模塊化輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)設(shè)計(jì)

鄧 彬，劉冬園，張 偉，鐘 杰，李慶芬

（湖南工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)421008）

0 前言

在前面的輸送機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，回轉(zhuǎn)馬達(dá)通常被用作動(dòng)力，但是要傳遞動(dòng)力，應(yīng)該增加一些設(shè)備，如減速器、鏈輪、鏈條、齒輪、齒條，等等。雖然這些設(shè)備已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，但是缺點(diǎn)也很明顯：安裝復(fù)雜，故障率高，不方便維護(hù)，高噪聲，高效率的損失。這是由于驅(qū)動(dòng)器的中間環(huán)節(jié)太多造成的[1]。對(duì)于機(jī)構(gòu)線性運(yùn)動(dòng)的工作形式，如果驅(qū)動(dòng)電機(jī)是線性的，它可以直接驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高效率[2]。

直線感應(yīng)電機(jī)LIM（linear induction motor）是一種能直接將電能轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能的電機(jī)，不需要中間轉(zhuǎn)換單元的傳動(dòng)裝置，LIM也是20世紀(jì)電子工程領(lǐng)域出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，它從旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)變而來(lái)，如圖1所示。越來(lái)越多的人注意到直線電機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成功地應(yīng)用于輸送機(jī)、磁懸浮列車等。本文研究的是一種采用三相交流基本理論的新型輥式輸送機(jī)，對(duì)直線電機(jī)的次級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，設(shè)計(jì)成鋼制的中空管，可以直接在電磁推力下旋轉(zhuǎn)，成為運(yùn)輸機(jī)的輥?zhàn)印Ｋm用于各種形狀的大型載貨、長(zhǎng)距離、不同工況的物體運(yùn)輸，可以替代傳統(tǒng)的輥式輸送機(jī)，它是傳統(tǒng)輥式輸送機(jī)的最新產(chǎn)品。

圖1 直線電機(jī)的產(chǎn)生過(guò)程

1 模塊化輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)的結(jié)構(gòu)

模塊化輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)主要由三相交流LIM直線感應(yīng)電機(jī)、滾軸和電源控制單元組成。模塊化輥?zhàn)影惭b在LIM之上，它們的軸線平行，垂直于LIM.模塊化輥?zhàn)佑奢S、軸承、鑄鐵或空心鋼管和支架組成，幾乎與傳統(tǒng)輥式輸送機(jī)相同。電樞是由三相繞組組成。當(dāng)繞組通電對(duì)稱三相交流直線感應(yīng)電機(jī)時(shí)，它將在三相繞組的表面產(chǎn)生可移動(dòng)的磁場(chǎng)。組裝完成后，輥?zhàn)佑媒饘偻鈿さ臉渲芊?。這里設(shè)計(jì)空心鋼管的長(zhǎng)度為200 mm，其直徑為50 mm，厚度為12 mm；模塊化輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)的單體長(zhǎng)度為1 000 mm，其寬度為240 mm，其高度為190 mm.其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示[3]。

圖2 模塊化輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 模塊化輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)的原理

模塊化輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)的電機(jī)工作原理類似于旋轉(zhuǎn)電機(jī)。LIM與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的主要區(qū)別在于旋轉(zhuǎn)電機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而LIM產(chǎn)生平行行進(jìn)磁場(chǎng)，也稱行波磁場(chǎng)[4]。當(dāng)繞組通電對(duì)稱三相交流直線感應(yīng)電機(jī)時(shí)，會(huì)在電樞中產(chǎn)生行波磁場(chǎng)，其中輥?zhàn)颖砻鏁?huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流切割磁感線，棍子的表面采用的是鋼制中空管，它的表面在行波磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，該感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與行波磁場(chǎng)相互作用則產(chǎn)生電磁推力帶動(dòng)輥?zhàn)右暂S線為中心旋轉(zhuǎn)，使輥?zhàn)由系奈矬w沿空管旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)。反之如果改變?nèi)嘟涣鞯南嘈颍鄳?yīng)地也會(huì)改變電磁推力的方向，從而改變輥?zhàn)拥男D(zhuǎn)方向。

3 輥?zhàn)邮芰Ψ治?/h2>

為了使問(wèn)題簡(jiǎn)單，首先分析單側(cè)LIM的二次力。單側(cè)LIM的次級(jí)由STC合金芯和感應(yīng)層組成。忽略Z方向的非對(duì)稱因素，在行波磁場(chǎng)作用下，LIM的二次產(chǎn)生X方向的水平推力F和Y方向的法向力f，如圖3所示。法向力f由吸引力和排斥力組成。它們的方向相反，它們的力大小與施魯普夫有關(guān)。在正常情況下，需要水平推力，但在大多數(shù)情況下，沒(méi)有預(yù)期的正常力（除了磁懸浮應(yīng)用系統(tǒng)）。水平推力由端部和齒槽效應(yīng)引起的電磁推力和其它力組成，但前者是絕對(duì)主導(dǎo)的。根據(jù)勞倫茲磁公式，LIM的每個(gè)磁極的電磁推力為：

上式中，Bg為氣隙徑向磁密度，I為繞組電流，N為繞組數(shù)，Lav為磁場(chǎng)范圍內(nèi)每匝線圈的平均長(zhǎng)度。由直線感應(yīng)電機(jī)的電磁計(jì)算程序[5]得出，Bg=0.607 5 T，N=602，I=2.93 A，Lav=15.288 cm，代入公示（1）得出單個(gè)磁極產(chǎn)生的推力F為：

F=0.697 5 × 602 × 15.288 × 10-2× 2.93=188（N）

圖3 輥?zhàn)拥氖芰Ψ治鰣D

在行波磁場(chǎng)作用下，在新的輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)中輥的表面將在LIM側(cè)附近產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與行波磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生X方向的水平推力，推動(dòng)輥以軸線為中心進(jìn)行滾動(dòng)。新型輥式輸送機(jī)在輸送過(guò)程中的額定推力Fe應(yīng)滿足公式：

在公式中，F(xiàn)N是平均有效推力（N），k是推力儲(chǔ)備系數(shù)：

式（3）中，F(xiàn)c是摩擦力（N），F(xiàn)r為慣性力（N），并且可以使用以下公式計(jì)算：

式（4）中 M 是質(zhì)量的對(duì)象（kg），a是加速度（m/s2）。

模塊化輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)按磁推力理論公式計(jì)算出的輸出功率與實(shí)際輸出功率有一定的誤差，因?yàn)榇嬖诹慵闹圃旌桶惭b尺寸誤差，以及材料的導(dǎo)電性等不確定因素，這需要以后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4 結(jié)論

模塊化輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)采用先進(jìn)的三相交流直線電機(jī)技術(shù)，無(wú)傳統(tǒng)的輥道輸送機(jī)（傳動(dòng)軸、減速機(jī)、聯(lián)軸器、鏈條、皮帶、齒輪等）的中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。因此，故障率低，效率高，維護(hù)量小。模塊化輥?zhàn)幼鳛轵?qū)動(dòng)和承載機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)更加緊湊合理，體積相對(duì)較小，可以取代目前各種類型的輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)。本論文根據(jù)理論公式推導(dǎo)了單個(gè)輥?zhàn)由系碾姶磐屏?，推力的大小是否能夠滿足運(yùn)送物料需要，運(yùn)送物體的速度和平穩(wěn)性等需要后續(xù)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。