第10卷 第1期2006年1月 电 机 与 控 制 学 报ELECTRIC MACHINES AND CONTROL Vol110No11Jan.2006
一种微小型永磁直流直线电机王坤东, 颜国正(上海交通大学电信与电气工程学院820所,上海200030)
摘 要:针对永磁直流直线电机的微型化问题,提出了近似拼接的设计方案,优化了结构参数,并加工出样机进行了试验。在尺寸所限下,该电机使用多个长方体永磁块拼接的正八边形来近似逼近全径向磁化管形磁铁励磁。利用有限元分析软件MaxWell910优化了气隙和磁铁厚度等结构参数。对样机进行了试验分析,结果表明电机驱动力和电流呈线性关系,在整个行程中,输出力均匀,
驱动力在电流01004A时可达0172N,线圈温度在5516°C。关键词:微小型;永磁;直线电机;有限元优化中图分类号:TM351文献标识码:A文章编号:1007-449X(2006)01-0070-04
AminiaturepermanentmagnetlinearDCmotorWANGKun2dong, YANGuo2zheng(SchoolofElectricalandInformationEng.,ShanghaiJiaotongUniv.,Shanghai200030,China)
Abstract:ThispaperpresentedamethodbasedonjointedpermanentsforminiatureofDClinearmotor.Structuralparameterswereoptimized.Prototypewasmanufacturedtomakesomeexperiments.Undertheconstraintofmicrodimension,severalrectangularpermanentmagnetswerejoinedtobeoctagon,whosefieldapproachesthefiledoftube2shapedpermanentmagnetizedatradialdirection.BasedontheFEAsoftwareMaxWell910,thestructuralparameterssuchasdepthofairgapandpermanentmagnetwereop2timized.Thecharactersofmotorareanalyzedthroughexperiments.Researchdemonstratesthatdrivingforceisproportionalwiththecurrent,anddrivingforceisstableinthewholestroke,anddrivingforcereaches0172Nwhenthecurrentstrengthis01004A,andthetemperatureofcoilrisesto5516°C.Keywords:miniature;permanent;linearmotor;FEoptimism
收稿日期:2004-10-21;修订日期:2005-06-15
基金项目:国家高技术研究发展计划(863)资助项目(2001AA422210)作者简介:王坤东(1978-),男,博士研究生,研究方向为微型特种机器人;
颜国正(1960-),男,博士后、教授、博士生导师,研究方向为特种机器人、仿生机械。
1 引 言在微小空间进行作业的行走机构,如工业细小管道或人体消化道的检测机器人等,要求直径在10～15mm之间,同时对驱动技术也提出了新的要求,如驱动力大、控制方便、可靠等[1,2]。微型旋转电机受尺寸的限制,加上将旋转运动变为直线运动的中间机构也占有一定空间,因此将外形尺寸控制在直径为10mm以下比较困难[3]。压电驱动器行程较短,一般都是在μm量级,存在如何将位移进行放大的问题,而且驱动力很难控制[4]。形状记忆合金驱动器由于记忆合金的加热变形—冷却回复的时间较长,因此速度较慢[5]。直线电机是近年来出现的一种新型驱动技术,它将电能直接转换为直线运动的机械能,不需要运动转换的中间机构,因此结构尺寸上能够进一步减小。直线电机种类繁多,其中永磁直流直线电机由永磁励磁,结构简单,控制方便。从现有的产品看,还没有出现直径在10mm以下的圆
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net桶形直流直线电机[6]。尺寸的限制对于获取较大的输出力是极为不利的,为此必须采用合理的磁路结构,即漏磁尽可能小,线圈尽可能充分利用。采用全径向磁化的管形磁铁可以做到这一点,但是尺寸微小的管形磁铁在全径向充磁时存在技术困难。本文提出了一种新的结构可弥补上述不足,并对结构参数进行了有限元优化,制造出了样机。2 电机结构图1(a)为该电机的结构示意图。在该结构中,永磁块4产生的磁通经过导磁筒5、左端盖2(右端盖6)、铁心7、空气隙闭合。在空气隙中产生近似径向辐射方向的磁场,处于其中的线圈绕组3通直流电时,在电磁力作用下线圈绕组3沿铁心7向一端运动。反向通电则向另外一端运动。运动和驱动力通过动子骨架1的输出板输出到电机外部。图1(b)为永磁块4在导磁筒5中的安装示意图,所有永磁块4均匀镶嵌在导磁筒5的槽内,形成正八边形来近似逼近全径向充磁的管形永磁体。3 电机结构的有限元分析气隙磁场是永磁提供的磁场和绕组磁场的叠加,且气隙厚度相对于磁体的尺寸在一个数量级上,因此传统的磁路理论用来计算永磁电机,准确到5%已属不易,数值计算可以达到较高的精确度[7]。有限元分析是一种比较成熟的数值方法,本文采用的是美国Ansoft公司推出的MaxWell,它具有较强计算能力。311 磁场形态分布的计算在MaxWell9103D上进行建模分析,如图2所示。模型中隐藏了其中一个端盖。空气的磁导率和真空很接近,所以周围环境指定为真空。永磁体使用钕铁硼永磁材料,除线圈为铜外,其他零件材料为电工纯铁。图3为B分布图,箭头所指为B的方向,长短表示B的大小。其中,图3(a)为纵向中切面
(经过轴线的平面)上的磁力线分布,可以看出,永
磁块发出的磁力线一路经过导磁筒、右端盖、铁心、气隙后回到永磁块形成闭合磁路,另外一路与其对称。B线在空气隙中的两端有稍微的倾斜,在中间的大部分空间上是沿径向的,而且呈现出中间较强两端较弱的分布。图3(b)为横向中切面(和轴线垂直并位于轴线中点的平面)上的磁力线分布,可以
17第1期一种微小型永磁直流直线电机© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net看出,磁力线经过空气隙总体方向朝外,并非呈完全的辐射状,说明这种近似和全径向还是有一定差别。312 电机结构参数的优化本结构的各种结构参数如图4所示。如果根据工作空间要求电机的半径R和长度L给定,要确定出合理的电机结构参数,包括导磁筒的壁厚d、永磁体的厚度h、空气隙厚度δ以及铁心的半径r,目的是得到最大驱动力F。在加载电流一定的条件下增加永磁块的体积、增大线圈绕组的匝数以增大驱动力。对于导磁筒的壁厚d应该是尽可能的小,这样可以有更多的空间留给永磁块和绕组,但是作为电机的支撑结构还要保证其有一定的刚度避免变形,另一方面应避免材料的饱和磁化。使用电工纯铁加工该零件,最小厚度d=014mm可以保证刚度。钕铁硼永磁材料质硬难以加工,而且一般的加工方法会使其丧失磁性,因此使用市场上可以买到的成品,其厚度h可以选定。由以上可知,空气隙厚度δ和铁心半径r之和为常数,因此确定其中之一即可。对于空气隙,如果其偏大则在其间形成的磁场可能很弱,但是可以放置较多匝数的线圈,反之亦然,这两者对于增大驱动力F是一对矛盾的因素,需要确定合适的气隙厚度δ。改变空气隙厚度,使用MaxWell910计算驱动力,结果如图5所示。在图5中空气隙厚度为111mm附近得到最大电磁驱动力,因此将空气隙的厚度确定为111mm。
4 样机及试验分析使用精密加工技术加工出的直线电机样机。样机外形为圆柱形,规格为直径为11mm,长为15mm。导磁筒内侧可以镶嵌永磁块,排列成正多边形。在动子骨架上使用手工绕制线径为0107mm的漆包线来制作线圈绕组,同时在动子骨架上加工一些小的结构以方便力和导线的输出。411 电机驱动力和电流的关系施加不同的电流测量电机的驱动力,得到电机驱动力和电流的曲线如图6。在不同的电流下对模型进行有限元分析,得到电机驱动力的计算值和电流的关系如图6。两者对比可看到,驱动力和电流呈线性关系,但是由于测得的驱动力受线圈骨架和铁芯间摩擦力和粘滞力的影响,比计算值偏小。
412 驱动力在线圈绕组行程上的变化在0108A和0106A的电流水平下,使线圈绕组保持在其行程的不同位置测量电机的输出驱动力,
得到的实现曲线如图7所示。从图7可以看出,在不同的位置驱动力是有差别的,但基本上是平衡在某一个值附近。413 电机温升试验利用线圈的电阻在温度升高后相应升高的关系来确定线圈的温度。测量冷却时线圈的电阻R
e=
2810Ω,当前室温te=2415℃,通电30min,
断电后测
量线圈电阻。采用外推法求取断电瞬间线圈的电阻,即断电后每隔固定时间测量一次,在电阻-时间
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