團隊介紹

葉佩青，清華大學教研系列長聘教授，博士生導師，清華大學機械工程學科智能數控系統技術方向的學術帶頭人，機械工程國家實驗教學示范中心主任，中機生產工程學會機床專業委員會副主任。作為負責人承擔過自然科學基金、國家863、國家科技支撐計劃、國家02和04專項等省部級課題10項，國際合作項目2項，獲省部級科技進步獎５項，獲得發明專利40項。

張春雷，博士生，主要研究方向為直線電機設計與控制。

本文基于軸向磁動勢函數與比磁導函數建立了兩相圓筒型永磁同步直線電機的電感模型，揭示了繞組斷開與耦合長度變化對于直線電機電感的影響方式。

研究背景

多葉準直器（也稱多葉光柵）是放療裝備中的核心部件，其性能直接決定了X射線劑量分布精度和成野速度。不斷提高葉片運動速度和精度是放療領域的永恒追求。為此團隊創新研發了一種基于兩相圓筒型直線電機驅動的快速成野多葉準直器。相對于傳統旋轉電機驅動的多葉光柵，其具有成野速度快，使用壽命長，設備成本低的顯著優勢。

圖1 直驅式快速成野多葉準直器

論文所解決的問題及意義

由于多葉光柵是三類醫療器械，需要實現位置反饋的冗余設計。同時考慮到多葉光柵128臺直線電機陣列與緊湊的安裝空間限制，采用基于高頻注入的無位置傳感器算法作為第二位置反饋。

但由于多葉準直器安裝空間與葉片行程的共同限制，在電機運動過程中存在定子繞組與動子耦合長度變化的情況。這將會導致直線電機的電感變化十分復雜。為了實現該直線電機的無位置傳感算法，需要在考慮定子繞組與動子耦合長度影響的情況下對該電機全行程范圍內電感變化規律進行分析。

本論文揭示了直線電機繞組斷開與耦合長度變化對于電機電感的影響規律。為實現直線電機基于高頻信號注入的無傳感算法提供了一準確的數學模型。

圖2 兩相圓筒型直線電機結構示意圖

論文方法及創新點

本文首先建立了完全耦合狀態下電機的軸向磁動勢函數與軸向比磁導函數，在考慮直線電機繞組不連續的影響下，通過積分得到完全耦合狀態下圓筒型永磁同步直線電機的電感解析模型。在擴展軸向比磁導函數的定義后，將電機耦合長度變化的影響引入到解析模型中，使解析模型適用于全行程范圍內的電感計算。

然后，基于解析模型與有限元分析結果，對圓筒型永磁同步直線電機行程范圍內的電感變化規律進行了定量分析。最后，將解析模型與實驗的測量結果相比較，進一步驗證了解析模型的有效性。

本文的創新點主要是提出了考慮直線電機繞組斷開與耦合長度影響的電感計算方法。該方法可以準確描述繞組斷開與耦合長度變化對于電機電感直流分量和二次諧波的影響規律。

圖3 直線電機A相自感

圖4 直線電機B相自感

結論

兩相圓筒型永磁同步直線電機的電感有如下特點：在電機全耦合狀態下，A、B相繞組互感直流分量不為零，自感二次諧波幅值為互感二次諧波幅值的兩倍。且dq軸的自感與互感存在明顯的二次與四次諧波分量。

在全行程范圍內，A、B相繞組自感與互感的直流分量與二次諧波幅值會隨著電機耦合長度減少而下降。本文所得到的兩相圓筒型永磁同步直線電機的電感解析式，為該電機后續無傳感算法研究提供了準確的數值模型。

引用本文

張春雷， 張輝， 葉佩青， 張魯宏. 兩相無槽圓筒型永磁同步直線電機電感計算與分析[J]. 電工技術學報， 2021, 36(6): 1159-1168. Zhang Chunlei, Zhang Hui, Ye Peiqing, Zhang Luhong. Inductance Analysis of Two-Phase Slotless Tubular Permanent Magnet Synchronous Linear Motor. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(6): 1159-1168.