郑州大学司纪凯、严作光 等：120°相带环形绕组圆筒型永磁直线发电机定位力降低的优化设计

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作者及团队介绍

司纪凯，工学博士，郑州大学特聘教授/博导、河南省教育厅学术技术带头人，科技部评审专家、河南省中小型企业评审专家等。现担任郑州市机器人驱动与控制重点实验室主任及郑州市协同创新专项的负责人。担任IEEE PES中国区电动汽车电驱动技术分委会委员，中国工业节能与清洁生产协会绿色电机系统专业委员会。

在两自由度电机、直线电机及新型拓扑结构永磁电机系统的理论研究和应用方面形成了独具特色的研究成果。提出了具有自主知识产权的一种两自由度直驱感应电机及控制系统，实现了单电机完成直线、旋转、螺旋三种运动方式;成功研制多种拓扑结构低速大扭矩直驱高效环形绕组永磁电机及其能效测试试验平台，解决了其在多应用领域的工艺、防护等关键技术难题。

近年来，主持国家自然基金项目、教育部博士点专项基金、河南省自然基金、河南省科技攻关项目等项目20余项。获主持省部级科技进步奖或发明奖5项；主持科技成果鉴定7项。发表学术论文180篇，其中160篇被SCI/EI收录；出版学术专著2部；主持或参与申报发明专利50件；指导的研究生获河南省硕士优秀论文3人次，国家奖学金11人次。

严作光，硕士研究生，主要研究方向为圆筒型永磁直线发电机的设计及其优化。

聂瑞，博士后，主要研究方向为特种电机的设计及其控制。

徐帅，郑州大学电气工程学院讲师，博士，主要研究方向为电动汽车和智能制造用先进电机驱动系统研究。

董亮辉，郑州大学电气工程学院讲师，博士，主要研究方向为电机驱动控制、电机系统的故障诊断和容错控制、电力电子变换技术。

郑州大学“先进电磁驱动及控制科研中心”团队，以司纪凯教授为学术带头人，目前共有成员20人，其中高级职称8人，博士2人，硕士10人。

团队研究基础扎实，成果显著，勇于创新。近年来，团队已在本学科前沿和相关领域进行了卓有成效的工作，先后得到国家自然科学基金、教育部博士点专项基金等省部级、市厅级科研课题及相关企业的资助，积淀了丰富的研究方法和经验，取得了多项前期研究成果。

目前，团队成员主持或参与在研国家自然科学基金项目10项、河南省重点科技攻关等省部级课题20项、河南省教育厅自然科学研究计划等厅级项目10项，项目总经费1500余万元。在新型高效永磁电机和多自由度电机的理论分析、控制系统设计、整体优化、成果转化、技术标准制定等方面积极开展工作，有望取得较大进展。

团队始终坚持以“瞄准基础研究前沿方向，突出原创性研究；面向工程，实现技术和集成创新”为指导思想。近年来，已形成了新型高效节能永磁同步电机理论及控制技术、高效节能永磁同步电机驱动机器人技术、两自由度直驱电机理论及控制技术等三个稳定的特色研究方向。

本文提出了一种适用于圆筒型永磁直线发电机的三相120°相带环形绕组，该绕组方式可以有效的提高发电机的功率密度。然而，该三相120°相带环形绕组圆筒型永磁直线发电机也存在着定位力问题，这将引起发电机的振荡甚至使系统不稳定。

为解决此问题，本文建立了此发电机定位力解析模型，探究结构参数对定位力的影响。以降低定位力为目标，采用辅助齿、半开口槽、Halbach永磁体等优化措施，结合田口法对该电机结构进行多目标优化设计，在保证输出功率不变的前提下，最大限度的降低定位力。

研究背景

直驱式波浪能发电系统无齿轮、液压系统等中间转换装置，直接与发电机构相连，具有结构简单、能量转换效率高、易于维护等优点，在波浪能的开发利用中得到了广泛的应用。

圆筒型永磁直线发电机结构对称，无径向电磁力，且其整个环形绕组都为有效边，无绕组端部，绕组利用率相对较高，因此成为直驱式波浪能发电系统的首选电机。但是圆筒型永磁直线发电机存在定位力问题，如何在不损失输出功率的前提下，最大限度的降低定位力是该电机开发利用的难点之一。

论文所解决的问题及意义

本文针对120°相带环形绕组圆筒型永磁直线发电机存在的定位力问题，通过建立该电机定位力解析模型，探究了各结构参数对定位力的影响，找出对定位力影响较大的结构参数。然后以这些参数为优化变量，采用田口法对电机进行多目标优化设计，该方法能在不损失输出功率的情况下，最大限度的降低电机定位力。

论文方法及创新点

针对120°相带环形绕组圆筒型永磁直线发电机存在的定位力问题，本文研究了电机结构参数与定位力的关系，建立二者之间的解析模型。在此基础上，以降低定位力为目标，采用辅助齿、半开口槽、Halbach永磁体等优化措施，结合田口法对该电机进行多目标优化，使其定位力得到极大的降低。

图1 优化流程图

结论

文章分析了120°相带环形绕组圆筒型永磁直线发电机不同结构参数（定子铁心长度、极弧系数、槽肩宽度、定子齿宽和气隙长度）对定位力的影响。根据分析结果，结合田口方法对该发电机进行多目标优化设计，使其在输出功率基本不变的情况下，定位力明显降低，得到了电机的最优结构参数。

引用本文

司纪凯, 严作光, 聂瑞, 徐帅, 董亮辉. 120°相带环形绕组圆筒型永磁直线发电机定位力降低的优化设计[J]. 电工技术学报, 2021, 36(6): 1138-1148. Si Jikai, Yan Zuoguang, Nie Rui, Xu Shuai, Dong Lianghui. Optimal Design of a Tubular Permanent Magnet Linear Generator with 120°Phase Belt Toroidal Windings for Detent Force Reduction. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(6): 1138-1148.

DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201077

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