永磁游标直线电机磁场解析计算
摘要：
永磁游标直线电机（linear permanent magnet vernier motor，LPMVM）依靠磁场调制原理工作，其电枢开槽引起气隙磁导变化，为考虑齿槽效应的影响，将其气隙磁场等效为无槽气隙磁场与有槽时气隙相对磁导函数共同作用结果。用气隙磁导波法分析其基本工作机理，给出结构关系式。用分层模型法建立无槽LPMVM求解场域矢量磁位解析模型，推导出各区域磁场解析表达式。结合气隙相对磁导函数建立考虑齿槽效应时的LPMVM磁场解析模型，计算出考虑齿槽效应时气隙磁密分布曲线。解析解与有限元解结果表明：无槽时气隙磁密在切向分量和法向分量计算准确，考虑齿槽效应后基于气隙相对磁导函数的磁场解析模型适用于求解气隙磁密法向分量，且主要谐波磁场与永磁体极对数和电枢绕组极对数有关。
关键词：永磁游标直线电机；磁场调制；气隙相对磁导；解析模型；有限元法
DOI：10.15938/j.emc.2017.10.008
中图分类号：TM 359.4
文献标志码：A
文章编号：1007-449X（2017）10-0054-08
传统永磁直线同步电机（permanent magnet linear synchronous motor，PMLSM）以其优异性能在直驱场合具有广阔的应用前景[1-3]，其不可避免也存在一些缺点，如直线电机行程有限，人们希望电机动子速度更低一些，常降低电源频率使电机低速运行，但在低频情况下电机性能变差[2]，而增加电机定子绕组极对数降速时电机体积又会增大。为了在较高频率下获得低速大推力，提高电机性能，需对电机结构进行改进。
为了获得低速大转矩，AkioToba等[4]最早提出一种表面转子式永磁游标电机（permanent magnet vernier motor，PMVM），它基于磁场调制理论。近几年来，一些学者已将其应用于电动汽车、风力发电等低速直驱系统中[5-7]。
Vernier一词的中文翻译是'微调，游标卡尺“之意，在物理学中表示可以测量微小长度，以提高精确度。Vernier电机一词在电机中目前未有明确的专业术语，按意思可直译为游标电机[8-9]，根据其作用原理可译为磁场调制，因此永磁游标电机又可称为磁场调制式永磁电机。磁场调制基本原理是利用电枢开槽调制永磁磁场和电枢磁场，产生起主要作用的高次谐波磁场，从而使电机在低速下稳定运行。
对于永磁游标直线电机（linear permanent magnet vernier motor，LPMVM）的研究，结构形式较多，研究方法目前以磁路法和有限元法为主[9-14]。文献[10-11]采用能量法对一台混合励磁LPMVM性能...
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