微小行程單相圓筒型直線電機設(shè)計研究

呂 強，陳薇薇，戚振亞，李聽斌，周奇慧

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

直線電機由于不需要任何中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)就能輸出直線運動機械能的優(yōu)點，被廣泛應用于交通運輸、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療器械、航空航天等眾多領(lǐng)域。在航天器設(shè)計中，不同的飛行任務(wù)或特殊的載荷機構(gòu)常常需要一些定制化的特種電機。某航天器掃描機構(gòu)中需要采用一種行程為0.07 mm的長壽命直線電機，并且要求其動子能夠被動地跟隨機構(gòu)轉(zhuǎn)動。本文研究了一種圓筒型直線電機，對于特殊領(lǐng)域的使用需求具有一定的參考意義。

直線電機種類繁多，從原理上講，每一種旋轉(zhuǎn)電機都有與之對應的直線電機[1]。文獻[2]設(shè)計了一種斯特林制冷機用動鐵式直線電機，如圖1所示，通過單相繞組的正反通電可以實現(xiàn)動子的前后位移輸出，但行程的實現(xiàn)需要依靠機械限位，在頻繁的撞擊磨損下行程會逐漸增大，長期沖擊環(huán)境下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也存在風險，難以保證掃描機構(gòu)的長壽命要求。

圖1 斯特林制冷機用動鐵式直線電機

文獻[3]提出了一種錯片結(jié)構(gòu)微型直線步進電機，如圖2所示。該電機采用傳統(tǒng)的步進電機驅(qū)動控制方式實現(xiàn)直線位移輸出，其行程并不依賴于機械限位，但作者的研究重點在其出力特性上，能否穩(wěn)定實現(xiàn)0.07 mm的行程還有待驗證。此外，這種直線步進電機沿軸向分相，至少需要兩相繞組，因而軸向尺寸較大。

圖2 圓筒型錯片結(jié)構(gòu)反應式直線步進電機

文獻[4]對一2相8極混合勵磁直線磁阻步進電機進行了電磁仿真。該電機轉(zhuǎn)子與傳統(tǒng)混合式步進電機轉(zhuǎn)子類似，由2塊鐵心和中間的永磁體構(gòu)成，但小齒是沿圓周方向的。定子小齒也是沿圓周方向分布的，并且不同極的小齒沿軸向錯位，因此加工工藝性較差。電機結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 圓筒式直線步進電機

針對航天任務(wù)特殊的應用需求，本文設(shè)計了一種微小行程的單相圓筒型直線電機。首先從磁路分析的角度論證其原理可行性，然后根據(jù)技術(shù)指標設(shè)計了相關(guān)電磁參數(shù)，并建立了有限元模型進行仿真計算，最后試制了樣機進行實驗驗證。

1 原理分析

圖4為本文設(shè)計的單相圓筒型直線電機電磁結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖。電機主要組成部分包括定子鐵心、定子繞組、永磁體和動子鐵心，定子繞組為環(huán)形線圈，定子鐵心s1、s2的間距等于動子鐵心d1、d2的間距，且沿軸向錯開一定距離δ，定子鐵心s3、s4的間距等于動子鐵心d3、d4的間距，且沿軸向反向錯開距離δ，即左右兩部分對稱。其中，永磁體位置也可調(diào)整至動子部分的d1、d2之間和d3、d4之間。

圖4 單相圓筒型直線電機工作原理

兩段永磁體沿電機軸向充磁且方向相同，在電機內(nèi)部形成兩個方向相同的主磁場。繞組不通電時，電機左右兩邊機械和磁路均對稱。動子左邊部分受到定子向左的拉力F0，動子右邊部分受到定子向右大小相同的拉力F0，動子在圖4(a)所示位置穩(wěn)定。

繞組通電時，動子位置還未開始改變瞬間，左邊線圈1產(chǎn)生的磁場與磁鋼的主磁場方向相反，合成磁場減弱，動子左邊部分受到定子向左的拉力由F0瞬間減小至F1；右邊線圈2產(chǎn)生的磁場與磁鋼的主磁場方向相同，合成磁場增強，動子右邊部分受到定子向右的拉力由F0瞬間增大至F2，于是動子受到向右的合力，開始向右移動。隨著動子向右移動，左邊定、動子鐵心錯開距離δ增大，氣隙磁導減小，拉力F1逐漸增大；右邊定、動子鐵心錯開距離δ減小，氣隙磁導增大，拉力F2逐漸減小。當動子移動到某一位置時，左右拉力再次平衡，動子靜止在新的穩(wěn)定位置，該穩(wěn)定位置與之前繞組未通電時穩(wěn)定位置之間的距離即電機在相應電流下的行程。改變電流方向即可改變動子移動方向，改變電流大小即可改變動子移動距離。

線圈磁場與永磁體磁場方向相同時，氣隙磁通可以表示：

(1)

式中：Hm為永磁體磁場強度；lm為永磁體軸向長度；N為線圈匝數(shù)；I為線圈電流；ls為定子鐵心長；μs為定子磁導率；Ss為定子鐵心截面積；δ0為等效氣隙長度；μ0為真空磁導率；Sδ為等效氣隙面積；ld為動子鐵心長；μd為動子磁導率；Sd為動子鐵心截面積。

線圈磁場與永磁體磁場方向相反時，氣隙磁通可以表示：

(2)

式中：H′m為永磁體磁場強度；μ′s為定子磁導率；S′δ為等效氣隙面積；μ′d為動子磁導率。

電機通電后動子還未開始動作時的推力，即最大推力：

(3)

式中：θ為定、動子之間作用力的合力與軸向分量之間的夾角。

由于動子還未開始動作，可以近似認為等效氣隙面積不變，即Sδ≈S′δ。當磁場未飽和時μs≈μ′s，μd≈μ′d。因此式(3)可以簡化表示：

(4)

式中：Rt為主磁路的總磁阻。

電機繞組施加某一恒定電流后，動子便開始移動一段距離。隨著位移的增大，推力從最大值Ft開始下降，下降到零時動子結(jié)束移動，完成該電流下的行程動作。改變施加的繞組電流時，動子便從該位置移動到新的位置。動子在行程結(jié)束位置(即穩(wěn)定位置)上受到負載擾動時會產(chǎn)生一定的位置偏移。當電機的行程一定時，F(xiàn)t越大，推力-位移曲線在穩(wěn)定位置附近的斜率越大，電機抗負載擾動的能力就越強。

2 電磁設(shè)計

根據(jù)掃描機構(gòu)的設(shè)計要求，單相圓筒型直線電機的主要技術(shù)指標如表1所示。

表1 直線電機主要技術(shù)指標

直線電機截面示意圖如圖5所示，其中位于定、動子各自中間的隔環(huán)為不導磁的鋁合金材料。為提高電機推力和高低溫環(huán)境適應性，定、動子鐵心采用高飽和軟磁合金材料1J22，永磁體采用2∶17的燒結(jié)釤鈷永磁體，低溫磁性能增強，高溫退磁小，最高使用溫度可達300 ℃。繞組采用聚酰亞胺漆包圓線QY-2/220，長期工作溫度220 ℃。直線電機的主要設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 直線電機主要設(shè)計參數(shù)

圖5 直線電機截面示意圖

建立圓柱坐標系，采用二維瞬態(tài)場對直線電機進行仿真分析，電機磁場分布如圖6(a)所示。增大lm可使漏磁減少，推力變大，但永磁體用量會增加。為減少漏磁而不增加永磁體用量，可以保持永磁體長度不變，采用在定子鐵心內(nèi)側(cè)增加與永磁體相同截面的鐵心的方式。當兩片定子鐵心距離增加時，留給繞組的空間也會相應增加，從而增加安匝數(shù)，提高出力。當然，用銅量也相應增加。實際設(shè)計時，需要綜合考慮，漏磁在可接受范圍之內(nèi)即可。

不同電流下的推力-位移曲線如圖6(b)所示，橫坐標0位移位置表示電機不通電時動子無約束下的自然位置。0電流的推力-位置曲線表示電機不通電時，外力將動子推至相應位置所需的推力。當繞組通0.105 A電流時，推力-位置曲線向負方向平移(反向通電時往正方向平移)，穩(wěn)定平衡位置，即推力為零的位置位于-26 μm處，表示繞組通0.105 A電流時動子往負方向運行25 μm。繞組電流增加時，推力-位置曲線繼續(xù)平移，動子繼續(xù)往負方向輸出位移。當繞組電流增加至0.315 A時，輸出位移-77 μm，達到指標要求的70 μm，且電流尚未超出指標要求的上限0.4 A。推力-位置曲線在橫坐標零處的值即為最大推力。由圖6(b)可知，0.315 A下的最大推力為8.9 N，滿足技術(shù)指標要求。

圖6 直線電機有限元仿真結(jié)果

此外，從推力-位置曲線可知，在0.07 mm的微小行程范圍內(nèi)，電機輸出位移隨繞組電流呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。這為掃描機構(gòu)實現(xiàn)簡單的開環(huán)控制提供了便利。

3 實驗測試

根據(jù)上述分析與設(shè)計，研制的圓筒型直線電機樣機如圖7所示。樣機為分裝式結(jié)構(gòu)，定、動子通過實驗機殼、實驗端蓋和實驗轉(zhuǎn)軸裝配起來，保證氣隙均勻度。實驗機殼和實驗端蓋上裝有滾珠直線軸承，以減小動子機械摩擦阻力，提高測試精度。

圖7 圓筒型直線電機樣機

電機主要技術(shù)指標測試結(jié)果如表3所示，其中行程和最大推力的測試平臺如圖8所示。測試時，將電機固定在平口鉗上。千分表置于平口鉗上，表頭置于電機輸出軸上并置零。電機繞組引出線與直流穩(wěn)壓電源相連。測量行程時，逐漸增加繞組電流至0.35 A，使輸出軸往伸出方向移動，穩(wěn)定后千分表的讀數(shù)即為0.35 A下的行程。測量最大推力時，繞組通以0.35 A的電流，使輸出軸往伸出方向移動，然后用推拉力計將輸出軸往回頂，使千分表讀數(shù)回到零，此時推拉力計的讀數(shù)即為最大推力。

表3 主要技術(shù)指標測試結(jié)果

圖8 直線電機測試平臺

改變繞組電流，測量不同電流下的行程，即可得到電機位移-電流曲線，如圖9所示。由圖9可以看到，實測值略小于仿真值，且線性度弱于仿真值。由于測試時電機為垂直放置，分析考慮動子受到重力作用的影響。動子重力為負方向2.6 N的恒定力，負載線為一與橫坐標平行的直線，仍處于線性區(qū)，因此2.6 N的重力作用不會使行程整體偏小，此偏差主要來自仿真計算的誤差。另外，為測試其帶負載后的特性，人為在輸出軸上放置了50 g砝碼，即測試帶0.49 N負載的位移-電流曲線，如圖9所示?？梢钥吹綆лd和空載下的位移-電流特性無明顯變化，電機在一定的負載阻力影響下輸出位移穩(wěn)定。

圖9 電機位移-電流曲線

4 結(jié) 語

本文針對某航天掃描機構(gòu)微小行程直線電機需求，設(shè)計并研制了一臺單相圓筒型直線電機樣機。基于磁路分析建立了直線電機的基本拓撲結(jié)構(gòu)，并推導了最大推力的影響因素。根據(jù)需求指標進行了相應的電磁設(shè)計，采用有限元仿真初步驗證了設(shè)計方案的可行性。經(jīng)過樣機的測試，進一步驗證了這種新型單相圓筒型直線電機方案在微小行程輸出時具有精密的輸出特性，其位移-電流特性基本呈線性特征，控制方便，為微小行程直線電機設(shè)計方案提供了新的思路。