李国铭 王 飞

（包头长安永磁电机有限公司，包头 014030）

永磁同步直线电机广泛应用于半导体精密加工制造、往复式运动伺服以及提升搬运运输等领域，特点比较显著，其特点主要包括：构造简单、快速响应、高精度定位以及无传动链等。同时，永磁同步直线电机的使用最受限制的问题是设备的推力产生波动性，而在高速度和高精度的数控运行系统中，波动的推力会影响运行速度的稳定性，产生不需要的机械震动以及噪声，进而影响电机的稳定性，造成其控制速度和位置的特性能力低下，使得直线电机在零部件的加工精度和定位精度方面，性能变差。因此，找到这种推力波动的产生原因和解决办法，决定着同步直线电机的实际价值。

1 端部定位力的研究概述

推力发生波动是影响永磁同步直线电机运行性能的主要问题，而端部定位力则是导致推力波动的根本原因。所谓端部定位力，就是特指在电机空载运行的状态下，电机内永磁体形成的磁场要和铁心电枢齿槽的端部发生相互电磁作用，而形成电磁阻力，这就是齿槽以及端部的定位力。齿槽定位力要和电机旋转的定位齿槽转矩形成机理一致，一般情况下，能够采用的方法就是通过同步旋转直线电机的定位齿槽转矩来降低电机定位力，即错极处理、斜极处理，或半封口槽处理等。直线电机端部形成的定位力是其特定定位力，因为电机初级铁心在纵向有端部的影响才会形成，其也是本文重点研究的内容。

目前，永磁同步直线电机的端部定位力抑制和补偿技术的研究，一直是国内外该领域学者关注的重点，研究主要集中在如下方向：一是改良初级铁心的合理长度，二是改良初级铁心端部的设计形状，三是整合初级多个端部，四是对初级铁心的外侧添加齿的个数，五是提高辅助极的个数等。这些研究对于端部定位力的抑制有一定效果，也存在一些问题。而本文借助上述抑制方法研究的成果，进一步提出辅助极一体式永磁同步直线电机的设计理念，该设计方案特点明显，如电机结构材料机械强度高、电机端部形成的定位力小、制造加工工艺简单。

笔者运用侧向力研究的方法，创建辅助极一体式永磁同步直线电机端部定位力的数学分析模拟模型，并获得最优配置的辅助极位置以及辅助极宽度的数学函数表达式，通过有限元分析法验证了理论计算和分析的结果，并进一步对直线电机的个数、存在的气隙体状长度和极间距离对端部定位力的影响规律，进行深入的分析。

2 辅助极一体式永磁同步直线电机端部定位力抑制技术研究

2.1 永磁同步直线电机的结构特征

过去采用的永磁同步直线电机端部定位力抑制方案，通常会借助没有导磁特性的铝制板把电机的初级铁心和辅助极连接。该设计方案导致电机动子的设计结构非常复杂，造成装配时的大误差，电机整体的运行可靠性难以保证。如果将直线电机中的初级铁心与辅助极直接整合成一个固定结构，该处理的结果使得电机的结构设计更为简单，同时电机的各部件机械强度明显提升，而运行的稳定性和使用寿命都会有显著改善。这种设计不但延续了辅助极设计方案的诸多优点，而且弥补其存在的一些不足。与改良电机侧边端齿个数等方案比较，辅助极设计方案需要电机动子在纵向增加长度，而这对于其适用场合的选择，也是一个限制因素。

2.2 辅助极对于直线电机端部定位力的抑制机理

电机的辅助极含两个不同的端面，这一点和初级铁心的情况基本相似，而电机的辅助极也能和永磁体次级形成的磁场发生相互作用形成端部定位力，同时，此时的端部定位力也是线圈初始位置关于时间周期T的函数。在分析过程中，人们可以忽略电磁谐波的干扰影响，从而得到电机端部定位力相对于随初始位置依照正弦函数的变化曲线，并保持相应的幅值以及相位。采取改良辅助极宽度和高度的方式，能影响辅助极端部定位力的实际幅值，促使其端部定位力保持和初级铁心幅值一致。此外，人们可以借助改良辅助极的初始位置来调整电机辅助极的端部定位力函数曲线的相位，令初级铁心端部定位力与辅助极的相位差满足180°的条件，这样就会抵消相互的作用，能够抑制直线电机端部定位力的影响。

2.3 电机端部定位力数学解析

磁性材料在磁场中会受到力的作用，而作用力的大小主要受磁场磁导率影响。如果铁心材料内磁导率设为恒定，那么磁导材料不会形成作用力。但是，铁心两侧的端面是磁性介质与外部环境接触的界面，因此磁导率有一个突然的变化，导致初级铁心的两侧端面会形成作用力，该作用力就是电机铁心的端部定位力。实际电机铁心端部受力的计算公式为：

式中，B为垂直于铁心端面的磁通密度分量；μ为材料真空状态下的磁导率。

电机采用辅助极的设计方案，其端部定位力的分析与前述的初级铁心解析过程基本一致。电机中每个辅助极都包含两个端面，且辅助极采用的制造材料与初级铁心保持一致，即材料的电磁学属性没有任何差别，所以，这两个构造的端部定位力的数学表达式也完全保持一致。

对于辅助极一体式永磁同步直线电机来说，其内部动子主要由辅助极与初级铁心构成，并借助隔磁桥进行物理连接。按照设计预设前提条件，电机的动子端部定位力要等于辅助极与初级铁心端部定位力二力相加的合力。电机的动子端部定位力会按照其位置发生周期性的变化，而周期大小取值等于一个间距T，初级铁心端部定位力的幅值是电机辅助极宽度、位置和高度的函数。所以，人们可以设计适合的结构参数，确保电机端部定位力的幅值因抵消而为零，从而实现端部定位力抑制的设计目标。

设定初级铁心与辅助极高度等高，就能使初级铁心与辅助极的气隙磁通密度保持一致。该情况下，电机端部定位力的函数波形幅值为零，辅助极宽度会产生多个最优值，如果端部定位力的抑制效果不变，通常会选择最小宽度设计的辅助极配置方案。

3 结语

永磁同步直线电机端部定位力的抑制，对于该电机的使用性能和应用领域有着极大的影响。辅助极一体式端部定位力抑制技术是最近才被挖掘出来的解决方案，前景广阔。理论推导和实践应用证明，其拥有非常重要的意义和实用价值，值得大力推广和应用。