新型雙定子直線振蕩電機(jī)特性分析
于明湖，葉云岳，夏永明，張玉秋
(1浙江大學(xué)，浙江杭州310027； 2．浙江理工大學(xué)，浙江杭州310000)
摘要：新型雙定子動(dòng)磁式直線振蕩電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高，鐵心疊裝方式簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。文章介紹了所研制的此新型雙定子直線振蕩電機(jī)的本體結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模。對(duì)于其磁路模型，動(dòng)力學(xué)模型以及驅(qū)動(dòng)電路模型進(jìn)行了求解，揭示了電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)對(duì)于電機(jī)性能的影響，為下一步的電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：雙定子；直線振蕩電機(jī)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；數(shù)學(xué)建模
1介紹
在實(shí)際應(yīng)用中，我們常常需要些高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。以往這種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)往往是通過(guò)旋轉(zhuǎn)電機(jī)加曲柄連軸等中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)獲得的。這種方式由于中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的存在加大了傳動(dòng)損耗使得效率較低，并且噪聲大，壽命短。而直線振蕩電機(jī)可直接產(chǎn)生高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)[1]，無(wú)需中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，效率較高。因此，直線振蕩電機(jī)特別是最近幾十年隨著永磁材料發(fā)展起來(lái)的永磁直線振蕩電機(jī)成為發(fā)展趨勢(shì)。而對(duì)于直線振蕩電機(jī)的結(jié)構(gòu)而言，由于動(dòng)圈式以及動(dòng)鐵式結(jié)構(gòu)均存在難以克服的缺點(diǎn)，因此日前研究熱點(diǎn)在于動(dòng)磁式結(jié)構(gòu)。但目前已提出的許多結(jié)構(gòu)均存在各種問(wèn)題，例如效率不高，裝配難度大等缺點(diǎn)。本文針對(duì)已存在電機(jī)結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，在吸取已存在電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上介紹了一種新型雙定子直線振蕩電機(jī)結(jié)構(gòu)，此電機(jī)采用了反向磁通電機(jī)的運(yùn)行原理。具有普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)，鐵心疊裝簡(jiǎn)單，裝配難度小，降低了加工成本目．具有已投入實(shí)用的LG電機(jī)的高效率等優(yōu)點(diǎn)
本文首先針對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，建立了其機(jī)電系統(tǒng)模型，通過(guò)對(duì)其以及后面機(jī)電系統(tǒng)模型的分析揭示了電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)對(duì)于電機(jī)性能以及運(yùn)動(dòng)特性的影啊。由于彈簧的使用，此雙定子直線振蕩電機(jī)構(gòu)成了一個(gè)受迫振動(dòng)系統(tǒng)。而眾所周知，電機(jī)供電電路本身也構(gòu)成了一個(gè)類似的二階系統(tǒng)，從控制原理來(lái)講，兩者的傳遞函數(shù)是相同的，因此可將機(jī)電兩套系統(tǒng)進(jìn)行類比分析。本文將機(jī)械與電路系統(tǒng)兩個(gè)二階函數(shù)進(jìn)行了綜合分析并進(jìn)行了理論推導(dǎo)。此分析結(jié)果為對(duì)進(jìn)一步的此電機(jī)無(wú)位置傳感器控制算法設(shè)計(jì)以及電機(jī)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
2雙定子直線振蕩電機(jī)本體結(jié)構(gòu)及磁路建模
2 1雙定子直線振蕩電機(jī)本體結(jié)構(gòu)
如圖1所示，電機(jī)包含兩個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)定子鐵心，定子鐵心之間相隔一段距離，沿軸向同心排列。定子由機(jī)殼、定子擋板及電機(jī)端板固定。電機(jī)端板上裝有直線軸承，動(dòng)子通過(guò)直線軸在直線軸承的支撐下左右移動(dòng)。動(dòng)子兩側(cè)裝有共振彈簧。
如圖2所示，動(dòng)子鐵心由硅鋼片疊裝而成，表面沿圓周等間隔安裝6塊永磁體，每個(gè)永磁體
的外圓周面與電機(jī)定子齒一一相對(duì)，定子采用用集中式繞組。從端面來(lái)看，此電機(jī)結(jié)構(gòu)類同于集中繞組式永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)。當(dāng)一端通入交變電流后，由于磁阻力的作用易產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。而采用了繞組繞向相反的兩個(gè)定子后，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力方向相反，旋轉(zhuǎn)力相互抵消。雙定子直線振蕩電機(jī)采用了繞組繞向相反的兩個(gè)定子，當(dāng)繞組通入電流后，兩定子對(duì)應(yīng)的磁極極性均相反，因此必然對(duì)于動(dòng)子一側(cè)產(chǎn)生增磁，一側(cè)產(chǎn)生弱磁效應(yīng)。從而使得動(dòng)子往增磁一側(cè)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)通入交變電流后，動(dòng)子跟隨電流同頻運(yùn)動(dòng)，因此此電機(jī)屬于永磁同步電機(jī)范疇。而由于雙定子繞組繞向相反，總電感在動(dòng)子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不變，因此，動(dòng)子是在電磁力作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
2 2雙定予直線振蕩電機(jī)電磁推力解析推導(dǎo)
由磁共能理論，電機(jī)電磁推力等于繞組電流保持恒定情況下，磁共能對(duì)位移的偏導(dǎo)，即：
由文獻(xiàn)[2]推導(dǎo)可知，雙定子直線振蕩電機(jī)電磁力的表達(dá)式為：
因此可知，雙定子電機(jī)每單位電流產(chǎn)生電磁推力的大小與氣隙磁密Bg，每齒繞組匝數(shù)Nw，定子齒數(shù)N1以及永磁體寬度Wpm成正比。適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)各個(gè)參數(shù)的大小可獲得較大的能效比。
3雙定子直線振蕩電機(jī)機(jī)電系統(tǒng)建模
由于彈簧的使用，直線振蕩電機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)受迫振動(dòng)系統(tǒng)。根據(jù)機(jī)械原理可知，其機(jī)械動(dòng)力學(xué)模型可由F式表示：
m·a+c·v+k·x=F
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