直线电机开发及应用研究

2009年第1期

唐丽婵,等:基于LabVIEW 的无线远程温度监控系统

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文章编号:1674-540X(2009)01-025-07

收稿日期:2009-01-15

作者简介:王振滨(1973-),男,博士研究生,主要从事分数阶线性系统和电气传动方面的研究工作,E mail:wangzhenbing@

直线电机开发及应用研究

王振滨1, 余鹿延2, 周守国3

(1.上海电气集团股份有限公司中央研究院,上海200070;

2.上海赛科现代交通设备有限公司,上海200023;

3.上海捷晟电机有限公司,上海200075)

摘 要:介绍了直线电机国内外的发展现状,指出永磁同步直线电机将是直线电机今后的发展方向。阐述了永磁同步直线电机的磁阻力产生的原因及其造成的推力波动对永磁同步直线电机控制性能的影响,并归纳出减小磁阻力的方法。最后简要介绍了上海电气中央研究院在开展永磁同步直线电机研究及应用的情况。

关键词:永磁同步直线电机;磁阻力;控制;开发与应用中图分类号:T M 33 文献标识码:A

The Development and Application Research of Linear Motors

W A N G Zhenbin 1

,YU L uyan 2

,ZH O U S houguo

3

(1.Shang hai Elect ric Group Co.Lt d.Cent ral A cademe,Shang hai 200070,China;2.Shanghai SEC M odern Traffic Equipment Co.Ltd.,Shanghai 200023,China;

3.Shanghai Jie Sheng M ot or Co.,Ltd.,Shanghai 200075,China)

Abstract:It intro duces the up to date researches o f linear mo to rs hom e and abro ad,and points out permanent magnet linear synchronous m otors (PMLSM )w ill be the development dir ectio n of linear motor s in the future.T he r easo ns orig inated fr om detent for ce of PM LSMs are illustrated as w ell as the influences of the thrust force r ipple caused by it on the control per for mances of PM LSMs,and the methods o f reducing detent force is summed up.Finally,a brief introduction is g iven of the researches and applications of PM LSM s made by Shanghai Electr ic Gr oup Co.Ltd.Centr al A cademe.

Key words:PM LSM;detent force;contr ol;development and applicatio n

1 直线电机国内外研究现状

1.1 快速发展的永磁直线电机技术

永磁直线电动机具有结构简单、体积小、无电

励,效率高、单位推力大等优点,随着稀土永磁材料、电磁场数值计算与分析、智能控制理论以及计算机技术的不断发展,永磁直线电动机的发展越来越快,己成为学术研究和开发应用的热点。永磁直

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线电机将引领直线电机的发展潮流[1,2]。

永磁直线电动机种类较多,结构多样。目前的研究,主要以交流永磁直线电动机为多。在交流永磁直线电动机当中,又较多的集中在有铁心永磁直线电动机方面。对于该电机,人们主要是研究如何减少磁阻力(包含端部力和齿槽力)及由其产生的推力波动影响。通过大量的理论分析、试验验证以及实际应用,目前已取得了明显的成果。

在国外,有很多高校和研究机构从事永磁直线电机方面的研究。在扁平型永磁直线电机方面, Deng Zesheng,Bo ldea和Nasar等早在1986年利用等效磁化电流的方法对单边扁平型永磁直线电机进行了解析求解;Yu Xiongg uang和Nasar则在1989年利用磁荷的概念和镜像法,对扁平型永磁直线电机进行了解析求解;美国M IT的T rumper根据Max w ell方程组,推导出矢量磁位的微分方程组,并推导出磁密、推力、磁链、自感和反电势的解析公式等。

在圆筒型永磁直线电机方面,意大利的Nicola Bianchi分别采用等效磁路法和等效磁化强度的方法分析了轴向和径向充磁结构的圆筒型永磁直线电机,分析了几个电机主要尺寸对磁场的影响;澳大利亚悉尼理工大学的Lu H aiw ei,Zhu Jiang uo设计了1种微型无槽式圆筒型永磁直线电机,并将其应用在微型机器人上;意大利的M arignetti, Scarano设计了1种轴向充磁的圆筒型永磁直线电机,详细分析了电机尺寸对性能的影响等。

国内研究扁平型永磁直线电机的单位比较多,其中包括中科院电工所、河南理工大学(原焦作工学院)、浙江大学、清华大学、华中科技大学和太原理工大学等。研究内容包括永磁直线电机的线性分析模型;等效电路参数的推导;采用等效磁化电流的方法求解电机磁场;建立永磁直线电机的 整体分层线性模型 ;三维场的分析推导和数学模型的建立;端部效应对永磁直线电机电枢磁链的影响;法向力与推力、电机尺寸与推力的关系,机床进给系统用永磁直线电机的设计方法;以及永磁直线电机推力波动产生的机理和减小推力波动的技术措施。此外,还有一些关于永磁直线电机动、静态性能分析的研究等。

国内关于圆筒型永磁直线电机的研究相对较少,目前主要有太原理工大学、浙江大学、山东大学、河南理工等机构采用 等效磁势法 和 等效磁化强度法 对空心式永磁直线电机内磁场进行解析分析,通过解析分析与有限元分析的比较,证明 等效磁化强度法 的求解结果更准确;推导了电机气隙磁密、推力和反电势的解析公式,并详细分析了电机主要尺寸对电机性能的影响;对不同向充磁圆筒型永磁动圈或动铁式永磁直线电动机的气隙磁场进行了解析分析和有限元分析,给出了永磁直线电机设计的基本方法等。

在目前的直线电机的产品中,永磁直线电机占了很大的份额,生产商主要集中在日本、美国、英国、德国等发达国家。他们在永磁直线电机的研究和开发方面取得了显著成果。

1.2 大推量、高速高精度、伺服性直线电机技术

1.2.1 大推力直线电机技术的研究发展

(1)在交通领域的发展

近些年来,直线电机在大推力、大容量方面的发展也是比较快的。其应用领域如:20世纪80年代开始在加拿大、日本、美国、马来西亚等应用的直线感应电机的城轨交通(地铁和轻轨),现在发展很快,特别在日本和中国。其优势主要体现在降低车体高度,减小隧道面积,成本减少,土地节约;爬坡能力强,转弯半径小;非接触牵引,节能,噪音低;列车加减速度快,效率高;维护量少,运营成本低;长期的安全运行纪录。如温哥华空中列车在14年的时间里安全运送乘客4.5亿人次,运行里程超过10亿km。

日本自1990年3月在大阪7号线采用了直线感应电机驱动的地铁,1991年在东京12号线采用直线电机驱动地铁后,神户、横滨、福冈、仙台和其他一些城市也引入直线电机地铁。我国广州地铁的4号线、5号线、6号线、7号线,有的已用,有的将要用。北京机场一东直门的直线电机轻轨地铁线已于2008年7月投入使用。国内浙江大学与上海南洋电机集团合作的直线电机驱动地铁车试验线正在调试中。另外,中科院与泰富公司也在从事这方面工作。

直线电机在大推力、大容量方面的发展除在地铁和轻轨的应用领域外,在磁浮交通方面的应用也是令人注目的一部分。目前一些国家在磁浮交通驱动技术方面仍在不断向前发展,如日本、德国、美国以及其他一些国家以不同的方式开展研发和推进应用。中国的沪杭磁浮交通线仍在进行相关调研工作。

(2)在物流及工业设备方面的发展

发达国家企业的物流设备占项目总投资的比