直線力電動機性能分析
蔡林1，善水1，肖哲2，袁峰2，王莉1
（1南京航空航天大學，江蘇南京210016；2南京機電液壓工程研究中心．江蘇南京210016）
摘要：分別利用有限元和等效磁路的分析法對直線力電動機特性進行分析，對比分析了電機磁場分布和輸出推力特性以及電感和磁鏈，并與實測結(jié)果進行了對比。分析得出了其相關(guān)的輸出性能并建立其數(shù)學模型，為電機優(yōu)化設(shè)計和控制打下基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：直線力電動機；等效磁路；有限元；輸出特性
中圖分類號：tm359.4 文獻標識碼：a 文章編號：1004-7018(2010)07-0035-03
o引 言
直線力電動機具有良好的靜、動態(tài)性能和控制特性，和閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)合在一起，可實現(xiàn)精密的位置伺服控制。隨著小位移直線運動應用領(lǐng)域的增多，直線力電動機的需求不斷增加，其主要電液轉(zhuǎn)換機構(gòu)應用于電液伺服作動器等高精度位置伺服控制場合。
對于直線電動機的建模方法，很多文獻都進行了研究，文獻[3-4]針對一種直線振動電動機進行了有限冗分析，并利用有限元仿真結(jié)果對電機進行支持向量機建模，但不能得到電機輸出特性同電機部件參數(shù)之間的關(guān)系，因此為電機的優(yōu)化設(shè)計帶來困難，文獻[6-7]利用等效磁路法研究了直線電動機數(shù)學模型，但是只分析了電機的靜態(tài)輸出力，并未對線圈電感和運動反電勢進行深入分析，因此為電機動態(tài)模型的建立和控制帶來了不便。本文通過有限仿真觀察電機的磁通分布，利用等效磁路法分析了電機輸出力、線圈電感以及運動反電動勢同電機部件參數(shù)的解析表達式，并同有限元仿真結(jié)果和實驗測試結(jié)果進行了對比。為電機的優(yōu)化設(shè)計以及動態(tài)模型的建立和控制打下了基礎(chǔ)。
1電機輸出特性的等效磁路法計算
如圖l所示，該直線力電動機可以在軸i向位移范圍內(nèi)輸出數(shù)百牛頓的直線力。
永磁棒為氣隙磁場提供部分所需要的勵磁。當通入一種極性的電流后，一端的氣隙磁場通過同永磁體產(chǎn)生的磁場疊加得到增強，另一端的氣隙磁場則因為同永磁體產(chǎn)生的磁場相抵而減弱，根據(jù)機電能量轉(zhuǎn)換原理，電磁力會使銜鐵朝向使磁場儲能減小的方向運動，由此在銜鐵上產(chǎn)生軸向的推力。
在2d有限元仿真環(huán)境下觀察電機工作時的磁場和主要磁路分布，如圖2所示。
1 1 電機輸出力特性的分析
從圖2中看出，電機的磁通路徑主要由兩個永磁體經(jīng)過導磁環(huán)、銜鐵、主氣隙和電機殼構(gòu)成網(wǎng)路。另外有少量的漏磁通經(jīng)過線圈和電機外蓋成回路。如將永磁體等效為一磁動勢源與恒定內(nèi)磁阻相串聯(lián)的磁動勢源，將分布繞組等效為一集總磁動勢fp，忽略漏磁的影響時，根據(jù)仿真得到的電機磁通分布，可以得到電機等效的磁通路徑示意圖和磁路模型。如圖3、圖4所示。
忽略電機導磁體上的磁阻，圖中r1、r2對應銜．鐵到左右蓋的氣隙磁阻rp為永磁體等效磁阻，rt為電機外殼到導磁環(huán)之間的電機線圈的等效磁阻。它們可按下式進行近似計算：
其中，x為銜鐵偏離平衡位置的距離；δ為銜鐵在中心位置時的氣隙長度和隔磁套厚度之和sp、sx、lp、ls分別為永磁體和銜鐵的截面積和長度,rc和rp2分別為線圈和永磁體外徑；ld為兩永磁體之間的軸向間距。
對電機的等效磁路計算模型列寫方程得：
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