【毕业学位论文】电织针超薄直线电机阵列单元的结构优化设计

分类号 学校代 码 10495 学 号 1115023002 武汉纺织大学 硕 士 学 位 论 文 电织针超薄直线电机阵列单元 的结构优化设计 作者姓名： 汪诚诚 指导教师： 范良志 副教授 学科门类： 工学 专 业： 机 械设计及理论 研究方向： 超薄直线电机 完成日期： 二零壹四年三月 . E. of of an y 014 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 武汉纺织大学 有 关保留、使用学位论文的规定。特授权 武汉纺织大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 摘 要 本文以国家自然科学基金“针织装备中的直线电机原理、控制与热设计研究（项目号 50805109）”为背景，对用于纺织机械中的电织针超薄直线电机的阵列单元进行了结构的优化设计及对动子部分进行了基于多目标优化算法的优化。论文主要是为了提高传统的纺织机械中的核心部件（织针）的动态性能指标，通过对电织针的动力学分析得到了电织针超薄直线电机的理论结构模型。并在此基础上，对动子部分以及动子的支承和导向方案进行设计和对定子部分的结构、工艺的优化，从而提高电织针的动态性能指标。 首先 ,论文对电织针进行运动学与动力学分析，得到针织机械对电织针的基本要求和磁路的结构形式，然后对所建立电机的模型进行了可行 性分析，最终得到符合电织针动力学指标的电织针超薄直线电机设计模型的结构及关键尺寸。 其次，在确定电织针的结构模型为动圈式永磁同步直线电机的前提下，对电织针的定子部分永磁体阵列内的静磁场以及定子部分的结构的稳定性进行了分析，从而为定子部分的结构设计奠定基础，同时对动子部分的设计方案进行比较，并确定用玻璃纤维基环氧树脂增强 层线路板作为定子的设计方案，另外，为了保证电织针动态性能指标的实现对动子部分的支承和导向方案进行了设计。 最后，采用有约束多目标优化的方法同时利用 优化工具箱对电织针动子部 分进行了多目标优化，并得出最后的优化结构。 本文所做的工作能够提高电织针的动态性指标从而满足针织机械对织针的苛刻要求，为下一步电织针在针织机械中的广泛应用奠定理论基础。 关键词：纺织 ； 电织针；结构稳定性；多目标；优化设计 研究类型：应用基础研究 I is on of of , we of in as of is to in of On we a of of of of in of of a in A in of of of of of of of of of CB as a in to of of to of of of of In to of in to I 目 录 1 绪论 . 1 题的来源 . 1 题的研究背景及研究意义 . 1 线电机在国内外的研究现状及发展历程 . 1 内直线电机的研究现状 . 1 外直线电机的研究现状 . 2 线电机的发展历程 . 2 线电机的应用领域及 其在纺织工业中的应用情况 . 3 线电机的应用领域 . 3 线电机在纺织工业中的应用情况 . 3 文的主要内容 . 5 2 电织针的电机模型建立 . 7 线电机概述 . 7 线电机简介 . 7 线电机的基本结构和工作原理 . 7 织针超薄直线电机的动态性能指标 . 10 织针超薄直线电机的运动学动力学分析 . 11 织针超薄直线电机模型的建立与磁路的设计 . 12 织针超薄直线电机模型选择的可行性分析 . 14 织针超薄直线电机的设计模型结构及关键尺寸 . 14 章小结 . 15 3 定子部分永磁阵列内的静磁场分析及结构稳定性分析 . 16 织针超薄直线电机的磁路模型 . 16 子部分永磁阵列内的静磁场分析 . 17 磁体阵列参数对驱动电机磁场分布的影响 . 19 织针定子部分永磁体阵列的结构刚度分析 . 20 章小结 . 21 4 电织针超薄直线电机阵列单元的结构设计 . 23 织针超薄直线电机的结构 . 23 子的设计 . 23 动子载流线圈的制作 . 23 子线圈做往复运动的导向方案的设计 . 25 子线圈做往复运动时针杆的受力分析及强度的校核计算 . 28 级动子做往复运动的可行性分析 . 28 子的设计 . 31 磁体组件的设计 . 32 磁体支撑架的结构设计 . 33 铁铁轭及基座的结构设计 . 33 织针样机的装配 . 35 章小结 . 36 5 电织针超薄直线电机阵列单元的结构优化设计 . 37 机优化设计概述 . 37 构优化设计及其基本概念 . 37 构优化设计准则 . 38 目标优化算法概述 . 38 目标优化算法的优势与优化步骤 . 38 于 多目标电织针驱动机构的优化设计 . 39 目标优化的数学模型建立 . 39 化工具箱求解 . 40 章小结 . 41 6 论文总结与研究展望 . 42 文总结 . 42 究展望 . 42 参考文献 . 44 附 录 . 47 致 谢 . 48 武汉纺织大学硕士论文 1 1 绪论 题的来源 本课题是国家自然科学基金项目“针织机械用直线电机的原理和控制设计及热分析”（基金的编号为： 50805109）为研究背景而提出的。 题的研究背景及研究意义 直线电机是依据电与磁之间相互作用原理，它可以把电能转换成直线运动机械能。它是一种不需 要中间转换机构的新型电机，它的出现改变了之前直线驱动装置使用旋转电机通过中间转换机构变换为直线运动的方式。它具有的组织结构少、损坏少、噪声低、整体性强、方便维修等优点。它所具有的这些优点，已经开始引起了众多从事科研工作者的关注 123。直线电机在机械制造、能源、军事等领域得到了广泛的应用，所以有关直线电机结构优化设计方面的技术研究越发受到人们的重视，我们深信在将来它会和计算机一样在工业、军事、民用等日常生活的各个领域里得到广泛的应用 4。 纺织业是我国重要的支柱产业和首要出口收益产业之一，经济范围巨大， 在业人口众多。 而我国的纺织企业大部分都是劳动密集型企业，生产效率很低，纺织工业的发展仍面临着国际、国内鲜有的历史机遇，同时又有许多可以预见和不可预见的风险挑战。我国纺织行业的生产技术和装备与发达国家相比还有很大差距，因此对纺织行业的基础性研究是我国目前需要解决的重大课题。而直线电机以其巨大的优势已广泛应用到纺织行业的各个领域。国家自然科学基金项目：“针织机械用直线电机的原理和控制设计及热分析”（基金的编号为： 50805109）的提出是为了提高纺织行业的生产效率，从而进一步提高纺织行业的装备技术水平。 本 课题的研究证明了以直线电机为基础的电织针在苛刻尺寸条件下运行的可行性，为了大幅度的提高针织机的性能指标和工作效率，减小系统损耗，对电织针的驱动机构进行结构优化设计，为超薄直线电机在针织机械中的广泛应用奠定基础。 线电机在国内外的研究现状及发展历程 内直线电机的研究现状 我国对直线电机的研究与应用起步较晚，据相关文献记载我国对直线电机的研究是从上个世纪七十年代才开始的。直到 1972 年，我国才出现了由科学出版社出版的唯一一本讲述直线电机的译文集。近年来，国内也有了很多应用开发直线电机的机构 。这些机构主要包括：浙江大学，西安交大，上海大学，太原理工大学，沈阳工业大学和中国 武汉纺织大学硕士论文 2 科学研究院的电工研究所等，在这中间的浙大成立了当时全国第一家直线电机的研究所，太原理工大学有专门的直线电机实验室且已经制作出直线电机样机，这些都是我国在直线电机方面所取得的成绩。但是与国外比起来，我国的直线电机在应用推广上任然存在着相当大的差距 5,6。 外直线电机的研究现状 最近几年国外直线电机的发展迅速，直线电机的人才在国外也逐渐得到重视，在英国、法国、德国乃至瑞典、瑞士前后陆续出现了很多研究直线电机的研究 实验室和科研人员。在国外的许多高校和大学都开设了有关直线电机研究的专业课，多年来，培养了大量的高学历人才，许多高校带领来学校访问的来宾参观的项目中一定有和直线电机相关的项目 7。许多发达国家在直线电机产品研究方面非常著名的电气自动化企业非常多，如美国保德、科尔摩根和西屋电气公司 8，还有松下公司和三井精机公司这些在日本的公司，在德国比较著名的有西门子公司，在法国，英国，瑞典，尤其是许多日本的企业和科研单位，做直线电机方面研究的人不计其数。通过对直线电机的深入研究，国外许多科研机构生产出了许多高品质的直线 电机成品，有关直线电机的科研成果也越来越多。 线电机的发展历程 直线电机的发展经历了很长的历史。据文献介绍说，早在 1845 年英国人查尔斯威斯顿就发明了第一台直线电机，为后来直线电机的研究奠定了基础，距今已有 160 多年的历史了。然而，到了上世纪 50 年代，直线电机进入了开发和运用阶段，在这一阶段直线电机得到了进一步的发展。到上世纪 70 年代时直线电机已进入商业化阶段。其发展大致可分为三个阶段：实验探索阶段（ 1840开发应用阶段（ 1956实用商品化阶段（ 1971-） 9。 第一阶段是实验的探究和运用时期。因为在这段时期直线电机在设计方面并没有得到太大的进展，所以在这一时期直线电机并没有得到广泛应用 10。 第二阶段是直线电机全面的开发阶段。在此期间，以英国的 授为代表的一些人非常重视直线电机的基础研究 ,同时取得了许多研究成果 ,例如发表了许多直线电机相关理论的论文，出版了直线电机的专著 。这些研究成果都为直线电机的发展起到了促进作用，为直线电机的发展作出了重要贡献，使直线电 机引起了许多人的关注。 从 1971 年开始直线电机迈进了独立的运用阶段。在此期间，研究人员找到了一条适合直线电机的发展方向。各种类型的直线电机的运用也得到了快速的推广，目前许多直线电机产品已经具有很大的实用价值，如运煤机械、空气压缩机械、冲压机等 11。 武汉纺织大学硕士论文 3 线电机的应用领域及其在纺织工业中的应用情况 线电机的应用领域 由于直线电机不需要中间的传动转换机构，所以直线电机的应用领域变得越来越广泛，直线电机在各领域的需求也逐渐增加，越来越多国家开始进行有关直线电机课题的研究，高质量的电机产品也变 得越来越多。我们相信，在未来的市场上直线电机不论在任何领域里都会得到广泛的应用。 (1)直线电机在交通运输业中的应用。采用了直线电机技术的交通工具有：地铁、磁悬浮列车等，它们都具备安全，舒适，效率高，无污染等优点，在新的交通工具研究中发挥了关键作用。 (2)直线电机在工业中的应用。直线电机在原材料和货物运输等方面具备独特优势，例如，在工业中常用的电梯和运输机械等 12。各种工业用加工机床现在全部采用直线电机取代了之前的旋转电机，这些都用到了直线电机精度高，速度快的优点，例如，直线电机驱动的压铸机、冲压机械以 及电火花切割机 13。 (3)直线电机在民用方面的应用。我们每天都会用到的家用电器如冰箱，空调等电器的门都可以用直线电机来驱动，现在已经有开发的相当成熟的直线电机驱动产品如日本的日东工器公司生产的 0920 直线电机驱动的空气压缩机。 (4)直线电机在军事方面的应用。在一些国家中，许多研究人员把直线电机技术应用到潜艇、电磁驱动炮、军用仿真装备和其他的先进设备中，即使在通信卫星上也有许多装置是用直线电机来驱动的。 线电机在纺织工业中的应用情况 随着纺织行业 术的发展和纺织工艺技术的 逐步提升，利用直线电机驱动的纺织机械与原始的凸轮驱动相比，具有效率高，响应快，容易操作，使用范围大等特点。当我们走进纺织厂时会听到很大的撞击噪声，使得我们在里面对话几乎很困难。这是因为在纺织厂里的许多织布用的梭子通过机械式弹簧片储存或者释放能量从而进行往返运动，在 18纪，纺织行业是众多国家的支柱产业，当时人们最关注的焦点就是怎么样提高纺织品的质量和产量。同时，在技术上如何提高织梭的往复运动频率和降低织梭往复运动冲击所产生的噪声也是纺织行业迫切需要解决的重大难题。然而，当直线电机出现时这些难题都一一得 到解决。当时的美国匹兹堡市，纺织业比较发达，市长为了解决纺织行业的难题首先提出用直线电机当作电梭子代替之前的机械梭子的设想，正是这一设想引起了许多科研人员的兴趣。从理论上看，用直线电机做成的梭子具有速度快、没有摩擦、没有噪声的优点。如果能将这些优点运用到纺织行业中来，将能够解决许多难题。于是，许多研究人员开始研究开发并试制直线电机样机。可是受当时电气控制和 武汉纺织大学硕士论文 4 材料制造工艺等种种因素的制约，导致经历了数十年也未能研制出样机。前不久，在国内已经有研究人员提出了在电子提花机中采用永磁无刷直线电机的设计方案，如图 图 磁无刷直线电机结构与系统框架图 根据电子提花工艺要求，选用动圈式扁平型直线直流电机的设计方案，因为它不仅控制非常方便灵活，而且可以实现快速的往复运动，制造工艺简单，适合量产和装配。为了优化结构，减少资源的浪费，采用轻质工程塑料来取代次级动子线圈，同时，电枢用分布在外表面上的多层绕组制成 14。这种方案从设计思路上和本文的电织针很相似，但是此方案在设计时没有考虑到次级动子线圈的驱动力，载流导线中的最大电流也未做分析计算，因此不能作为电织针的电机模型。 直线电机在纺织工业中的割麻装置也 起到了非常关键的作用，利用直线电机来驱动的割麻机构是由电机的初级和次级以及导轨等组成的，在割麻机构中通常是把电机次级和刀架连接在一起沿着导轨做往复运动。直线电机驱动的割麻机构，因为其结构简单，而且可靠性高，所以在国外也得到了广泛的应用。在纺织工业中，越来越多的地方用到直线电机，如编织机机头的往复运动，这些纺织机械都用直线电机驱动代替了以前的凸轮驱动，从而提高了工业的自动化。 来自加利福尼亚大学的戴维斯教授等人 15,16,17，在直线电机制作工艺的研究方面做了大量的工作。他们利用电化学蚀刻工艺制作出了直线电机的 两种不同形式的电枢。将直线电机的电枢线路通过一定的工艺手段安装在硅片上面，主要用到的工艺方法包括焊接、电镀和电蚀。在磁性材料选择方面，解决了目前市场上磁体材料在刚度和磁性性能上的瓶颈，通过利用 艺将硅钢片加工出一个空腔，在空腔里装入磁体材料，并将 性粉末和磁体材料粘结在一起。可是后来经过试验发现，此方法成本非常高，制作工艺复杂，在结构形式上也和电织针有非常大的差异，仅适合做实验室研究开发并不能直接应用到纺织行业中去，最后并未采用此方案。 综上所述，直线电机已经广泛应用于纺织机械中，但是由于 现有的研究手段仅处于实验室研究阶段并不能达到工业上所提出的要求。因此，为了能够使直线电机技术得到 武汉纺织大学硕士论文 5 广泛的应用，需要我们进一步优化直线电机的结构，提高其动态性能指标，使其满足纺织行业中复杂运动的苛刻要求。 如图 示，本文进行优化设计的是在纺织机械中的驱动机构，此方案是把织针设计成为直线电机，织针的上下运动是靠直线电机来驱动的，它不同于传统机械中常用的凸轮驱动，它具有效率高、无噪音、无摩擦等优点。本文在现有样机的基础上进行直线电机的结构优化设计，对动子、定子部分以及加工工艺方面分别进行优化，从而提高其动态性 能指标，使其能够广泛应用到纺织机械中去 18。 图 边型永磁同步直线电机的结构图 文的主要内容 本文的重点内容是对电织针超薄直线电机的阵列单元进行结构上的优化设计，目的是为了提高现有样机的动态性能指标，以满足针织行业对织针的基本 要求。在论文的组织结构方面，首先根据针织行业对织针各项指标的要求从运动学和动力学原理出发进行动力学基础研究引出电织针超薄直线电机的具体设计要求，最后建立了电织针超薄直线电机的模型以及对尺寸的设计要求。然后对电织针进行静力学分析，主要是对定子部分结构的静态稳定问题进行分析，最后，对动、定子两个部分分别进行结构优化设计，提高电织针的各项性能指标，从而为电织针在针织行业的广泛应用奠定基础。 第一章首先简要介绍了直线电机在国内外的发展概况及发展历程，然后介绍直线电机在各领域里的广泛应用情况及在纺织工业中的应用，目的 是为了说明本文的研究内容的实际意义。 第二章首先从针织行业对织针的指标要求出发，通过运动学和动力学原理出发引出直线电机模型的具体设计要求，并对模型的选择进行可行性分析，最后建立电织针超薄 武汉纺织大学硕士论文 6 直线电机模型。 第三章对电织针超薄直线电机进行了静力学分析，分析了定子部分结构的静态稳定性，从静力学角度进行分析，从而为动子部分的动态稳定性分析奠定基础 19。 第四章介绍了电织针次级动子的制作方案选择及次级超薄织针的支承与导向方案的设计，同时对直线电机定子部分进行了具体的结构设计和加工工艺的改进，并简要介绍在定子部分加工时 用到的电火花切割的加工工艺，目的是为了更好的对定子部分进行结构优化。 第五章采用有约束多目标优化方法对次级动子载流线圈进行了基于动力学指标的优化设计，并使用 具箱进行优化和计算优化结果，提高电织针的动态性能。 武汉纺织大学硕士论文 7 2 电织针的电机模型建立 线电机概述 线电机简介 直线电机是利用电和磁相互作用的原理，把电能转化为机械能，它是一种不需要任何转换机构就能够直接实现线性传动的一种新型电机。在直线电机的应用方面，我们通常将直线 电机看作电动机，却不把直线电机看作发电机，电动机可以工作在发电机的状态，在一些特定情况下，我们也可以把直线电机当作发电机来运行，如磁悬浮列车上辅助设备所用的电能就是直线发电机将列车的动能转换而来的。直线电机是上世纪出现的一种新技术，它具有与其他电机不同的理论和原理 20。在结构上面，直线电机相当于把旋转电机的顶部沿径向剖开并把它沿着圆周拉直，工作原理也和旋转电机类似 21。直线电机的结构，可以按需要做成圆筒型，扁平型或盘型等形状。它可以使用直流电源，交流电源或脉冲电源等多种电源。直线电机可以实现大功率和大推 力的要求。直线电机不需要任何其他环节的转换就能够直接驱动物体做往复直线运动，它在一定程度上取代了传统的传动方式，和传统的传动方式相比它具有以下优点 22： (1)不存在机构之间的磨损，它可以进行高精度跟踪和定位到给定的路径，维护方便，可靠性非常强。 (2)直线电机输出的是直线运动，不会因为离心力的作用而使速度受限，可以输出更大的加、减速度。 (3)直线电机的进给长度不受其他因素的限制。 (4)直线电机的结构简单，它是利用电与磁相互作用原理驱动的，动子与定子之间相互作用的过程是不需要直接接触的，避免了传统装置 中的摩擦问题，运动噪声低，减小了对周围环境的影响。 线电机的基本结构和工作原理 （ 1）直线电机的基本结构 我们把直线电机（现研究扁平型直线电机）看作是由旋转电机演化而来的，我们把一台旋转电机沿着径向剖分开来，这样就把圆弧型的电机变成了直线型的电机，如图 武汉纺织大学硕士论文 8 a)旋转电机 b)直线电机 图 转电机和直线电机的结构图 图 旋转型电机演变为扁平型直线电机的流程图 a)旋转型电机 b)演变而来的直线电机 如图 示，我们可以清晰的看到由旋转电机演变为扁平型直线电机的过程。我们把定子变化来的一边叫做直线电机的初级，转子变化来的一边叫做直线电机的次级。由旋转电机演化而来的直线电机初级的尺寸和次级的尺寸是相同的，可是因为在运行的过程中初级与次级之间有相对运动，在 初级和次级运动的过程中耦合会逐渐减少，造成不能正常运行 23。为了保证初级与次级能够稳定的耦合，在实际应用的情况下，通常把初级和次级做成不一样的长度。通常情况下不仅可以做成长初级短次级的形式，也可以做成短初级长次级的形式。但是，由于短初级在生产成本和能源的消耗方面比短次级低，所以通常情况下直线电机一般采用短初级长次级的类型。 如图 示为直线电机的平板型结构。对于这种结构，如果只在一边设置初级，我们称之为单边型结构或者单边型直线电机；如果两侧都布置有初级则称之为双边结构或双边式直线电机。双边结构能够有效 的抵消法向力和提高次级利用率等优势 24。如果把平板形结构沿着法向弯折则可以得到圆弧形结构，沿垂直于法线的方向弯折则可以得到盘形结构，沿垂直于法线的方向弯曲并闭合则可以得到管形 (或叫圆筒形 )结构。 武汉纺织大学硕士论文 9 图 边型的直线电机 a)短初级形式 b)短次级形式 除扁平型直线电机外，按不同的要求，还能将直线电机做成不一样的结构，如圆盘型、弧型、和圆筒型等。 （ 2）直线电机的工作原理 直线电机是把传统的旋转式电机的顶端沿着径向剖分开来，之后把圆周拉直就变成了直线电机。如果在直线电机的三相绕组中通入对称式三相正 弦交流电流后将会产生空气磁场。如果不计因铁心两头开断而引发的边端效应的情况下，这时的气隙磁场的分布情况和旋转型电机类似，可以看作是沿直线方向的正弦形状分布。当三相电流发生改变时，气隙磁场会按 A、 B、 C 三种相序沿着直线发生位移改变。旋转电动机的原理也大致相同的，不同的是，这里的磁场是做平行移动，而不是旋转移动的形式，所以被称为行波磁场 25。很明显，旋转磁场在定子内圆表面上的线速度大小和行波磁场的移动速度大小是相同的，这里记为 称为同步速度。 2s （ 2 式中： 极距； f 电源频率。 假设次级为栅形次级，然后导条将会在行波磁场的影响下产生感应电动势，同时获得电流。然而，电流在气隙磁场中会产生电磁力。在电磁力的作用下，如果将初级固定起来，那么次级将会在行波磁场运动的方向做直线运动。假设我们用 V 代表次级运动速度， s 代表转差率，于是有： （ 2 （ 2 (1 ) （ 2 在电机正常运转的情况下， s 一般在 0 至 1 的范围内。前述即为直线电机的工作原 武汉纺织大学硕士论文 10 理。如果把旋转电机中的两相电源线进行对换，可以使电机反向旋转。原因是如果这三相绕组的相序变反了，旋转 磁场的转向也会随着反向，使得转子转动的方向跟着变反。和前面情况相同，如果直线电机任意对换两相的电源线，运动的方向也会变反，同样根据这个原理我们也可以让直线电机做往复直线运动。 织针超薄直线电机的动态性能指标 在针织机械中，织针是其中最重要的器件。可是往往织针的工作环境是极其恶劣的，这也就意味着织针的动态性能指标也非常高。我们以针织大圆机为例，市场上广泛使用的针织大圆机的针号一般是 ，相当于每英寸 16 根或者 32 根织针，就是说每根织针大约是 右的厚度值；竖直方向的往复行程距离大约为20针的钩针必须可以承受相当于 30针上下往复频率约为 30 赫兹以上，大约 定位精度，织针单元间的距离约为1针的平均寿命大概为 3 6