1相间绝缘的影响分析
图2所示的虚槽绕组结构中，每个圆环形绕组及其绝缘所在区域形成一个虚槽，绕组内圆为强度较高的绝缘骨架材料，每两个圆环形线圈之间是相间绝缘，圆环形线圈与动子铁心之间是主绝缘。常规电机的槽内绝缘的厚度比较薄，但是对于无槽结构的电机省去了齿部，为增强绕组强度，不但需要在面向气隙的绕组内圆采用较厚的绝缘骨架，而且在虚槽之间的相绝缘也采用较厚且强度较好的绝缘材料，甚至在相间绝缘之间插入薄的非导磁的金属材料作为绕组骨架，以提高无槽绕组的强度。而这些虚槽之间的绝缘或金属材料，占据了一定的相角，会影响无槽绕组的分布特性。可见无槽圆筒型直线电机绕组轴向分布具有特殊性。绕制的虚槽内圆环形绕组如图3所示，对于虚槽绕组，尽可能使绕组排列规整，不但利于减小绕组长度，降低电阻值，提高槽满率，而且由于绕组所在位置等效于有效气隙，因此减小绕组径向厚度，有利于减小主磁路的磁阻，从而提高磁负荷及电机的推力密度。对于此类排列规整的无槽绕组，在对其分析计算时，可以合理地将单个虚槽内的绕组等分为n份，如图4所示。
2单极性绕组和双极性绕组
由于圆筒型永磁直线电机位于一个虚槽内的单个圆环形绕组即构成一个有效绕组元件，因此还可以采用单极性绕组，如图5所示，与双极性绕组由A-X，B-Y，和C-Z组成不同，它只包含A、B、C绕组：对于圆筒型永磁直线电机，单极性绕组和双极性绕组的节距因数均为1，但是由于虚槽内轴向绕组分布因数不同，电机的绕组因数不同，当电机的极距相等时，表1列出不同相间绝缘骨架厚时的绕组因数：所以，对于无槽圆筒型永磁直线电机，在不影响虚槽内绕组匝数的情况下，适当增加相间绝缘骨架的厚度，对绕组因数的影响并不大。而对于有槽圆筒型永磁直线电机，上述双极性绕组和单极性绕组的绕组因数相同。图6为两种绕组所对应的空载反电势曲线。双极性绕组和单极性绕组的空载反电势基波幅值分别为40.15和33.79V，计算结果与绕组系数计算结果相符，这也验证了虚槽内轴向绕组分布因数的合理性。为提高电机的推力，常选用绕组因数高的绕组方案。但是当电机极距较小时，单极性绕组的宽度是双极性绕组的两倍，槽数减半，绕组的绕制及接线工艺简化，利于提高槽满率，此时，综合考虑绕组因数、绕组工艺、槽满率等，单极性绕组也是一可行的绕组方案。
3圆筒型直线作动器的实验研究
研制了无槽圆筒型直线作动器样机，样机由初级组件、次级组件和支撑结构组成，采用图2所示的绕组结构，并将样机安装在模拟喷管装置上，进行了论证实验，如图7所示。对样机进行了反电势、推力及动态性能测试。测得的反电势波形如图8所示。电机的反电势波形正弦性较好，三相绕组对称，与有限元仿真计算结果基本相符，其峰值略低，这与动子铁心开引线槽、加工装配误差等有关。采用压力传感器对电机进行静态推力测试。在给定动子位置下，通过驱动控制器控制给定绕组电流，使三相绕组加载q轴电流，图9为测得样机的推力-电流曲线。从曲线中可见，计算和测量电磁推力随电流基本相符，都呈线性变化趋势。可见当负载变化时，作动器电枢反应较小，该作动器在负载变化大的应用中具有明显的应用优势。通过信号发生器给定正弦波位置信号，经直接驱动伺服控制，作动器的初级跟随给定信号做往复直线运动，从而驱动喷管摆动。图9为测得的单通道作动器系统位置动态响应曲线，此时作动器的动子位置围绕零初始位置变化，幅值为±3mm，频率为32Hz，从图中可见跟踪信号和给定信号的相角差较小，小于35°，可见系统具有良好的动态响应跟踪性能。
4结论
文章首先介绍了直线电机在飞行器电力作动系统中的研究和应用现状，指出直线电机系统因其结构简单，简化了复杂中间传动机构，在各种要求高动态、高精度的飞行器作动系统中具有广阔的应用前景。将无槽圆筒型直线电机用作电力作动器，采用圆环形绕组，具有推力密度高的优点。针对无槽和圆环形特殊绕组结构，分析研究了其绕组分布特性，得到了考虑相间绝缘的双极和单极绕组的绕组因数。研制了采用无槽圆筒型直线作动器样机，并进行了在模拟负载台上的论证，所得的作动器反电势正弦性较好，推力随电流呈线性变化趋势，该作动器的电枢反应小。作动器动态响应测试的结果表明，该圆筒型直线作动器的动态响应速度快，且跟踪精度较高。
作者：黄旭珍 李立毅
