一种新型线转电机的优化设计与性能评估：该电机采用可移动线圈结构

《IEEE Transactions on Energy Conversion》：Design Optimization and Performance Evaluation of a Novel Linear-Rotary Motor With Moving Coils

提出一种新型移动线圈直线旋转电机（LRM），采用单套定子、转子、移动线圈和永磁体结构，轴向磁化永磁体交替排列以同时实现旋转、直线和螺旋运动。通过建立等效磁路模型并采用三维解析法优化设计，原型实验验证了其转矩/推力密度高于传统LRM且体积更小。

　　

摘要：

为了减小线性旋转电机（LRM）的体积并提高其扭矩/推力密度，本文提出了一种新型结构的LRM，该电机采用移动线圈设计，仅包含一组定子、转子、动子和永磁体（PM）单元。轴向磁化的永磁体沿转子轴向交替排列，同时作为旋转、直线和螺旋运动的激励源。直线运动的距离等于定子轴向长度与动子轴向长度之差。由于旋转单元的气隙磁通密度波动较大且气隙磁通密度分布不对称，因此采用三维解析方法结合集总参数建立等效磁路模型，通过不同迭代精度进行设计优化。制作出原型后，通过实验测试验证了电机的电磁特性。与传统LRM相比，所提出的电机具有更高的扭矩/推力密度和更小的体积。

引言

近年来，线性旋转电机（LRM）已成为电动机研究领域的热门课题。目前已提出了多种拓扑结构，包括并联结构LRM [1]、[2]、单定子结构LRM [3]、[4]、双定子结构LRM [5]、[6]、线性旋转感应电机 [7]、[8]、磁通调制LRM [9]、带音圈的LRM [10]、[11]、磁悬浮LRM [12]、横向磁通LRM [13]以及开关磁阻LRM [14]、[15]。其中，并联式线性旋转开关磁阻电机结构相对简单，但其轴向运动距离受到定子长度的限制。[2]中提出了一种轻量级移动线圈的并联永磁体（PM）LRM，该电机可实现快速响应；通过采用Halbach永磁体排列方式增加了旋转单元的气隙磁通密度幅度，并将线性单元的永磁体极置于绕组两侧，从而减少了磁通泄漏并提升了推力。[3]、[4]提出了单定子结构线性旋转PM电机（LRPMM），并利用有限元方法（FEM）研究了其磁场和电磁特性。通过磁路方法和有限元方法分析了内外双定子之间的耦合原理，通过两个PI调节器分别控制其旋转和直线位置实现了直线与旋转运动的解耦控制，但这种结构的加工要求较高。[6]中提出的双定子结构LRPMM在转子芯内外表面安装了Halbach阵列永磁体，其轴向运动距离等于内外定子轴向长度之差，但输出扭矩和推力受到内外定子轴向长度的限制。[7]中通过控制旋转和直线绕组中的电流实现了线性旋转感应电机的扭矩输出，但需要设计解耦控制策略以实现螺旋运动。[8]提出了一种带空心线圈的LRM，利用涡流磁场实现了旋转和直线运动。[9]开发了一种高度集成的直驱双自由度（2-DOF）LRM，采用双永磁体磁通调制结构，提升了扭矩/力密度并实现了直驱旋转直线运动。[10]提出的线性旋转音圈电机包含三个永磁体段和交替排列的铁芯，中间的永磁体作为主要激励源，转子两端的磁桥形成直线运动所需的磁路，但电机结构的轴向运动距离有限。[11]提出了一种带移动线圈和无芯结构的线性旋转音圈电机，其中直线运动单元采用双面并联磁路结构，直流（DC）绕组产生的磁通能够穿透导电导体，产生垂直于电流和磁通的洛伦兹力。旋转运动单元采用串联磁路结构，旋转绕组两侧的电流方向相反，但磁通方向保持不变，从而能够稳定输出扭矩。[12]提出了一种磁悬浮LRM，其永磁体在轴向和周向采用N极和S极交错排列的棋盘式结构，仅通过控制绕组中的电流大小和方向即可实现磁悬浮和直线运动。[13]研究了横向磁通LRM，通过特殊结构实现了旋转单元和直线单元的解耦。[14]提出了一种无需磁通滞后控制的相位换向优化方法，提高了相邻两相之间的扭矩生成效率并减少了扭矩波动，同时对扇区划分和电压矢量选择进行了重新设计。[15]提出了一种通过计算两组绕组的等效磁动势来确定给定电流的方法，实现了开关磁阻LRM的周向和轴向位置的协调控制，该方法简单易实现。总体而言，采用永磁体激励的LRM具有较高的扭矩密度，但双定子结构LRPMM的体积较大。由于单定子结构LRM的永磁体在周向和轴向均采用N-S极交错排列（如棋盘式），导致永磁体数量增多，从而增加了永磁体之间的磁通泄漏、定子槽与永磁体之间的磁通泄漏以及永磁体自身的局部磁通泄漏，影响了电机的电磁性能。因此，研究一种具有高扭矩密度和低磁通泄漏的新型线性旋转电机变得十分必要。