中国矿业大学等单位学者在磁路互补型横向磁通切换直线电机的电磁推力研究上取得进展

永磁直线电机（Permanent Magnet Linear Motor, PMLM）具有高速度、高精密、大行程和高动态特性等优点，在各类高精密工业伺服场合有重要应用价值。但有铁心永磁直线电机齿槽效应、端部效应以及电枢电流谐波等引起的推力波动会随着电机输出的电磁推力无缓冲地施加到负载上，影响高精密直线伺服精细平滑运动，干扰其平稳运行。

永磁直线电机本体在推力波动抑制方面主要包括电机结构型式调整、结构参数的优化设计、新型拓扑等。

在电机结构型式调整方面，主要通过极槽配合、初/次级分段、斜极或错位、磁极调整、额外辅助齿等方式减小电机定位力和抑制推力波动。但是相关学者提出的通过结构型式调整抑制推力波动的方法有一定效果，但改变电机结构时，常常忽略其他结构参数及其耦合的变化对推力波动带来的影响，同时结构的改变会增加电机的体积或增加电机的加工难度。

在电机结构参数的优化设计方面，通过结构参数的优化，降低电机推力波动。但是相关研究所提的结构参数优化设计，通过寻找全局最优等方法，可得到最优结构参数，实现推力密度和推力波动的相对最优解，然而由于拓扑结构的约束，其优化范围有限，推力波动的抑制程度有限。

为了提升直线电机性能，不断有新型直线电机拓扑提出，其中部分拓扑结构具有削减定位力的优势。有关采用电机本体结构的改变和优化的方法，在推力波动减小方面具有一定效果，但对直线电机推力特征研究较少。相关推力的求取方法简单便捷，但只初步求取了电枢绕组和永磁体间相互作用的推力，精度不高，没有求取电机定位力和电枢绕组磁阻力。如何快速准确求取电机定位力、电枢绕组电流产生的磁阻力、永磁体和电枢绕组间相互作用力等电磁推力，是直线电机分析推力、减小推力波动的一个关键问题。

针对电磁推力波动影响直线电机的运行精度和平稳性问题，中国矿业大学电气工程学院、哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院的付东山、吴康伊、郑萍、王祥瑞、伍小杰，在2022年第22期《电工技术学报》上撰文，在相关前期研究工作的基础上，对斜气隙圆筒型横向磁通切换永磁直线电机进行磁场分布与电磁推力特性分析。

图1 样机的结构及装配

研究人员通过磁场分布分析发现，永磁体励磁时次级铁心处磁位均保持不变。因此电机次级铁心既可以采用有关文献提出的硅钢片叠压制成，也可将整个或部分次级采用导磁碳钢制成，从而降低制造成本，提高次级的机械强度，解决圆筒型直线电机次级过长、固定困难的问题。其次，进行气隙磁场调制分析，证明通过合理选取次级极距和次级齿厚度，可实现该电机永磁体磁通回路互补，具有可以极大地削减定位力、消除齿槽效应的特点。

图2 样机实验平台

另外，针对该电机三维磁路结构，采用有限元计算耗时、磁路法求解复杂的问题，他们提出该电机基于许-克变换的气隙磁导计算模型，实现电机气隙磁导快速精确计算，分别确立电机的定位力、电枢绕组磁阻力、永磁推力快速计算方法，为分析电机电磁推力特性，进一步优化电磁推力，提供理论指导。

研究人员最后对实验样机进行了空载感应电动势和各电磁推力的测试实验，通过对比仿真和实验结果，验证了基于许-克变换快速推力计算方法的有效性和准确性。

本文编自2022年第22期《电工技术学报》，论文标题为“磁路互补型横向磁通切换直线电机电磁推力计算与特性分析”。本课题得到国家自然科学基金国家重大项目课题和江苏省研究生科技与实践创新计划的支持。