直线电机设计与优化(TFLM,FSLM)论文阅读笔记3

2.21-（2.7论文引出）傅里叶对开关磁通电机建模

Modeling of Flux Switching Permanent Magnet Machines With Fourier Analysis

    1.介绍了FSPM电机，磁路计算法MEC（计算粗糙，磁通路径在旋转或改变几何参数时发生变化），提出了傅里叶分解建立电机模型的办法，通过空间映射进行电机设计方案的优化。

    2.分析假想条件：铁心磁导率无限大、软磁材料边界采用诺伊曼边界条件、轴向长度无限制（不考虑端部效应，采用二维极坐标系）、划分区域（五个转子槽口区域、气隙区域、六个永磁区域、六个线圈区域、空气包区域），每个区域有各自的相对独立坐标系，罗马数字为不同区域，数字角标为区域的第几个组成部分

    3.场解

        a.源：永磁区域中的磁化强度矢量、槽中的定子线圈电流密度矢量

        b.磁密度：（微分方程采用分离变量的方式求解）

    4.边界条件

    5.FEM分析验证计算结果

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2.22 双凸极直线电机

A Linear Doubly Salient Permanent-Magnet Motor With Modular and Complementary Structure

    1.介绍了双凸极电机Doubly Salient PM（DSPM）：定子有绕组和永磁，动子结构与开关磁阻电机（SRM）相同（机械紧凑、高功率密度、容错能力强、磁体不会不可逆退磁）。介绍了现有LDSPM（以下称原始电机）的缺陷（不对称反电势、高齿槽力，a）以及对应的解决方案（分段补偿结构，b）

    2.拓扑结构：动子由两个单元组成（每个单元长度为定子极距的4.25倍），单元之间用 flux barrier连接，每个单元中摆放一个永磁PM，两个单元的永磁充磁方向相反。上图（中）可以看出原始方案中(b)A1A2A3A4与A相磁链都为单极性，改进方案(a)中，A1A2与A3A4磁链单极性，但A相磁链双极性

        原始电机几何结构：当动子齿未对齐时，to minimize the permeance（定子动子齿宽相加小于定子极距）；为实现电流换向（定子齿宽大于动子齿宽）；动子齿宽取动子齿距的1/2（此处文章定义可能有误）；定子齿宽取4/3动子齿宽；保证在电机运行过程中，三相总磁导率恒定（与运动位置无关），但各相磁导率随位置变化。

        改进电机几何结构：（不改变）动子齿距、定子齿距、动子齿款、动子齿高、定子齿形、气隙长度、线圈匝数以及槽满率与初始电机相同。（改变）但励磁永磁减少，永磁宽同初始电机、高度加倍；电机运行过程中，各相磁导率以及三相总磁导率恒定（与运动位置无关），不考虑饱和相电感随位移变化小

    3.在仿真软件中对两种电机进行仿真，得到其磁场分布（走过的路径；初始电机气隙磁场主要由永磁产生、改进电机电枢反应对于永磁磁场影响不大，因为电枢反应磁通经过相邻动子齿，而非永磁）、磁链、反电势（1改进电机单相反电势空间分布对称性更强，2改进电机三相反电势偶次谐波明显降低，但两种电机奇次谐波均较高）、自感互感（1改进电机A1A2\A3A4自感几乎相同，有180电位移，二者串联时，A相自感系数随位置变化小；2在不同负载下，改进电机互感变化率小于原始电机）、齿槽力（改进电机电角度偏移180度，齿槽力左右动子叠加减小，波动也小于原始电机）、推力对比（改进电机推力波动小，推力推导过程：磁阻力+永磁产生推力，采用无刷直流电机BLDC的控制方式，）。

    4.改进电机：优点：轻动子、短动子、永磁使用量少；对称反电势、电感随位置变化小、大推力小波动、低齿槽力。缺点：动子高、定子磁密高。

参考文献：

[]A novel design of linear synchronous motor using FRM topology[]A new cogging-free permanent-magnet linear motor2008[]A new primary permanent magnet linear motor for urban rail transit(文中现有LDSPM，对应图a)[]Design and analysis of a new hybrid excited doubly salient machine capable of field control

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2.23-双凸极直线电机（2-22的原始方案）

Compact Double-Sided Modular Linear Motor for Narrow Industrial Applications

    1.横向磁通电机：高推力，但磁通路径复杂（需要软磁复合材料SMC-贵）；新型双凸极电机：双边结构（消除了定子与动子电枢之间的高吸引力），绕组端部分布在运动方向（可以用在狭窄工作环境）。

    2.介绍了经典混合式步进直线电机（高推力，但（缺点）产生的断力破坏了切向力，高吸引力）及其两种改进方案的图示以及FEM仿真分析（左中右分别为经典电机以及两种改进电机）。

    3.针对参考文献[2]中提出的电机进行（4.）3D-FEM仿真分析（模型如左下）

    5.进一步提出了变形直线电机（上下双边，中图）

    6.直线定位（应用，右上图），两对双边直线电机

参考文献

[]Hybrid Linear Stepper Motors,[x]C.A.D.ofLinear Transverse Flux Motors

2.23~2.24-开关磁通电机的推力优化FSLSM（文中给出了参数表）

Thrust Optimization of a Flux-Switching Linear Synchronous Machine with Yokeless Translator

    1.磁通开关电机：PM磁场和电枢磁场互相垂直（高力密度），推力主要来源于永磁

    2.拓扑结构：相同：新旧方案采用相同的电流密度、永磁及体积、铁心及体积（便于对比分析）；均采用集中型绕组。不同：新方案中所有永磁充磁方向相同；定子上下错开半个齿距（保证磁通对称）。

    3.FEM对比新旧结构：新结构反电势对称性更好，幅值更大；新结构在相同电流激励下推力更大；不同电流下推力线性度更好；通入7A电流时，旧电机有一个齿明显饱和；新电机法向力几乎为零。但（缺点）新旧电机齿槽力及磁阻力都相对较大。

    4.参数优化推力，优化的过程值得学习，图表表达十分清晰（优化参数如右上图所示，与其他优化方式对比）：采用 individual parameter optimization（每次只有一个参数变化，控制其他参数，并将优化结果代入到下一个优化过程）。

        优化结果：Split Ratio对于推力影响不大，取相对较小省材料；translator tooth width略小于传统电机（FSLSM利用槽聚集磁通，因此一定范围内，槽越宽，推力越大），定子齿宽和动子齿宽对于磁阻力影响较大；斜型永磁可以减小磁阻力，但会削弱推力平均值；改善电流波形可以改善推力波动；。另外给出了GA分析的过程设置及结果对比。

    5.力分析

参考文献

[]Optimal design of a permanent magnet linear synchronous motor with low cogging force,[]Optimization and comparison of novel e-core and c-core linear switched flux pm machines,(GA)[]analysis of a novel double sided flux switching linear motor topology,[]Design optimization of a low- speed single-sided linear induction motor for improved efficiency and power factor,[]Multiobjective design optimization of air-core linear permanent-magnet synchronous motors for improved thrust and low magnet consumption

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2.24-C.A.D. OF LINEAR TRANSVERSE FLUX MOTORS（2.23参考）TFM

    1.介绍新型TFM：同2.23，可以避免使用复合材料SMC，节约成本。

    2.不给绕组激励（动子铁心）、通电（流经铁心+气隙产生推力）两种情况下，动子中的磁通路径。

    3.TFM电机设计步骤：设计的时候再看一遍（可以列出flowchart）

    4.设计案例（给出了具体参数）

    5.结论：电机设计可以模块化，可用于狭窄的工作环境

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2.25-斜型永磁对于PMLSM推力波动

Thrust Ripple of a Permanent Magnet LSM With Step Skewed Magnets

    讨论电机推力特性，2、4、6次推力谐波由边缘效应产生；12次谐波由齿槽产生

    1.PMLSM高推力（相应高推力波动）；齿槽力、端部力、永磁饱和造成了推力波动；根据结构参数、负载以及控制方式的不同，居主导地位的因素也相应有变化；主要抑制推力的方法有：优化绕组形状、绕组长度、永磁形状以及永磁排布。    

    2.拓扑；推力特性分析：随电流密度增加，电推力和推力波动都增加，但是随着电流越大，由于铁心饱和，电推力增长速度下降而推力波动增长速度上升。

    3.研究斜型（在旋转电机中主要消除齿槽转矩，在直线电机主要消除由端部效应产生的推力波动谐波）永磁：Step-skew method（左下b）；对于抑制推力谐波，分段N越小越好；给出基波推力，谐波推力以及由二者推导出的N-Step skew factor(2-27文章中具体介绍，这篇写的太一般了)；利用公式分别推导分段数2、3的Skew factors，并采用数字方法进行优化，找到最合适的Skew Angel。

    4.FEM仿真分析：通过2D-FEM分析斜型永磁的方式（右上，没看懂），仿真不同Skew Angel和Step Number下推力以及推力波动。当出现相同角度、不同分段数具有相同的推力效果时，采用Fa-N、Pf-N进行对比，得到进一步的分析结果。    

2.25~2.26-高精度、高速定位动磁直线电机MPMLSM

High-precision and high-speed positioning of 100 G linear synchronous motor

    通过改善动子（减轻）、相位超前的方式提高电机速度和加速度、误差以及运行30分钟的温升情况。

    1.定位精度、响应速度决定直线电机性能；给出了两个超高加速度、速度的平面永磁直线同步电机（参考文献[10],[11]）。

    2.减重MPMLSM电机模型:laser displacement sensor测量动子相对位移，中下和右下分别为减轻重量的动子示意图以及实物图；给出了四个线圈（AC组BD组）的排布以及通电方式，信号相位与永磁极距有关。

    3.驱动特性：激励在线圈电压限制条件下驱动的，这种驱动方式破坏了加速度和速度特性，因此针对flux weakening采用相位超前的方式，具体实施方式如下。

　　　　for a mover position below 20mm, a phase lead of 9.3mm was used, and for a mover position above 20mm, a phase lead of 13.3mm was used.

        速度响应（测量位移响应+向后微分、二阶低通滤波器）；超前相位的电流输入控制可以有效的抑制电流响应的滞后，从而改善驱动特性；四组两种（AC、BD）线圈均需要相位超前函数（下图，为了产生更大推力），由于BD的滞后比AC严重，因此BD的控制相位要更超前；采用两相超前函数的电机控制性能更加优越。

    4.定位精度、温升：采用pid控制，仿真得到了定位精度以及温升。

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2.26-双边磁通开关电机拓扑结构DSFSLM

Analysis of a Novel Double Sided Flux Switching Linear Motor Topology

    传统FSLM的反电势不对称（加end-teeth），定位力低（结构优化），采用 hybrid modeling tool （BEM边界元法+MEC磁路法）分析。

    1.DSFSLM具有所有激励在单侧的特性；（文章）之前的FSLM大部分为short-stroke，本文中为long stroke；通常FSLM的分析采用FEM法（非线性材料采用FEM更精确，但耗时），本文采用MEC缺点：1对几何结构变化敏感、2需要预先知道磁通路径、3气隙磁导难以确定（为提高气隙磁导精度，采用BEM边界元法，同时不需要预先知道气隙中的通量路径）。

    2.混合建模：利用BEM确定气隙磁导率；计算时不计算全部的气隙，将气隙的轮廓离散成线元（中下），计算段间磁导率。

    3.分析可以看出：推力波动大、齿槽力小（不平衡的EMF造成，p3给出了推力与反电势的关系）；端部线圈磁链与中心不相等，导致反电势幅值降低：因为中心线圈的磁链不仅由自身磁级产生，还由旁边永磁产生（解决方案：在动子端部分别加两个磁级，均衡EMF从而增加齿槽力）；

    4.优化齿端部：采用matlab中’fmincon'工具，结合混合模型hybrid modeling进行电机参数优化，文中选取四个待优化参数；给出优化结果：以降低推力的代价减小了齿槽力。

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2.27-结构、控制补偿PMLSM制动力

Detent Force Compensation for PMLSM Systems Based on Structural Design and Control Method Combination

    通过结构优化、控制方法优化减小电机制动力；采用斜型永磁降低推力高次谐波；在速度控制加线性观察器降低推力低次谐波；通过在线计算，将预估的制动力以前馈的方式输入控制系统；利用李雅普诺夫稳定判据，分析算法收敛性。

    1.推力波动产生原因：磁阻力、不平衡相位力、相位失调、电流/反电势不对称、齿槽力、电流偏移；detent force包含两个部分：齿槽力cogging force+端部力end effect force；结构改进：1改善主要尺寸（永磁极距[1]、永磁长度[2][3]）、（为减小端部力）动子长改善[4][5]、气隙长度、槽开口[6]，2相对尺寸：斜型动子/定子[7]、采用分数槽、改进端部齿形、加辅助极[8]；控制改进：将预估的制动力以前馈的方式输入控制系统。

    2.A分析PM最佳斜度：给出了ICPMLSM(iron core)结构以及具体参数；B分层磁场分析：空气、PM、轭部磁场分析，以及永磁斜型后的磁场分析（给出了零点位置）；C制动力分析，detent force表达式；D高谐波抑制：skewing factor[9]，针对不同的谐波抑制，采用不同的斜型长度（斜型长度越长，高次谐波改善明显，normal force推力下降，需要找到其中的平衡点）。

    3.离散时间线性化观测器：A给出了电机力学模型、控制方式（右上）、detent force的傅里叶分解（式21），B线性观测器（结合现代控制理论）：非线性状态向量转化为线性状态向量，C李雅普诺夫方法证明线性化观测器的收敛性，定义误差向量

    4.A仿真验证：未加制动补偿时，速度跟踪性能较差（为抑制速度响应纹波，通过减去补偿电流来修正指令电流），添加前馈后速度响应波动几乎为0；B实验验证：搭建实验平台，给出了具体各部件的型号、参数，得出实验结果：结构+控制优化可以改善电机制动力纹波。

参考文献

[][1]Thrust ripple reduction in ultrahigh-acceleration moving- permanent-magnet linear synchronous motor[][2]Optimal structure design for minimizing detent force of PMLSM for a ropeless elevator[][3]Electro- magnetic normal force characteristics of a permanent magnet linear synchronous motor with double primary side[][4]An approach to a suitable stator length for minimizing the detent force of permanent magnet linear synchronous motors[][5]Detent force reduction in permanent magnet tubular linear generator for direct- driver wave energy conversion[][6]Modeling and parametric design of permanent-magnet AC machines using compu- tationally efficient finite-element analysis,[][7]Performance analysis of skewed PM linear synchronous motor according to various design parameters[][8]Detent force minimization of permanent magnet linear synchronous motor by means of two different methods[][9]Thrust ripple of a permanent magnet LSM with step skewed magnets