吴 伟，司纪凯，岳帅军，刘群坡，封海潮，李应生

(1.河南理工大学，焦作 454003；2.郑州润华智能设备有限公司，郑州 450001)

0 引 言

在生产流水线、机械手臂、机床车床等生活和工业生产方面，平面驱动装置得到广泛应用。传统的直线驱动设备利用机械传动机构，将旋转电机提供的旋转运动转换成直线运动，而要想实现二维平面的驱动定位，则需要至少两套这样的设备在非共线方向上叠加构成。传动机构的介入使得系统中摩擦、碰撞等现象增多，很难满足高精度定位的要求[1]，且机组数愈多，系统体积愈大。

随着科学技术的不断发展和电机制造工艺的不断优化，将直线电机应用于平面电机设计已成为一种趋势，采用多个直线电机同时驱动同一次级而实现在整个平面上的多自由度运动和定位。由于省去了传统直线驱动设备的直线运动转换机构，所以不存在摩擦、侧隙、变形等带来的误差，从而提高控制精度。采用直接驱动的方式，不用接入传动部件，可依靠电磁推力实现对次级的直接驱动，将电磁能直接转换为机械能，因此该系统的出力密度及精度都相对较高；由于省去了机械传动机构，使得系统整体体积减小；对次级的直接驱动使得系统具有更高的灵敏度；相比于传统直线驱动设备电机与传动机构复杂配合，平面电机的动子一般采用钢板下表面镀铜的结构，结构更为简单[2]。

目前，已研制出的平面电机结构及形式方面都呈现出多样化。根据电磁推力产生的原理，可将平面电机分为变磁阻型、永磁型、感应型和直流型[1]。本文参考国内外学者的相关优秀作品，对平面感应电机的研究、设计进行总结，为未来平面感应电机的进一步研究、优化的方向和发展趋势提供参考。

1 国内外研究现状

尽管平面感应电机还没能达到高精度、高速度平面驱动的要求，但是其利用简单的次级平面实现较宽运动范围平面驱动的优点，使得平面感应电机在大负载平面驱动方面有较强的适应性[3]。由于对平面感应电机的研究起步较晚，而且，并没有受到各国学者的广泛重视，所以，相较于其他类型的平面电机，感应型平面电机的相关理论、技术均不成熟。根据电机次级所受推力的合成方式不同，可将现有的平面感应电机分为环形式平面感应电机和多向合成式平面感应电机。

1.1 环形式平面感应电机结构及机理

在文献[4]中，日本九州大学的学者Nobuo Fujii提出了一种圆环式平面感应电机，其电机结构如图1所示。该结构的平面感应电机，初级为环形开槽铁心，铁心槽中设置有电枢绕组，次级由导电的背铁板和导磁板组合构成。这种环形式平面感应电机的特点在于，既能够实现在平面上绕中心轴旋转，又能够实现在平面上做直线运动，只需通过控制对电枢绕组的供电方式，就可以实现对电机运动方式的控制。

图1 圆环式平面感应电机

当需要旋转驱动时，给所有线圈通入三相交流电，所产生的行波磁场会绕环形铁心的中心旋转，驱动初级做旋转运动，如图2(a)所示；当需要直线驱动时，将电枢绕组线圈分为2部分，由2个逆变器分别向这2部分线圈通入反向的三相交流电，使2部分线圈产生2个相对的行波磁场来驱动初级。根据矢量相加的原理，合力沿直线运动的轴方向，驱动初级做直线运动，如图2(b)所示。

(a) 旋转驱动

(b) 直线驱动图2 环形式平面感应电机工作原理图

该结构可实现平面驱动和旋转驱动，次级结构简单，但控制困难，速度和精度不高，初级绕组结构复杂。

1.2 双向合成式平面感应电机结构及机理

耶拿学者Peter Dittrich教授提出一种三自由度平面感应电机[5]，其电机结构如图3所示。该平面感应电机为动初级型，采用气浮支撑方式，靠4个空气轴承为初级和次级提供稳定的气隙宽度，用2个光学位置传感器来确定动子的位置，次级为简单的覆铜基板，初级侧具有4个独立供电的电枢绕组单元，这4个电枢绕组为两两平行的直线感应电机定子，对4个绕组的通电情况进行控制，即可得到沿X方向和Y方向上的电磁推力。

图3 双向合成式平面感应电机

当向任意一对绕组通入同向的三相交流电时，两绕组中将产生同向的电磁推力，驱动动子在平面上做直线运动；当向4个绕组中按顺时针(或逆时针)方向通入三相交流电时，可产生顺时针(或逆时针)方向上的圆周切向电磁推力，驱动动子在平面上做旋转运动。

这种结构的平面感应电机的优点是增加了电机的活动范围，且运动方式更加多样化，结构简单紧凑；但是，该电机在控制方面仍然存在一定的难度，而且，利用位置传感器给动子定位方面还遗留一些问题亟待解决。

1.3 三向合成式平面感应电机结构及机理

日本东北学院大学与美国卡内基梅隆大学研究了一种三定子平面感应电机[6]，其电机结构如图4所示。该平面感应电机为动次级型，定子侧由3个直线感应电机绕组、矢量控制驱动器和3个光学鼠标传感器组成，动子由覆铜板和背铁板构成。

图4 三向合成式平面感应电机定子结构

该平面感应电机采用多个激光鼠标传感器，每个传感器都能够在正交的两个方向上检测动子平面运动速度，把这些激光鼠标传感器测量得到的双线性传感值进行组合再转化为三维速度值，将其与系统的位置和旋转角度相结合计算出加权平均值，对3组电枢绕组输入相应大小的电流，实现对3个定子电枢出力大小的控制，由合成推力来驱动定子做直线运动，实现对动子的直线驱动。当沿顺时针或逆时针方向给3个定子电枢输入三相交流电时，即可得到3个顺时针或逆时针的沿圆周切向的电磁推力，实现对动子的旋转驱动。

这种结构的系统可以提供平面感应电机的位置、旋转角度、平移速度和角速度。但是该系统也存在一定的问题，如该系统只能测量相对运动，没有绝对的位置；方向和位置的漂移会随时间的推移逐渐积累。

2 平面感应电机的优缺点分析

2.1 平面感应电机优点分析

采用平面感应电机取代传统旋转电机，配合机械转换机构，实现对二维平面运动的直接驱动，不仅省去了机械转换机构，减小了系统结构的复杂度，而且，其动子一般采用钢板下表面覆铜的结构，易于加工制造，降低了成本，简单的系统结构也增加了系统稳定性，减少了维护的次数与费用[7]；平面感应电机可以将电能直接转换为二维平面的电磁推力，当采用气浮或磁浮的非接触支撑方式时，可以实现传动部件无接触磨损，减少机械消耗，同时可以减小传统电机因传动机构和电机轴承之间的碰撞、摩擦而产生的噪声，运行环境好；平面感应电机的定子一般较长，且通常暴露于空气，故此类电机散热效果好，热负荷也较高，可以在较恶劣的环境条件下工作。

2.2 平面感应电机的缺点分析

平面感应电机由于其自身结构的特点，也存在着以下的缺点：

(1) 电机初级三相绕组不对称排布的特点，使得即使给三相绕组两端施加对称的三相电压，绕组中的电流也会出现不对称现象，利用对称分量法可分离出三相不对称电流中的负序和零序分量，对应这两种电流将产生反向行波磁场和脉振磁场。这两种磁场在次级运行过程中将产生阻力及附加损耗，从而降低平面感应电机的效率和功率因数。由于平面感应电机所采用的气隙厚度要比旋转电机的气隙厚度大，所以，其每极磁路的总磁位降及磁化电流也会增大，从而增加了电机的损耗[8]；与此同时，两端开断的特殊机构，使得电机的初级中产生了一定的边缘效应，也间接增加了损耗。两方面的原因导致平面感应电机的效率和功率因数低，低速运行时更加明显。

(2) 随着时间的积累，由于惯性等各种因素而引起的电机位置偏差也会积累，从而增加位置不确定性，导致平面感应电机的定位精度及可靠性方面受到一定限制。

(3) 由于平面感应电机的机电特性较为复杂，在分析时常基于简化的原理，所以平面感应电机很难实现高速和高精度平面驱动[1]。

3 平面感应电机的优化方法分析

针对平面感应电机存在的边缘效应的影响，文献[9]中提到相应方法，以实现对平面感应电机性能的优化。

3.1 削弱纵向边缘效应的方法

(1) 对于可使用3台直线电机，同时驱动同一动子的场合，如果这3台电机的参数完全一致，则可采用换位接法的方式，来消除由于结构的特殊性而引起的不对称电流，从而消除纵向边缘效应的影响，换位接法如图5所示。

图5 消除逆序和零序电流的换位接法

(2) 对于不能采用换位接法的场合，一般通过增加电机极数的方式来削弱不对称互感的影响。电机中逆序和零序电流的所占比重随极数的增加而减小，一般认为，极数不小于6时，即可忽略这2种电流的影响。

(3) 由于直线电机两端是断开的，实际槽数必须大于极数要求的槽数。对于双层绕组，边端有单层的槽，为减小边端效应的影响，可在相应的半槽中安放补偿元件[10]。

3.2 削弱横向边缘效应的方法

对于横向边缘效应的削弱，通常采用适当加大次级宽度的方法。当次级的各边伸出铁心的宽度约为极距的0.4倍时，横向边缘效应影响较小，且比值越大，横向边缘效应影响越小。但是，当比值大于0.4时，比值的增加对性能优化的提升效果会明显降低。

4 平面感应电机的初级绕组优化设计

由于平面感应电机的定子，实质上可以看作是旋转感应电机的定子沿径向剖开后拉伸成直线，所以，在定子绕组形式方面，平面感应电机与旋转感应电机也基本相同，常见的绕组形式主要分为集中绕组和分布式绕组，其中分布式绕组又可分为单层和双层两大类，主要包括单层同心式绕组、单层链式绕组、双层无补偿绕组、双层有补偿绕组。

文献[11，12]采用有限元法和等效电路法对多种不同绕组排布形式进行了分析计算，最终得出当采用双层分布式绕组且每极每相槽数为3时系统性能达到最佳状态。文献[13]提出一种五相绕组的定子结构设计，并与传统三相双层绕组电机相比，五相绕组电机的效率更高，结构更简单。文献[14]提出一种多层平面集中绕组形式，削弱负面谐波量、提高波形质量。文献[15]提出一种平面模块化绕组形式，对谐波进行抑制和消除。

5 平面感应电机的应用与发展方向

5.1 平面感应电机的应用

由于平面感应电机可由直线电机对动子实现直接驱动，不需要复杂的中间传动装置，电机整体结构更加简单，直接驱动的方式使得电机具有精确度高、机械摩擦小、响应快的优点，多自由度平面感应电机还具有集成度高、运动灵活性高、运动方式多样化的特点，因此在机床、机器人、机械手臂等需要全向驱动的领域正逐步得到应用和推广。

5.2 平面感应电机的研究发展方向

结合目前平面感应电机的研究现状及工业生产的要求，针对平面感应电机由于自身结构问题而存在的一些缺陷，可以预测平面感应电机的研究将会有以下几个发展方向。

5.2.1 基础理论和算法的研究

与传统的旋转电机相比，平面感应电机的初级存在结构上的特殊性，所以旋转电机的相关理论和算法不能直接应用在平面感应电机上。由于平面感应电机的机械特性非常复杂，而目前所采用的算法还只是一些等效电路法等简化算法，计算结果在精确度上受到限制。不断加强对理论的研究，实现对算法的优化和完善，对计算精度的提高有着重要意义。

5.2.2 高速、超高速平面感应电机结构设计

平面感应电机在以高速、超高速运行时，会有较高的电机温升，严重的会使电机气隙不均匀，降低电机性能，缩短电机使用寿命。因此，如何降低电机温升、增强电机散热性能有着重要的研究意义：

(1) 由于平面感应电机自身的工作机理和结构特点，在输出电磁推力的同时，会有一个法向推力产生[17]，该推力可以抵消一部分的负载重力，对该法向推力进行深入研究并加以应用，可以减小机械摩擦力，降低因机械摩擦而产生的热量。

(2) 加强对新材料的研究。性能优良的材料可以降低定、转子上的损耗，从而降低电机温升，提高电机效率。文献[18]提出一种超材料用于电机设计，建立了电机模型，并对电机的性能进行了仿真分析。

(3) 目前常用的电机冷却方式主要有气冷、水冷、油冷等，当平面感应电机在高速或超高速运行，由于电流热效应和摩擦产生的热量会增大，如果传统的散热方式不能满足散热要求，就可能会对电机本身造成损害，对新型散热冷却方式的研究是加强对电机保护的一个重要途径。文献[19]中提出一种新型双层水冷结构，实现对平面电机初级的冷却和温控。

5.2.3 初级绕组方式设计

因平面感应电机初级铁心结构的特殊性而产生逆序磁场和零序磁场会影响波形、效率等电机性能，目前主要采用换位、添加补偿装置等方法来削弱边缘效应的影响，然而这些方法会受到应用场合的限制。对新型绕线方式的研究，进一步削弱甚至消除边缘效应的影响，可以实现对电机效率、输出推力的提升。

5.2.4 平面感应电机的控制精度研究

与其他类型的平面电机相比，平面感应电机在控制精度、响应速度方面都不如变磁阻式和永磁式，而结构的改良不能实现对这些性能的优化，所以通过完善控制系统来提升平面感应电机的控制精度和响应速度，是平面感应电机的一个重要的研究方向。

多自由度平面电机的各运动自由度之间存在着紧密的电磁和力学耦合[20],复杂的耦合关系也提高了对电机精准控制的难度，所以不断研究和完善多自由度平面感应电机的运动场和电磁场的解耦分析算法，是提高多自由度平面感应电机控制精度的关键。

6 结 语

平面感应电机以结构简单、运动灵活、安全可靠、振动和噪声小等优点，已被广泛应用于车床机床、制造业、运输业、军事和航空航天等领域。但是，在控制精度、运行速度、效率和功率因数等方面与旋转电机、平面同步电机相比还有很大的提升空间。

随着工业生产技术、计算机技术等技术的不断发展，对电机结构和控制系统的深入研究和优化，平面感应电机在性能、运行精度、运行速度和加速等方面也会得到提升，适应更多的场合，在多个领域逐步取代传统电机。