王培欣,司紀(jì)凱,封海潮,劉 巍,曹文平

(1.河南理工大學(xué),焦作454003;2.Aston University,Birmingham,UK B47ET)

0 引 言

實(shí)心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱SRIM)具有優(yōu)越的起動(dòng)性能,適合頻繁重載起動(dòng)或者長(zhǎng)時(shí)間工作在制動(dòng)狀態(tài)的特點(diǎn)[1],同時(shí)SRIM轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械強(qiáng)度與平衡性高[2-3]、獨(dú)特的渦流特性等優(yōu)點(diǎn),在起重設(shè)備領(lǐng)域,高速電機(jī)領(lǐng)域以及多自由度電機(jī)等領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

SRIM的研究工作有近百年的歷史,由于SRIM較低的力能指標(biāo),所以一直沒有引起研究者的重視。上世紀(jì)50～60年代,主要側(cè)重于SRIM轉(zhuǎn)子參數(shù)與等值電路的研究;70年代后,隨著研究理論的深入以及實(shí)心轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),研究學(xué)者對(duì)SRIM應(yīng)用價(jià)值的挖掘,提出多種新型派生實(shí)心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)用于降低SRIM的轉(zhuǎn)子阻抗,改良SRIM性能以及實(shí)心轉(zhuǎn)子應(yīng)用于多自由度感應(yīng)電機(jī)領(lǐng)域;90年代以來,隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,變頻器的容量與頻率的不斷提高,直接驅(qū)動(dòng)型高速SRIM得到了前所未有的發(fā)展。

眾所周知,SRIM能夠頻繁重載起動(dòng),長(zhǎng)時(shí)間工作在制動(dòng)狀態(tài),適合于力矩電機(jī)以及動(dòng)力設(shè)備,特別是Y系列軟起動(dòng)與錐形實(shí)心轉(zhuǎn)子電機(jī)廣泛的應(yīng)用于起重設(shè)備。相對(duì)于永磁式電機(jī)與鼠籠式電機(jī),SRIM具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu),價(jià)格便宜,機(jī)械強(qiáng)度高,耐腐蝕,可靠性高的優(yōu)點(diǎn)[4],在中高速電機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛;SRIM特有的轉(zhuǎn)子渦流特性在多自由度感應(yīng)電機(jī)領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價(jià)值。由于Y系列軟起動(dòng)與錐形轉(zhuǎn)子SRIM于起重設(shè)備應(yīng)用的成熟性與普遍性,本文不贅述起重用SRIM。

本文參考分析國(guó)內(nèi)外學(xué)者數(shù)十篇針對(duì)不同類型的SRIM研究成果,總結(jié)分析了實(shí)心轉(zhuǎn)子高速電機(jī)、旋轉(zhuǎn)直線電機(jī)以及平面多自由度電機(jī)的研究發(fā)展現(xiàn)狀,并分析預(yù)測(cè)其研究發(fā)展方向,為SRIM進(jìn)一步的研究與發(fā)展提供參考。

1 高速實(shí)心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)

高速電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)工作時(shí),電機(jī)內(nèi)部溫度較高,同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子受到非常大的離心力,由于永磁式電機(jī)在高溫下永磁體弱磁與失磁,鼠籠式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)難以承受高速旋轉(zhuǎn)的離心力,而SRIM轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,具有較高的溫度耐受性與高強(qiáng)度的應(yīng)力特性,因此SRIM在高速電機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[5]。在實(shí)心轉(zhuǎn)子高速感應(yīng)電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱HSSRIM)領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)的研究與發(fā)展水平無論從裝機(jī)容量上還是最大轉(zhuǎn)速上都遠(yuǎn)低于國(guó)外的發(fā)展水平[4]。國(guó)外HSSRIM的研究處于世界領(lǐng)先水平,最大功率的HSSRIM為ABB公司2002年研制,速度可達(dá)20 000 r/min,功率達(dá)15 MW[6]。當(dāng)今最高轉(zhuǎn)速的HSSRIM速度可達(dá)180 000 r/min,功率為10 kW,電機(jī)效率約為85%[7]。國(guó)內(nèi)對(duì)HSSRIM的研究相對(duì)于國(guó)外滯后,其中沈陽工業(yè)大學(xué)[8]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)[9]的研究工作者都對(duì)HSSRIM開展了許多研究工作。

芬蘭學(xué)者Pyrhonen以一種極對(duì)數(shù)為1,功率為8 MW的氣體壓縮機(jī)用HSSRIM為研究對(duì)象[10-11],分析轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(光滑轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子開槽、銅籠結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子開閉口槽)與轉(zhuǎn)子材料對(duì)電機(jī)性能的影響,開槽實(shí)心轉(zhuǎn)子槽數(shù)與電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和轉(zhuǎn)子損耗的關(guān)系,并且對(duì)比了轉(zhuǎn)子開槽結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)子銅籠結(jié)構(gòu)電機(jī)的磁場(chǎng)分布與整體性能,其電磁場(chǎng)分布如圖1所示。

圖1 電機(jī)二維電磁場(chǎng)分布

相對(duì)于光滑實(shí)心轉(zhuǎn)子,開槽實(shí)心轉(zhuǎn)子能夠產(chǎn)生相對(duì)良好的電磁場(chǎng),降低了轉(zhuǎn)子阻抗,但是,電機(jī)在高速工作時(shí),會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的轉(zhuǎn)子摩擦損耗。同時(shí),開槽實(shí)心轉(zhuǎn)子的槽數(shù)影響電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子損耗,槽數(shù)越多電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩越大,轉(zhuǎn)子損耗越大,奇數(shù)槽的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小于偶數(shù)槽。電機(jī)額定負(fù)載運(yùn)行時(shí),銅籠結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子相對(duì)于開槽結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子具有更小的滑差,磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子具有更好的透入深度特性。

德國(guó)達(dá)姆施特大學(xué)教授Yoseph設(shè)計(jì)分析一臺(tái)三相24 000 r/min的HSSRIM[12-13],其電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)采用軸向開槽加銅端環(huán)結(jié)構(gòu)。由于過高的供電頻率,高速電機(jī)極數(shù)一般為2極或者4極。Yoseph教授在此電機(jī)極數(shù)選擇上分別從電機(jī)性能以及溫度場(chǎng)方面進(jìn)行研究,并與相同容量的永磁高速電機(jī)進(jìn)行對(duì)比。該電機(jī)極數(shù)為2極或4極時(shí)的電磁場(chǎng)分布如圖2所示。

圖2 二維電磁場(chǎng)分布

相對(duì)于4極高速電機(jī),2極高速電機(jī)達(dá)到相同速度時(shí)的供電頻率是4極電機(jī)的一半,所以2極高速電機(jī)具有更低的定子鐵耗與轉(zhuǎn)子損耗。在繞組溫度達(dá)到80 K和轉(zhuǎn)子速度為24 000 r/min時(shí),2極高速電機(jī)的轉(zhuǎn)矩體積密度比4極的要高出30%,所以2極是高速電機(jī)更好的選擇。

印度學(xué)者Khanduri以一臺(tái)180 kW,轉(zhuǎn)速10 200 r/min的HSSRIM為研究對(duì)象[14],分析轉(zhuǎn)子材料與轉(zhuǎn)子端環(huán)的長(zhǎng)度對(duì)電機(jī)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)子材料相對(duì)磁導(dǎo)率的增加,會(huì)導(dǎo)致電機(jī)功率因數(shù)的上升與輸出轉(zhuǎn)矩的下降,其幅度會(huì)隨著轉(zhuǎn)差率的下降而降低。在電機(jī)運(yùn)行過程中,功率因數(shù)隨著電導(dǎo)率的增大而減小,隨著轉(zhuǎn)差率的下降而降低。在小轉(zhuǎn)差率條件下,輸出轉(zhuǎn)矩隨著電導(dǎo)率的增大而增大;在大轉(zhuǎn)差率條件下,輸出轉(zhuǎn)矩隨著電導(dǎo)率的增大而減小。轉(zhuǎn)子端環(huán)長(zhǎng)度對(duì)電機(jī)的影響類似于轉(zhuǎn)子材料相對(duì)磁導(dǎo)率,輸出轉(zhuǎn)矩隨端環(huán)長(zhǎng)度的增大而減小,功率因數(shù)隨端環(huán)長(zhǎng)度的增大而增大,但功率因數(shù)變化的幅值隨轉(zhuǎn)差率的增大先增大后減小。對(duì)于HSSRIM來講,轉(zhuǎn)子材料的相對(duì)磁導(dǎo)率對(duì)電機(jī)性能的影響不大,在小轉(zhuǎn)差率運(yùn)行時(shí)基本相同;轉(zhuǎn)子材料電導(dǎo)率對(duì)電機(jī)有很大的影響,高電導(dǎo)率能夠使電機(jī)輸出更大的轉(zhuǎn)矩;轉(zhuǎn)子端環(huán)對(duì)于改良電機(jī)特性有很重要的作用,較小的端環(huán)長(zhǎng)度,電機(jī)有更好的轉(zhuǎn)矩輸出特性。

以上學(xué)者對(duì)HSSRIM做了一定的研究工作,另外文獻(xiàn)[15-19]中學(xué)者們也從各自的研究方向?qū)SSRIM的電磁場(chǎng)特性,輸出特性等方面進(jìn)行研究。針對(duì)HSSRIM的研究雖然有了一定的基礎(chǔ),但這些研究成果對(duì)于HSSRIM來說是否具有通用性還有待進(jìn)一步的研究,同時(shí)在HSSRIM的設(shè)計(jì)與分析方面還有很多問題亟待解決。例如,高頻工況下定子繞組的趨膚效應(yīng)與鄰近效應(yīng),增大繞組附加損耗[20],常規(guī)的計(jì)算方法忽略這些影響會(huì)帶來較大的誤差,這對(duì)電機(jī)參數(shù)的精確計(jì)算以及電機(jī)高精度控制系統(tǒng)的搭建帶來很大的困難。

2 實(shí)心動(dòng)子旋轉(zhuǎn)直線感應(yīng)電機(jī)

實(shí)心動(dòng)子旋轉(zhuǎn)直線感應(yīng)電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱SRRLIM)始現(xiàn)于上世紀(jì)70年代中期,波蘭學(xué)者E.A.Mendrela首先提出一種雙電樞直線旋轉(zhuǎn)電機(jī),自此以來,SRRLIM得到了快速的發(fā)展,多種結(jié)構(gòu)的SRRLIM被國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者提出并作出大量的研究工作,為SRRLIM的發(fā)展作出寶貴的貢獻(xiàn)。SRRLIM相對(duì)于永磁式多自由度電機(jī)[21-23],磁阻式多自由度電機(jī)[24-29]復(fù)雜的電樞與動(dòng)子結(jié)構(gòu),SRRLIM動(dòng)子結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,以及特有的動(dòng)子渦流特性容易配合多自由度電機(jī)定子產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng),產(chǎn)生相應(yīng)的電磁力,做多自由度運(yùn)動(dòng)。

上世紀(jì)70年代中期,波蘭學(xué)者E.A.Mendrela首先提出的軸向雙電樞直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)[30],該電機(jī)由軸向分布的旋轉(zhuǎn)定子與直線定子,和一個(gè)實(shí)心動(dòng)子組成,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該電機(jī)旋轉(zhuǎn)定子與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)相同,產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩,構(gòu)成旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)單元;直線定子與圓筒形直線電機(jī)定子結(jié)構(gòu)相同,產(chǎn)生直線推力,構(gòu)成直線驅(qū)動(dòng)單元;旋轉(zhuǎn)與直線驅(qū)動(dòng)單元共用一個(gè)實(shí)心動(dòng)子,通過不同的供電方式,該電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)、直線和螺旋運(yùn)動(dòng)。

圖3 雙電樞直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)

上述雙電樞直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)包含軸向串聯(lián)分布的兩套定子鐵心與電樞繞組,導(dǎo)致該電機(jī)結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng),限制該電機(jī)的應(yīng)用空間。另外,E.A.Mendrela又提出一種新結(jié)構(gòu)的雙繞組旋轉(zhuǎn)直線電機(jī)[31],由一個(gè)定子鐵心和兩套電樞繞組構(gòu)成其驅(qū)動(dòng)單元,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 雙繞組旋轉(zhuǎn)直線電機(jī)

上述新結(jié)構(gòu)電機(jī)兩套電樞繞組分別沿軸向與周向嵌放在定子鐵心中,雖然極大減小了電機(jī)的軸向長(zhǎng)度,節(jié)省了軸向空間,但是其鐵心疊片只能與其中一套繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)相配合,而不能有效地抑制另一套繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用于鐵心疊片產(chǎn)生的渦流。

美國(guó)德州農(nóng)工大學(xué)的學(xué)者提出一種單定子單電樞繞組的螺旋感應(yīng)電機(jī)[32-33],其定子結(jié)構(gòu)如圖5所示。該電機(jī)定子通過將螺旋狀的三相繞組固定在6個(gè)硅鋼疊片所構(gòu)成的定子鐵心的螺旋槽內(nèi),動(dòng)子采用表面覆銅的圓筒形實(shí)心結(jié)構(gòu)。其電樞繞組通三相交流電后會(huì)產(chǎn)生螺旋運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng),驅(qū)動(dòng)動(dòng)子做螺旋運(yùn)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)電機(jī)只能做單一的螺距固定不變的螺旋運(yùn)動(dòng),不能做直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);而且由于其螺旋形繞組結(jié)構(gòu),電機(jī)的電磁是強(qiáng)耦合的,增加了兩個(gè)方向上力的解耦與轉(zhuǎn)矩控制的難度。

圖5 螺旋感應(yīng)電機(jī)定子繞組分布

日本早稻田大學(xué)與韓國(guó)高麗大學(xué)共同提出一種多定子直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)[34],其結(jié)構(gòu)如圖6所示。該電機(jī)由4個(gè)沿圓周方向分布的獨(dú)立定子,以及由次級(jí)導(dǎo)體和鐵軛組成的動(dòng)子構(gòu)成。4個(gè)定子線圈分別由獨(dú)立的移相器供電,通過控制各個(gè)定子繞組中電流的相角,使相鄰定子之間相互作用,產(chǎn)生軸向推力的同時(shí),產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。

圖6 多定子直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)

在此基礎(chǔ)上,早稻田大學(xué)又提出一種定子軸向分布的多定子旋轉(zhuǎn)直線電機(jī)[35],其結(jié)構(gòu)由4個(gè)軸向分布的旋轉(zhuǎn)定子與動(dòng)子組成,仍然采用獨(dú)立的移相器供電,通過控制定子電流相位角使相鄰定子之間相互作用,驅(qū)動(dòng)動(dòng)子做多自由度運(yùn)動(dòng)。由于此類型電機(jī)其中一個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)是由定子之間的相互作用產(chǎn)生的,其電磁力的幅值與穩(wěn)定性難以計(jì)算與控制,而且該電機(jī)采用4個(gè)獨(dú)立的移相器供電,加大了電機(jī)控制系統(tǒng)與控制方法的復(fù)雜性與難度。

河南理工大學(xué)教授司紀(jì)凱提出一種兩自由度直驅(qū)感應(yīng)電機(jī)[36],該電機(jī)由旋轉(zhuǎn)弧形定子,直線弧形定子和表面附銅的圓筒形實(shí)心動(dòng)子組成[37-38],其結(jié)構(gòu)如圖7所示。旋轉(zhuǎn)弧形定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),驅(qū)動(dòng)動(dòng)子做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);直線弧形定子產(chǎn)生行波磁場(chǎng),驅(qū)動(dòng)動(dòng)子做直線運(yùn)動(dòng)。根據(jù)通電方式的不同,該電機(jī)能夠驅(qū)動(dòng)動(dòng)子做單一旋轉(zhuǎn)、單一直線或者合成螺旋運(yùn)動(dòng)。

圖7 兩自由度直驅(qū)感應(yīng)電機(jī)

上述新結(jié)構(gòu)的兩自由度直驅(qū)感應(yīng)電機(jī)的兩套定子鐵心在空間內(nèi)上下布置,雖然其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)是解耦的,但是由于電機(jī)定子鐵心的開斷,端部效應(yīng)造成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與直線磁場(chǎng)相互耦合相互影響,電機(jī)性能因此降低,同時(shí)也造成了電機(jī)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。

實(shí)心動(dòng)子旋轉(zhuǎn)直線感應(yīng)電機(jī)在結(jié)構(gòu)與工作性能上基本滿足了旋轉(zhuǎn)直線兩自由度電機(jī)的要求,但是每一種結(jié)構(gòu)的電機(jī)都有其優(yōu)劣性,適用于現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活還有一定的距離。所以,如何優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)及電磁參數(shù)以及研究與其配套的高精度控制系統(tǒng),使其滿足現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活的要求,將會(huì)是SRRLIM的研究熱點(diǎn)與方向。

3 實(shí)心動(dòng)子平面感應(yīng)電機(jī)

隨著精密加工等技術(shù)的迅速發(fā)展,平面電機(jī)在二維平面定位裝置特別是現(xiàn)代高精度機(jī)床、半導(dǎo)體微細(xì)加工裝備和集成電路光刻機(jī)等其他的超精密二維平面定位裝置中有非常廣闊的應(yīng)用前景[39-41],同時(shí)對(duì)于平面電機(jī)的精度、運(yùn)行速度、運(yùn)動(dòng)維數(shù)以及可靠性等都有了更高的要求。實(shí)心動(dòng)子平面感應(yīng)電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱SRPIM)以其簡(jiǎn)單的次級(jí)平面結(jié)構(gòu),能夠?qū)崿F(xiàn)較寬范圍的平面驅(qū)動(dòng),適合于大負(fù)載平面驅(qū)動(dòng)[42]。相比于永磁式與磁阻式平面電機(jī),SRPIM的研究工作相對(duì)較少,電機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。

日本九州大學(xué)的學(xué)者N.Fujii等提出一種平面感應(yīng)電機(jī)[43],其結(jié)構(gòu)如圖8所示,由環(huán)狀結(jié)構(gòu)的初級(jí)鐵心,簡(jiǎn)單的次級(jí)導(dǎo)磁板構(gòu)成。電樞繞組通過不同的供電方式,既可以實(shí)現(xiàn)平面驅(qū)動(dòng),還可以實(shí)現(xiàn)平面上旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)所有線圈同時(shí)通電時(shí),等同于軸向氣隙旋轉(zhuǎn)電機(jī),做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);將繞組線圈分成兩部分由兩個(gè)逆變器分別供電時(shí),兩部分線圈產(chǎn)生的電磁推力合成后,驅(qū)動(dòng)動(dòng)子做直線運(yùn)動(dòng)。

圖8 平面感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

耶拿應(yīng)用科技大學(xué)的教授Peter Dittrich等人提出一種三自由度平面感應(yīng)電機(jī)[44],其結(jié)構(gòu)如圖9所示,包括固定著4組初級(jí)定子(兩兩平行的直線電機(jī)定子)的動(dòng)子,覆銅的基座組成,采用空氣壓力軸承使定子與動(dòng)子相互分離,可以做X,Y軸方向上的直線運(yùn)動(dòng)和繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。4組初級(jí)定子分別控制,任意平行的兩組定子通入相同的電流,將會(huì)產(chǎn)生直線推力,驅(qū)動(dòng)動(dòng)子在XY平面內(nèi)做直線運(yùn)動(dòng);若通入不同的電流,將會(huì)產(chǎn)生繞Z軸的旋轉(zhuǎn)力矩,驅(qū)動(dòng)動(dòng)子在XY平面內(nèi)繞Z軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖9 三自由度平面感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)

日本東北學(xué)院大學(xué)與美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研究了一種三定子平面感應(yīng)電機(jī)[45],電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖10所示,該電機(jī)由三組直線定子(呈三角形分布,兩兩夾角為120°)與其固定裝置組成的動(dòng)子,表面附銅的定子基板組成。三組直線定子分別控制,根據(jù)供電方式產(chǎn)生相應(yīng)的直線推力,最終合成推力驅(qū)動(dòng)動(dòng)子做XY平面內(nèi)的直線運(yùn)動(dòng)。

圖10 三電樞平面感應(yīng)電機(jī)動(dòng)子結(jié)構(gòu)

平面感應(yīng)電機(jī)多采用多電樞結(jié)構(gòu),通過多個(gè)電樞的配合,所有電樞產(chǎn)生力矩的合成方向就是平面電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向,通過控制系統(tǒng)控制各個(gè)電樞所產(chǎn)生的直線推力,就能控制平面感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。平面感應(yīng)電機(jī)在但電樞工作時(shí)相當(dāng)于一般的直線感應(yīng)電機(jī),但在多電樞共同協(xié)作時(shí),其運(yùn)動(dòng)是相互影響的,并且由于磁滯等因素,各電樞電磁場(chǎng)之間存在著耦合的可能。運(yùn)動(dòng)的相互影響,磁場(chǎng)的耦合平面感應(yīng)電機(jī)的控制系統(tǒng)變得復(fù)雜,降低了控制精度,所以針對(duì)平面感應(yīng)電機(jī)的電磁場(chǎng)與運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的研究,以及平面感應(yīng)電機(jī)解耦控制系統(tǒng)極其重要。

4 實(shí)心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)研究發(fā)展方向

通過以上實(shí)心轉(zhuǎn)子高速電機(jī)、旋轉(zhuǎn)直線電機(jī)以及平面多自由度電機(jī)研究現(xiàn)狀的討論總結(jié),結(jié)合SRIM簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,以及獨(dú)特的渦流特性等優(yōu)點(diǎn),因此可以預(yù)見以下方面將會(huì)是SRIM的研究發(fā)展趨勢(shì)。

4.1 高速以及超高速實(shí)心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

高速以及超高速電機(jī)在高速工作時(shí),會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)高的電機(jī)溫升與轉(zhuǎn)子離心力,HSSRIM相比于永磁式與鼠籠式高速電機(jī),其電機(jī)轉(zhuǎn)子具有更高的溫度耐受性與更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在一些特殊的工業(yè)領(lǐng)域,隨著變頻設(shè)備容量與頻率的增大,對(duì)于高速電機(jī)的速度進(jìn)一步的要求成為現(xiàn)實(shí)。HSSRIM速度的進(jìn)一步提升,轉(zhuǎn)子所受離心力與電機(jī)溫升隨之增大,對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與電機(jī)設(shè)備的整體穩(wěn)定而言都是更高的挑戰(zhàn)。現(xiàn)今對(duì)于HSSRIM的研究還不像普通電機(jī)那樣透徹,超高頻率下電機(jī)磁場(chǎng)的變化,電機(jī)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力特性等還沒有相對(duì)統(tǒng)一的研究結(jié)果,可以預(yù)見以下方面將是HSSRIM的研究趨勢(shì):

(1)性能更加優(yōu)良的轉(zhuǎn)子材料與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的研究。隨著HSSRIM速度的提升,現(xiàn)有材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與溫度耐受性難以滿足更高速度電機(jī)的需求。此外,優(yōu)良的轉(zhuǎn)子材料能夠降低轉(zhuǎn)子損耗,提高電機(jī)效率。所以,研究性能更加優(yōu)良的轉(zhuǎn)子材料,設(shè)計(jì)強(qiáng)度更高的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)HSSRIM的研究工作非常重要。

(2)HSSRIM高速軸承的研究。軸承對(duì)于HSSRIM來說非常重要,HSSRIM在工作時(shí)承受著巨大的摩擦力與徑向應(yīng)力,軸承的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與可靠性對(duì)于HSSRIM的安全運(yùn)行至關(guān)重要,隨著HSSRIM的容量與速度的提升,關(guān)于高速軸承的研究將是HSSRIM研究進(jìn)程的重要組成部分。

(3)HSSRIM多物理場(chǎng)耦合研究。HSSRIM還沒有相對(duì)系統(tǒng)或相對(duì)統(tǒng)一的研究設(shè)計(jì)理論。高頻磁場(chǎng)下電機(jī)的工作特性與溫升特性,高速旋轉(zhuǎn)與高溫下電機(jī)的應(yīng)力特性都有待進(jìn)一步的研究,這些研究工作對(duì)HSSRIM的設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有重要意義。所以,針對(duì)高速以及超高速實(shí)心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)的電磁場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)等多物理場(chǎng)耦合特性研究將成為HSSRIM研究熱點(diǎn)。

4.2 SRRLIM的設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析及其控制系統(tǒng)

SRRLIM相比于永磁式與磁阻式旋轉(zhuǎn)直線兩自由度電機(jī),無論是電樞結(jié)構(gòu)還是動(dòng)子結(jié)構(gòu),都相對(duì)簡(jiǎn)單。SRRLIM復(fù)雜的電磁場(chǎng)與其動(dòng)子復(fù)雜的渦流場(chǎng)是旋轉(zhuǎn)直線電機(jī)研究的重點(diǎn)與難點(diǎn),場(chǎng)與場(chǎng)之間的耦合關(guān)系使得電機(jī)的控制系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜,控制精度相對(duì)較低。所以,可以預(yù)見以下方面將會(huì)是SRRLIM的研究趨勢(shì)。

(1)SRRLIM的結(jié)構(gòu)與電磁參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)?，F(xiàn)今的SRRLIM還都停留在實(shí)驗(yàn)室階段,其性能難以滿足與現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活的需求。根據(jù)工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境與要求,對(duì)SRRLIM的結(jié)構(gòu)與電磁參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì),改良SRRLIM的機(jī)電性能,使其滿足現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)的要求,將會(huì)是非常重要的研究要點(diǎn)。

(2)SRRLIM電磁場(chǎng)的特性研究。電磁場(chǎng)的特性研究是SRRLIM研究的基礎(chǔ)。相比于普通電機(jī),SRRLIM復(fù)雜的電樞結(jié)構(gòu),兩個(gè)磁場(chǎng)復(fù)雜的邊界條件,非線性以及端部效應(yīng)等問題,使得SRRLIM的的電磁場(chǎng)難以簡(jiǎn)化為二維解析計(jì)算,是典型的三維場(chǎng)問題。所以SRRLIM的電磁場(chǎng)特性研究是這種電機(jī)的設(shè)計(jì)和研究的難點(diǎn)與重點(diǎn)。

(3)SRRLIM的耦合問題與高精度解耦控制系統(tǒng)的研究。由于SRRLIM將兩個(gè)電磁場(chǎng)集合為一個(gè)電磁場(chǎng),兩個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)融合為一個(gè)系統(tǒng),所以SRRLIM的電磁場(chǎng)與運(yùn)動(dòng)場(chǎng)都有存在耦合的可能。如何定量分析耦合對(duì)旋轉(zhuǎn)直線電機(jī)性能的影響以及在電機(jī)控制系統(tǒng)中如何實(shí)現(xiàn)解耦控制并提高控制精度,是旋轉(zhuǎn)直線電機(jī)亟待解決的關(guān)鍵問題。

4.3 平面感應(yīng)電機(jī)及其高精度控制系統(tǒng)的研究

SRPIM與其他實(shí)心轉(zhuǎn)子電機(jī)相似具有相對(duì)簡(jiǎn)單的電機(jī)結(jié)構(gòu),一般由固定在動(dòng)子上的若干個(gè)直線型電樞與表面覆銅基板構(gòu)成,各個(gè)電樞分別控制,通過各個(gè)電樞產(chǎn)生的合成電磁力驅(qū)動(dòng)動(dòng)子做直線或繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。SRPIM與旋轉(zhuǎn)直線兩自由度感應(yīng)電機(jī)類似,多個(gè)電樞磁場(chǎng)之間耦合的存在,滯后的渦流場(chǎng)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生存在什么關(guān)系,都是SRPIM尚未解決,也沒有相對(duì)系統(tǒng)的研究。SRPIM相對(duì)于永磁式與磁阻式平面電機(jī),能夠?qū)崿F(xiàn)平面內(nèi)較大范圍內(nèi)直線運(yùn)動(dòng),適合大負(fù)載平面驅(qū)動(dòng),但是其運(yùn)動(dòng)精度、響應(yīng)速度等都相對(duì)小于永磁式與磁阻式平面電機(jī)。

(1)SRPIM的電磁場(chǎng)與運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的耦合問題。多電樞結(jié)構(gòu)電機(jī)一般都存在著電磁場(chǎng)的耦合問題,SRPIM也不例外,電機(jī)多個(gè)電磁場(chǎng)相互影響的同時(shí),其運(yùn)動(dòng)是由多個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)合成的,其運(yùn)動(dòng)也是耦合的,耦合的電磁場(chǎng)與運(yùn)動(dòng)場(chǎng)提高了SRPIM控制難度。所以研究SRPIM的電磁場(chǎng)與運(yùn)動(dòng)場(chǎng)耦合問題,尋找SRPIM的解耦控制算法,將是SRPIM的后續(xù)研究的關(guān)鍵。

(2)高精度SRPIM的控制系統(tǒng)的研究。SRPIM的運(yùn)動(dòng)精度、響應(yīng)速度都不如永磁式與磁阻式平面電機(jī),這主要是由于感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的,改良電機(jī)結(jié)構(gòu)并不能直接提高SRPIM的這些性能,所以與SRPIM相配合的高精度控制系統(tǒng)的研究,通過控制的方法提高SRPIM的運(yùn)行精度與響應(yīng)速度,是一種行之有效的方法,也將是SRPIM的研究重點(diǎn)之一。

5 結(jié) 語

實(shí)心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在高速電機(jī)領(lǐng)域,多自由度電機(jī)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用以及不可取代的價(jià)值。所以對(duì)于實(shí)心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)的研究具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,但是該類電機(jī)廣泛存在的低功率密度等缺陷還有待各國(guó)學(xué)者的進(jìn)一步研究。本文分析總結(jié)了高速實(shí)心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)電磁特性,實(shí)心動(dòng)子旋轉(zhuǎn)直線感應(yīng)電機(jī)以及多自由度平面感應(yīng)電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理等一系列實(shí)心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)的研究,討論了實(shí)心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)未來的研究熱點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)。

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