【摘 要】
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双边永磁直线同步电机（Double-sided Permanent Magnet Linear Synchronous Motor,DSPMLSM）具有结构简单、维护方便、法向力小、功率密度大等优点,在交通、物流、工业、航空等领域得到广泛应用。在这些应用领域中一些受空间位置限制的场合,DSPMLSM被期望能输出更大的推力密度。为了提高DSPMLSM的推力密度,本文提出一种同向环形绕组DSPMLSM
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双边永磁直线同步电机（Double-sided Permanent Magnet Linear Synchronous Motor,DSPMLSM）具有结构简单、维护方便、法向力小、功率密度大等优点,在交通、物流、工业、航空等领域得到广泛应用。在这些应用领域中一些受空间位置限制的场合,DSPMLSM被期望能输出更大的推力密度。为了提高DSPMLSM的推力密度,本文提出一种同向环形绕组DSPMLSM（DSPMLSM with Equidirectional Toroidal Windings,EDTW-DSPMLSM）拓扑结构,分析其工作机理,设计其电磁参数,研究其电磁特性,优化其目标性能。本文详细的研究工作如下:（1）提出一种EDTW-DSPMLSM拓扑结构,分别阐述电机结构和同向环形绕组（Equidirectional Toroidal Windings,EDTW）结构;采用矢量合成方法和绕组系数计算公式,得到EDTW的合成电势和绕组系数;根据EDTW的电枢磁场,分析EDTW-DSPMLSM的工作机理。（2）设计一台EDTW-DSPMLSM,根据电机设计要求和基本参数,推导其尺寸方程;设计其初级参数、次级参数和气隙参数;整理以上设计参数得到电机的电磁参数。（3）仿真分析EDTW-DSPMLSM的电磁特性,在相近电磁负荷的前提下,与集中绕组 DSPMLSM（DSPMLSM with Concentrated Windings,CW-DSPMLSM）和传统环形绕组 DSPMLSM（DSPMLSM with Traditional Toroidal Windings,TTW-DSPMLSM）进行对比,分析三个电机在空载状态下磁场分布、气隙磁密、反电动势、定位力和负载状态下推力、损耗、效率等特性。仿真结果表明EDTW-DSPMLSM在空载反电动势和推力密度方面存在优势。此外,结合实验室现有条件,采用9槽6极EDTW-DSPMLSM进行实验测试,验证DSPMLSM采用EDTW的可行性和和有限元结果的正确性。（4）采用初级错齿结构优化电机定位力,推导初级错齿后边端力和齿槽力的解析公式,并通过边端力和齿槽力的仿真结果验证其解析结果。结果表明采用初级错齿结构可以有效降低EDTW-DSPMLSM的定位力,但同时也降低EDTW-DSPMLSM的空载反电动势和推力。针对初级错齿后EDTW-DSPMLSM空载反电动势和推力减小问题,在初级错齿的基础上,采用电枢绕组重新排布方式提高空载反电动势和推力。仿真分析EDTW-DSPMLSM优化前后的空载反电动势、推力、损耗和效率等特性。结果表明初级错齿结构和电枢绕组重新排布相结合的方法对EDTW-DSPMLSM的性能优化有效。（5）采用田口法对EDTW-DSPMLSM进行多目标优化,实现电机性能最佳,采用有限元法进行仿真求解实验正交矩阵;确定优化变量对优化目标的影响比重,得到使EDTW-DSPMLSM优化目标最佳的结构参数组合;对比分析电机优化前后的目标性能。仿真结果表明采用田口法对EDTW-DSPMLSM的性能优化有效。以上研究工作,涵盖了 EDTW-DSPMLSM结构与工作机理分析、电磁设计、电磁特性分析、基于错齿结构优化设计和基于多目标优化设计五个方面。通过仿真结果表明与 CW-DSPMLSM 和 TTW-DSPMLSM 相比,EDTW-DSPMLSM 在空载反电动势和推力密度等方面存在优势,采用错齿结构和田口法均使EDTW-DSPMLSM的性能得到了一些改善,适合要求高推力密度的应用场合。这为后续研究EDTW-DSPMLSM提供了重要的理论基础和仿真结果。
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