个极下对应3个槽，制造上增加了一定的复杂度。

图6(c)的结构也适合采用三相对称正弦波电流进行控制，基波绕组因数高，谐波绕组因数低，有利于提高电机的性能;但是每个极下6个槽，这样每个槽将比较小，不利于制造，也不利于节约成本，性价不高。

图6(d)的结构谐波绕组因数低、基波绕组因数却很高;当极数和槽数很接近时，齿槽力周期多、幅值小。每极对应1槽左右，三相绕组相对独立，便于制作，性价比高。

图6 4种不同的极槽配合结构

图7 四种不同的齿槽配合下的气隙磁密波形对比

从图7中可以看出，当电机的槽数和极数很接近(10极9槽)时，在定子表面产生的气隙磁密波形幅值大、基波比例大、谐波比例小，有利于产生接近正弦的气隙磁密波形，从而该种结构的电机齿槽力小。相反，2极3槽、2极6槽和2极12槽相对于10极9槽的结构，气隙磁密波形差、幅值偏小、基波比例低、谐波比例偏大，不利于产生接近正弦的气隙磁密波形，从而电机将产生较大的齿槽力。故只有槽数和极数很接近时，有利于产生接近正弦的气隙磁密波形。

3 结 论

本文结合了圆筒型永磁直线电动机的基本结构、工作原理和设计过程，分别从电机类型的选择、转子永磁体充磁方向、定子铁芯结构的确定和一个极下不同的槽数几个方面分析了这些因数影响电机性能的规律，得出了一定有价值的结论，从而为设计性能优越、制作简单、性价比高的圆筒型永磁直线电动机提供了有力的理论依据和参考价值。

［1］吴明赞，高凯，吕洪斌.圆筒直线感应电机研究综述［J］.世界科技研究与发展，2008，30(4):458 －460.

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