（电机与电器专业论文）混合式直线力电机的结构设计和特性研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 电机的静态磁场，得出了静态力位移特性曲线，并通过静态实验测 量出的力位移曲线，验证了理论分析的正确性。 建立了样机的动态数学模型和有限元法的瞬态分析模型，利用 a n s o f t 的m a x w e l l2 dt r a n s i e n t 瞬态磁场分析软件包，分析了电机的动 态响应过程，以及影响动态性能的参数，尤其是弹簧系数的选择。 本文设计了进行电机动态实验控制系统的总的控制方案。采用位 置闭环控制来实现电机动子的精确定位，位移传感器采用差动变压器 式位移传感器( l v d t ) ，位置调节器采用p i d 控制。采用双极性h 桥 来实现电机的双向运动。 一 本文所研究的直线力电机的结构、计算分析方法以及控制方案可 供该产品的研制开发提供参考。 关键词：直线电机，力电机，永磁，s g l 7 3 1 太原四i ：人学硕+ 研究生学位论文 t h es t r u c t u r ed e s i g na n dc h a r a c t e r i s t i c s t u d yo fh y b r i dl i n e a rf o r c em o t o r a b s t r a c t a sak i n do fl i n e a rm o t o r , l i n e a rf o r c em o t o ru s u a l l yi su s e da sa n a c t u a t o ri np o s i t i o n i n go rs w i t c h i n gc o n t r o ls y s t e mf o rh y d r o m e t r i cs e r v o v a l v e sa n ds oo n t h eh y b r i d ( o rp e r m a n e n tm a g n e t ) l i n e a rf o r c em o t o ri s e x c i t e db yb o t hc o i la n dp e r m a n e n tm a g n e t t h ef l u xd u et op e r m a n e n t m a g n e ti s t h em a i np a r to fg a pf l u x ，t h er e s tf l u xi sp r o d u c e db yt h e w i n d i n gc o i l ，w h i c hp l a yap a r to f r e g u l a t i o n s of a r , t h er e f e r e n c e sa b o u tt h eh y b r i dl i n e a rf o r c em o t o ra r en o t p l e n t y t h ep u r p o s eo f t h i st h e s i si st od e s i g nak i n do fl i n e a rf o r c em o t o r m a i n l yu s e da sa c t u a t o ro fd i r e c td r i v ev a l v ef o ra c c u r a t ep o s i t i o n i n g ，t o r e g u l a t el i q u i df l o wa c c u r a t e l y u n d e rt h ec o n d i t i o no fs m a l lp l a c e m e n t w i t has u i t a b l es p r i n ga d o p t e d ，t h ef o r c ei sa p p r o x i m a t e l yp r o p o r t i o n a lt o c o i lc u r r e n t t h e r e f o r e ，t h eo u t p u tf o r c em a yb ed i r e c t l yr e g u l a t e db y r e g u l a t i n gc o i lc u r r e n t a c c o r d i n gt h ed i f f e r e n tv a l u eb e t w e e nt h ei n p u t p o s i t i o nv o l t a g ea n df e e d b a c kl v d tv o l t a g ea n du s i n gt h ep i dp o s i t i o n c o n t r o l l e r , t h em o t o rc u r r e n ti sp u l s e w i d t hm o d u l a t e db yad cm o t i o n i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 s e r v oc h i ps g17 31t oc o n t r o lt h ef o r c ea n ds ot oo b t a i na c c u r a t e p o s i t i o n i n g ， o nt h eb a s i so ft h ei n v e s t i g a t i o no ns e v e r a ll i n e a ro s c i l l a t i n gm o t o r s a n dl i n e a rf o r c em o t o r s ，t h eh y b r i dl i n e a rf o r c em o t o rw i t hm o r er a t i o n a l s t r u c t u r ei s d e v e l o p e d t h em a n u f a c t u r ep r o c e s sa n dt h ep a r a m e t e r s a f f e c t i n gm o t o rp e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e d t h es t a t i cc a l c u l a t i o nm o t o r m o d e li sb u i l tu pf o re q u i v a l e n tm a g n e t i cc i r c u i tm e t h o da n df i n i t ee l e m e n t m e t h o dr e s p e c t i v e l y t h es t a t i cf o r c e sv s d i s p l a c e m e n tc h a r a c t e r i s t i c sa r e o b t a i n e d t h eo u t p u tf o r c ec h a r a c t e r i s t i ci sa l s om e a s u r e db ye x p e r i m e n t t h em e a s u r e dr e s u l t ss h o wt h ec o r r e c t n e s so f t h e t h e o r yp r e s e n t e d t h ed y n a m i cm a t h e m a t i cm o d e la n da n s o f tt r a n s i e n ta n a l y t i cm o d e l a r es e tu p t h ed y n a m i co p e r a t i n gp r o c e s s e st oe f f e c t so fs o m e p a r a m e t e r s ， e s p e c i a l l yt h ec h o i c eo fs p r i n gc o e f f i c i e n t , a r ea n a l y z e db ym a x w e l l2 d t r a n s i e n ts o f t w a r e i nt h i st h e s i s ，t h ed y n a m i ce x p e r i m e n tp r o j e c ta n dc o n t r o ls t r a t e g ya r e d e s i g n e d p o s i t i o nc l o s e dl o o pi su s e dt oa c h i e v ea c c u r a t ep o s i t i o nc o n t r 0 1 t h ed i s p l a c e m e n ts e n s o ri st h el i n e a rv a r i a b l ed i f f e r e n t i a lt r a n s f o r m e r s ( l v d t ) d cm o t o rm o t i o ns e r v od r i v ec h i ps g l 7 3 1i su s e df o rp w m c o n t r 0 1 d o u b l ep o l a r i t yh b r i d g ei sa d o p t e df o rb i d i r e c t i o n a lm o v e m e n to f t h em o t o r 太原理工大学硕十研究生学位论文 t h ec o n f i g u r a t i o n so ft h eh y b r i dl i n e a rf o r c em o t o ra n dt h ec a l c u l a t i o n m e t h o da sw e l la st h ec o n t r o l l e rp r e s e n t e di nt h i st h e s i sa r ea v a i l a b l et ot h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f t h ep r o d u c t s k e yw o r d s ：l i n e a rm o t o r ，f o r c em o t o r ，p e r m a n e n tm a g n e t i c ，s g l 7 3 1 v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外。本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：闱受虎 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名：圈叁盘 日期：竺! ：堡：1 2 导师签名： 缈乞 e i i 錾i ： 。z f 罗6 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 直线电机概述 第一章绪论 1 直线电机简介【l l 直线电机是利用电磁作用原理，将电能直接转化为直线运动动能的装置，中 间不需要任何传动转换环节，能够实现直接传动。在实际应用中，总是把直线电 机用作电动机，而不用作发电机，当然作为电动机运行的直线电机也可工作于发 电机状态，也不排除在某些特定条件下，把直线电机作为发电机长期运行，比如 在高速磁浮列车中就是用直线发电机把列车动能转化为电能供给列车辅助用电设 备使用的。直线电机是2 0 世纪下半叶电工领域中出现的具有新原理、新理论的新 技术。在结构上，直线电机相当于旋转电机在顶上沿径向剖开并将其圆周拉直， 工作原理同旋转电机相似。直线电机的结构可以根据需要制成扁平型、圆筒型或 盘型等等，可以采用交流电源、直流电源或脉冲电源等各种电源进行工作。以电 磁原理工作的各种形式的直线电机是提供大功率、高推力的主要执行元件。它不 需要任何中间环节可直接驱动被控制对象产生直线轨迹运动，打破了传统“旋转电 机十机械变换环节”的传动形式，具有独特的优点： ( 1 ) 不存在中间环节的磨损问题，对给定路径可用高速进行高精度跟踪与定 位，系统维护简单，可靠性好。 ( 2 ) 由于不会像旋转电机那样受到离心力的作用，因而它的直线速度可以不 受离心力的限制。 ( 3 ) 进给行程长度不受限制。 ( 4 ) 结构简单，依靠电磁推力驱动，正常运动时安静，噪声低，从而改善了 工作环境。 1 1 2 直线电机的发展历程 2 1 3 j 1 8 4 5 年英国人查尔斯威斯顿( c h a r l e sw h e t s t o n e ) 发明了第一台直线电机，为 太原理工大学硕士研究生学位论文 以后的研究开发奠定了基础。但是，直到二十世纪五十年代，直线电机才开始进 入开发应用阶段，并得到长足发展。到了七十年代直线电机的发展己初具规模， 并进入商品化阶段。直线电机的发展经历了探索实验、开发应用和实用商品化三 个时期【1 1 2 1 。 ( 1 ) 探索实验时期( 1 8 4 0 1 9 5 5 年) 从1 8 4 0 年到1 9 5 5 年，直线电机从设想到实验，再到部分实验性应用，经历 了一个不断探索，屡遭失败的过程。1 8 9 5 年曾发表了关于直线电机用在织布机上 的专利，这也是有关直线电机最早的一个专利。1 9 0 5 年，也有人曾提出用直线电 机作为机车的推进机构的想法。但这两者都停留在试验论证阶段。1 9 1 7 年出现了 第一台圆筒型直线电动机，人们试图把它作为导弹发射装置，但其发展并没有超 出模型阶段，在以后很长的一段时间内，科研人员致力于将直线电机理论及各种 设想模型予以证实的工作，即实验研究工作，虽有少量的研究成果，但都未超出 试验阶段。 从1 9 4 0 1 9 5 5 年期间，世界一些发达国家的科研人员，在实验的基础上，又 进行了一些实验应用工作，如直线电机牵引的飞机弹射器、电磁泵，发射导弹器。 在这个阶段，直线电机的发展与当时社会的生产力水平有着密切的关系其 发展缓慢主要有以下几个方面的原因： 1 ) 直线电机的电磁气隙与极距的比值通常高于相应的旋转电机，导致其激磁 电流较大。另外由于铁芯两端开断，存在着特有的边缘效应，使得直线电机的效 率和功率因数比同容量旋转电机的低。而当时的传统概念是以效率和功率因数来 衡量电机的，因此，传统观念牢固地束缚了直线电机的应用。 2 ) 当时的工业发展只是用机械装置来代替手工操作，并不把降低成本、节能 等作为更高的要求，而直线电机均可用相应的旋转电机加上传动机构来代替，没 有找到直线电机独特的适用领域。 3 ) 直线电机的应用总是和自动控制技术及其控制元器件有关。当时的开关技 术水平低下，电气系统的成本太高，因此，不完善的控制线路及其装置费用成为 它发展的障碍。 2 太原理r 大学硕十研究生学俯论文 4 ) 直线电机理论发展缓慢。由于它的独特结构，使其存在着旋转电机所没有 的边缘效应，这样，旋转电机的理论不能直接应用到直线电机上，而且直线电机 的设计过程仍然存在很多缺陷，因此无法对直线电机的应用起到促进和预见作用， 使得人们对直线电机一度失去信心。 ( 2 ) 开发应用期( 1 9 5 6 1 9 7 0 年) 二十世纪五十年代以来，科学技术水平的发展带动了半导体技术和自动控制 技术的飞速发展，新型控制元器件的不断出现为直线电机的广泛应用打开了方便 之门。人们的观念也发生了变化，认为直线电机的较低效率可以用增加整个装置 的传动效率来补偿，在不连续使用的情况下，效率退居第二位，整个装置的简单 和经济显示了直线电机的优越。人们观念的改变更促进了直线电机的发展。 到1 9 6 5 年以后，随着控制技术和材料性能的显著提高，应用直线电机的实用 设备被逐步开发出来。例如采用直线电机的磁流体( m h d ) 泵、自动绘图仪、磁 头定位驱动装置、电唱机、缝纫机、空气压缩机、输送装置等。 ( 3 ) 实用商品时期( 1 9 7 1 年至今) 这一时期，直线电机进入了独立的应用时代。直线电机主要应用于三个方面： 一是应用于自动控制系统，这类应用场合比较多；其次是作为长期连续运行的驱 动电机；三是应用在需要短时间、短距离内提供巨大的直线运动能的装置中。 高速磁悬浮列车是直线电机实际应用的最典型的例子，目前，美、英、日、 法、德、加拿大等国都在研制直线悬浮列车，其中日本进展最快。 世界各国出现了许多直线电机的产品，它们不仅广泛应用于工业生产中，而 且也逐步进入到人们的日常生活中。例如：工件传送车；螺线管单臂吊车；电动 门；窗帘机等。在运输方面，作为推进装置，己在许多国家应用到了运输车辆系 统之中。同时，直线式的特种电机也在不断发展，广泛应用于自动绘图仪、扫描 式记录仪、直线式电位器等新的领域。 i 1 3 直线电机的国内外研究近况1 3 1 【4 】 近年来，直线电机发展十分迅速，在国外相继出现了许多直线电机研究室和 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 研究人员。国际上许多电气企业均在研究和开发相关产品，如美国的k o l l m o r g e n 、 b a l d o r 公司和w e s t i n g h o u s e 公司，日本三井精机公司和松下公司，德国的s i e m e n s 公司等。随着各种技术的进步和研究的展开，诸多高质量的直线电机产品和科研 成果纷纷出现。 1 9 8 5 年，美国i n g e r s o l 铣床公司生产了采用永磁同步直线电机的h v m 6 0 0 高速 加工中心，最大进给速度达7 6 2 m m i n ，加速度达1 1 5 倍的重力加速度。在1 9 9 7 年， 汉诺威1 2 e m o 展览会上有2 0 多家公司展出了直线电机传动装置，如德 t r u m p f 公司的激光机床、法国r e - n a u l ta u t o m a t i o n 公司的加工中心等，展出的直线电机最 大速度达1 5 0 - 2 0 t h n m i n ，加速度达5 0 r a m 。这些被称为最有前途的展品表明，在高 速机床的进给机构中愈来愈多的采用直线电机。 新型磁性材料和控制技术、冷却方法的出现，为应用经济高速高动力直线电 机创造了条件。如i n d r a m a t 公司研制了最完整系列的直线电机，包括无罩壳同步直 线电机、无罩壳异步直线电机和封闭式异步直线电机。直线电机的控制系统有标 准接口，可保证与各种改型的数字变换器和程序控制器的兼容性。 在我国，直线电机的研究和应用发展起步较晚，从2 0 世纪7 0 年代初开始。受 国外直线电机应用潮流的影响，近几年，国内也涌现了诸多直线电机应用开发单 位，主要有中科院电工所、西安交通大学、浙江大学等。在浙江大学、沈阳工业 大学，太原理工大学等都已有样机，其中浙江大学成立了全国首家直线电机研究 所；太原理工大学也有直线电机实验室，取得了许多成果。国内主要研究成果有： 冲压机、摩擦压力机、矿山运输系统、自动绘图仪、直线电机驱动门等，部分产 品在社会上得到了推广应用。此外，在2 0 0 2 年底，上海磁悬列车试运行成功，它 每小时的行驶速度最高可达4 3 2 k m 。这些都表明国内的直线电机应用研究已经起 步，并且在飞速发展，但与国外相比还存在较大的差距。 1 1 4 直线电机的发展方向 随着工厂自动化、精细加工及办公机械的快速发展，对移动机构的定位、执 行元件的性能及控制技术等都提出了日益严格的要求，直线电机在一些重要场合 4 太原理工大学硕十研究生学位论文 取得了显著的进步。在新的需求和新材料、新技术的推动下，直线电机将获得更 大发展。其主要发展方向大体有 5 】【6 1 1 7 】【8 】： ( 1 ) 利用计算机提高直线电机的控制精度 直线电机的运动需要控制起动、加速、定速运行及停止等参数行为，为了减 小直线电机控制电路的体积并提高电机的性能，今后将广泛采用计算机作控制元 件，在控制系统中工控机、多c p u 处理系统将会越来越普遍，其控制方式也将由 模拟方式转化为数字方式，获得更高的控制精度。同时开发价廉的位置传感器和 速度传感器，以便与直线电机配合使用。 ( 2 ) 依据新原理研制新型直线电机 为了扩大直线电机的应用领域，随着新材料、新技术理论的发展，人们将根 据掰的原理开发专用直线电机。如日本电气公司研制的压电驱动式直线电机，利 用压电陶瓷的压电效应得到驱动源，为印字装置而研制的这种直线电机其移动行 程大约是压电传动行程的o 1 ，可实现微米级控制，具有分辨率高能耗低等特点； 日本东京新生工业公司对超声波直线电机进行实用化研究，这种电机的原理是用 压电陶瓷和磁致伸缩材料形成超声波振动子的强力振动，将这种强超声波振动变 换成一个方向运动即可获得旋转或直线运动；国外近年开始研制薄膜直线电机， 用轻薄的薄膜材料作电机的定子、动子基片，这种电机无轴承、结构简单，可应 用在需精密定位的设备上，如电子设备、机械手的定位等。与压电陶瓷电致伸缩 相类似，利用磁致伸缩也可产生直线微位移。由于国产超强磁致伸缩材料的研制 成功，国内一些单位也开始了磁致伸缩直线电机的研究。 ( 3 ) 永磁材料的利用 随着材料科学的发展，永磁新材料的出现给电机发展带来了生机。稀土永磁 材料以其优异的磁性能得到了广泛的应用和开发。其中，钕铁硼永磁材料尤以价 格相对低廉，日益成为应用最广泛的稀土永磁材料。在钕铁硼永磁材料中，将近 4 0 被用于电机行业。由于直线电机的应用范围不断扩大，稀土永磁材料在直线电 机方面的应用也日益受到重视。稀土永磁材料在直线电机方面的应用，有着广阔 的前景。 5 太原理t 大学硕士研究生学何论文 1 1 5 直线电机的分类 直线电机在不同的场合有不同的分类形式。例如在考虑外形结构时，往往以 结构形式将其进行分类：在考虑其功能用途时，则又以其功能用途进行分类：而 在分析或阐述电机的性能或机理时，则是以其工作原理进行分类。下面就几种主 要分类形式简单予以介绍。 1 1 5 1 按结构形式分裂9 j 直线电机按其结构形式主要可分为扁平型、圆筒型( 或管型) 、圆弧型和圆盘 型四种。 所谓扁平型直线电机就是一种扁平的矩形结构的直线电机，它有单边型和双 边型，每种型式下又分别有短初级、长次级或长初级、短次级。 所谓圆筒型直线电机就是一种外形如旋转电机的圆柱形的直线电机。这种直 线电机一般均为短初级、长次级型式。在需要的场合，我们还将这种电机做成既 有旋转运动又有直线运动的旋转直线电机，至于旋转直线的运动部分既可以是初 级，也可以是次级。 所谓圆弧型直线电机，就是将平板型直线电机的初级沿运动方向改成弧型， 并安放于圆柱形次级的柱面外侧。 所谓圆盘型直线电机，即该电机的次级是一个圆盘，不同型式的初级驱动圆 盘次级作圆周运动。 1 1 5 2 按功能用途分类 直线电机，特别是直线感应电机，按其功能用途主要可分为力电机、功电机 和能电机。 力电机主要用于在静止物体上或低速的设备上施加一定的推力的直线电机。 它以短时运行、低速运行为主，例如阀门的开闭，门窗的移动，机械手的操作、 推车等等。 功电机主要作为长期连续运行的直线电机，它的性能衡量的指标与旋转电机 基本一样，即可用效率、功率因数等指标来衡量其电机性能的优劣。例如高速磁 悬浮列车用直线电机，各种高速运行的输送线等。 6 太原理工大学硕t 研究生学位论文 能电机是指运动构件在短时间内所能产生的极高能量的驱动电机，它主要是 在短时间、短距离内提供巨大的直线运动能，例如导弹、鱼雷的发射，飞机的起 飞以及冲击、碰撞等试验机的驱动等等。 1 1 5 3 按工作原理分类【4 】1 9 l 从原理上讲，每种旋转电机都有与之相对应的直线电机，然而从使用角度来 看，直线电机得到了更广泛的应用。直线电机按其工作原理可分为两个大的方面， 即直线电机和直线驱动器，直线电机包括交流直线感应电机( l i n e a ri n d u c t i o n m o t o r s ，简称l i m ) 、交流直线同步电机( l i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r s ，简称l s m ) 、 直线直流电机( l i n e a r d c m o t o r s ，简称l d m ) 和直线步进( 脉冲) 电机( l i n e a r s t e p p e r ( p u l s e ) m o t o r s ，简称l p m ) 、混合式直线电机( l i n e a rh y b r i dm o t o r s ， 简称l h m ) 等。 直线驱动器包括直线振荡电机( l i n e a ro s c i l l a t i n gm o t o r s ，简称l o m ) 、直线 电磁螺线管电机( l i n e a re l e c t r i cs o l e n o i d ，简称l e s ) 、直线电磁泵( l i n e a r e l e c t r o m a g n e t i cp u m p ，简称l e p ) 、直线超声波电机( l i n e a ru l t r a s o n i cm o t o r s ， 简称l u m ) 等。以上这些直线电机又可分成许多不同的种类。 1 1 6 直线电机的应用领域 因为直线电机可省去机械传动转换装置从而代替气动、液压传动等；随着直 线运动的领域的增多，直线电机的需求不断增加，更多的国家开展了对直线电机 的专题研究，越来越多的相关优质产品出现。相信在不久的将来，直线电机在各 个领域必将得到广泛的应用【2 】【3 】 ( 1 ) 在交通运输业中可由直线电机驱动的磁悬浮列车、地铁等，具有高速、 舒适、安全、无污染等优点，将在实现新的交通输送工具发挥重要作用。 ，( 2 ) 在工业中。直线电机在直线传动和物料输送等方面具有独特的优势，如 分拣输送线、升降机等。在各种工业机床中，也可广泛使用直线电机代替旋转电 机，主要是利用其速度快精度高的特点，如直线电机驱动的冲压机、压铸机、电 火花成形机等。 7 太原理】= = 大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 在民用方面。一些生活用品如家电( 空调、冰箱等) 、驱动门等都可用上 直线电机，日本的日东工器公司制造的a 1 0 1 5 0 9 2 0 直线电机驱动的空气压缩机就 已经成为一种非常成熟的产品 ( 4 ) 在军事方面。目前国外已把直线电机应用到电磁炮、潜艇、军用仿真设 施中，在卫星和宇宙飞船上也采用了一些直线电机 1 2 直线振动电机概述9 1 1 1 o 】【1 1 】 1 2 1 直线振动电机的分类 1 2 1 1 直线感应振动电机 直线感应振动电机的原理结构如图1 1 所示，该电动机的初级绕组是分成两半 安放的，并使每一半绕组产生的位移磁场的方向都是指向初级中心，或者说两台 背靠背安放的直线感应电动机就构成了一台直线感应振动电动机，其主要特点是 运动的行程长。 。 - 广 l j r o 芒攀 一 o 十 l 次级2 初级l3 - 初级2 “ 图1 - 1 直线感应振动电机结构图 f i g u r e1 - 1s t r u c t u r eo f l i n e a r o s c i l l a t i n gi n d u c t i o nm o t o r 1 2 1 2 直线同步振动电机 一 ” 直线同步振动电机运行的特点是：动子的振动频率严格受交变电源频率控制， 依靠电磁力来产生振动运动。 直线振动电机的分类形式是多种多样的。如果按照可动体的类型来考虑，同 步直线振动装置大体上可分为线圈可动型、铁心可动型和永久磁铁可动型；按工 8 太原理1 ：大学硕十研究生学位论文 作主磁场方向的不同可分为径向磁场式和轴向磁场式；根据磁动势源的不同，分 为永磁式和电磁式等。 1 2 2 直线振动电机的工作原理 直线振动电机根据动子类型的不同可以分为动圈式直线振动电机、动铁式直 线振动电机和动磁式直线振动电机三种吼 1 2 2 1 动圈式直线振动电机 动圈式直线振动电机主要应用于一些可动体机械惯性较小的场合，其中最典 型的应用是扬声器，又称为音圈电机。采用动圈式直线振动电机的结构，可以解 决大行程与高频响应之间的矛盾。其工作原理是利用安培力原理，依靠永磁体在 气隙中产生磁场，动圈电流与气隙磁场相互作用，在动圈中产生电磁力，推动线 圈移动，实现电能或电讯号转变成可动部件的直线机械运动。为使线圈能够产生 往复运动，需要给线圈加载矩形波形式或者正弦波形式的交变电流。 动圈式直线振动电机最基本结构如图l - 2 所示，该振动电机的动圈行程可以通 过改变电机结构和电流的交变频率来进行调节。电流的大小与极性分别决定输出 力的大小和电机动子的运动方向，所以动圈式直线振动电机容易被控制。动圈式 直线振动电机的特点是力与电流成正比，电流反向，力的方向也改变。 l 外壳2 咏磁体3 - - 线圈4 轴杆 图l - 2 动圈式直线振动电机结构图 f i g u r ei - 2s t r u c t u r eo f c o i lm o v i n gl i n e a ro s c i l l a t i n gm o t o r 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 2 2 动铁式直线振动电机 动铁式直线振动电机的基本结构如图1 3 所示，相当于两个“背靠背”的电磁 铁。工作原理是依据能量最小原理，磁力线总是具有沿着磁阻最小的路径闭合， 并力图缩短磁通路径以减小磁阻。在图1 3 中，给线圈l 加一恒定的直流电压产生 磁场，由电磁铁的工作原理可知，动子向着使磁路磁阻减少的方向移动，即向左 移，同理给线圈2 加一直流电压，动子向右移动，力图减小磁阻。如果交替给两 线圈加载电压就可以使动子做来回往复运动。动铁式直线振动电机属于磁阻式电 机，与电磁铁的性能类似。力的大小与电流的平方成正比，力位移曲线不平滑， 但力和单位体积之比较大。 1 轴杆 2 外壳3 线圈14 _ 线圈25 铁心 图1 - 3 动铁式直线振动电机结构图 。 f i g u r ei - 3s t r i c t u r eo f c o r em o v i n gl i n e a ro s c i l l a t i n gm o t o r 1 2 2 3 动磁式直线振动电机 动磁式直线振动电机的基本结构为图l _ 4 所示。为了使动磁能够完成往复的直 线振动，需要周期性的改变线圈加载电流的方向。其工作原理与动圈式直线振动 电机基本相同。该结构与动圈式不同之处在于相对运动体不同。由于永磁的易碎 特性，动磁的运动加速度受到一定的限制。另外，动磁还会在铁轭中产生很大的 涡流。 1 2 2 4 混合式直线振动电机【1 o 】【1 1 】 混合式直线振动电机的一种结构如图1 5 所示，采用线圈和永磁共同励磁。它 的特性具有永磁动圈( 或动磁) 式电机和动铁式磁阻电机的特点，可以认为是前 1 0 太原理1 大学硕十研究生学位论文 三种电机结构的组合。 12 3 l i 二= 土 左二 二二 r i ，如。 ( 2 1 7 ) 式( 2 1 6 ) 可简化为： f = a l i + a o x ( 2 1 8 ) 式中 a ：巫盟 (2j 1 9 ) 2 艿 = 2 1 a 0 8 l s 。 ( 2 2 。) 其中 函m = 盟k l s ( 1 + l f i ) 南= 式( 2 1 8 ) 的力特性是“理想”的，它与线圈的电流成正比， 流反向时，力也反向，从而可使动子双向运动。 当配合刚度为k 的弹簧后，电机的力特性为： f = a i ，十( 4 一k ) x ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 与膏线性相关。电 ( 2 2 3 ) 1 一一# “自“n m k w m w 4 。一“”m m m # 一 太原理工丈学硕士研究生学位论文 当k = a o 时，电磁力的大小仅与电流的大小有关。此时，电机与弹簧配合下， 可以满足作为伺服阀执行嚣的条件，控制电流的大小，就可以控制力的大小。 由( 2 - 1 8 ) ( 2 - 2 1 ) 知：电磁力系数a l 与永磁体的材料和尺寸有关，合理 地应用这一点，可减少激磁安匝。 由于( 2 17 ) 条件的限制，加上饱和的影响，实际的力电机特性与直线特性 相比会有一些差异。 为了满足式( 2 1 6 ) 使力特性接近线性，通常6 需选择较小的值。此外，采用 合适的磁饱和设计，也可使该种直线的特性接近线性特性。 把此电机的实际尺寸输入各个变量后，可以得到此电机的静态力曲线。式 ( 2 - 4 ) ( 2 - 2 3 ) 中所用到的电机变量的数值如表2 1 所示 按照表2 1 所示的电机变量尺寸，代入式( 2 - 4 ) ( 2 2 3 ) ，利用数学软件 m a t h c a d ，可以得到力电机的静态力位移曲线，如图2 8 所示。在图2 - 8 中，实 曲线部分为由式( 2 1 8 ) 得出的静态力位移曲线，虚曲线部分为由式( 2 1 6 ) 得 出的静态力位移曲线。 表2 - 1 电机计算的变量和数值 t h b l e2 - lt h ev a r i a b l ea n dv a l u eo f m o t o r 名称 数值 名称 数值 b ，1 2 4 品 1 4 8 3 6 5 x l 矿 0 0 0 7i i o 1 2 5 1 0 r 6 i i ， 1 0 5ao 0 0 0 0 5 岛 1 2 n 0 0 0 7 5 2 7 6 3 2 x1 0 0 ，2 0 0 1 3 2 6 0 n 0 0 2 占0 0 0 1 5形0 0 0 4 可以看出这两个曲线在位移比较小时， 用时应尽量把电机的位移控制在线性部分， 2 7 基本重合，线性度也非常好，所以应 这样力电机的出力与电流的大小成正 太原理一】：大学硕士研究生学位论文 比。 z k 棠 博 粤 t ：z 礅 髟乡 r 一垄密复爱 ：y 一 豸钐 。一 形矽 够矽 f = ，=：( 一1 5 一1 2卸8- 0 400 4o 8 12 i 5 位移，x ，m m 图2 8 磁路法分析的力位移曲线 f i g u r e2 - 8f o r c e d i s p l a c e m e n tc h a r a c t e r i s t i c sc a l c u l a t e db ym a g n e tc i r c u i t 2 3 力电机静态力特性的有限元法分析2 4 】【2 5 1 2 3 1a n s o f t 解题简介1 0 1 用a n s o f t 公司的m a x w e l l 2 d 中的静磁场求解器( m a g n e t o s t a t i cs o l v e r ) 进行 计算，由于所分析的电机是沿轴对称的直线电机，在m a x w e l l 2 d 中r z 柱坐标下 只需要输入对称电机的一半模型就可，参数计算后可得到此电机的静特性曲线。 软件操作是按下面步骤进行： 、 i 、输入电机模型的几何尺寸 ” 2 、根据设计需要或实际情况，输入各部件对应的材料 根据在前砸介绍的电机中各个部件所用的材料，在此软件中的材料库选取合 适的材料，如果库中没有，可以自己建新材料，输入需要的参数后便可。 3 、输入各种计算条件 对于模型边界条件，采用系统默认的边界条件，即对于外边界采用诺埃曼边 瑚挪枷 啪 啪 蚰 。枷 啪 啪 瑚 瑚 姗 太原理工大学硕士研究生学位论文 界条件，磁场垂直于边界：对于电磁铁模型中的各部分采用自然边界条件，磁场 强度的切向量和磁通密度的法向量连续穿过各部分的表面。边界条件可用下面的 表达式来表示： h | l = h | ! = j 。 b o l = e2 式中届：磁场强度切向量；玩：磁通密度法向量：以：面电流密度。 对于模型线圈中的电流条件，可以设定为一恒定值，也可以为代表一组数的 一个变量，在本文中设线圈中的电流为一组数，分别为0 a ，o i a ，0 2 a 。 4 、确定要计算的量 在此，动子的受力是研究的对象，故设定动子上的受力为计算的目标。 5 、对模型进行网格剖分 从对a m o f t 软件的介绍中可知：此软件有自动剖分网格的功能，同时也可以 人工剖分，人工剖分的目的是为了使网格剖分更合理。在分析设计过程中，往往 需要关于某一个特殊区域的详细情况，比如电机中的气隙磁场就是设计者经常想 要得，这时就需要把这个区域人工剖分得更加细密，更加合理：还有一种情况需 要人工剖分，在计算过程中，在某些能量很低的区域，网格自动剖分得不够密时， 就使的计算的精度达不到要求，接下来，软件会自动在此区域做更进一步的剖分， 然后再计算，如果还计算结果还不够精度，就会继续上次的步骤，这样使计算机 把大量时间浪费在网格的再剖分上了，如果在计算前，在估计可能能量非常低的 地方剖的细一些，就会节省大量的计算时间。 2 3 2 用a n s o f t 分析直线力电机 2 3 2 1 导磁材料为线性时的磁场分析 按照上一小节，建立起来的有限元法力电机的网格剖分模型如图2 - 9 所示对 剖分好的电机模型进行分析，假设其中导磁材料的导磁率i i = 1 0 0 0 = 常数。利用 a n s o f t 的静磁场求解器( m a g n e t o s t a t i cs o l v e r ) 进行计算。求解结束后，利用有限 元的后处理功能，就可以绘制出电机模型的磁力线分布图和磁密分布图。当电机 太原理工大学硕士研究生学位论文 的控制线圈中没有电流，只在永久磁铁作用下的电机磁力线图和磁密分布图，如 图2 1 0 所示。 图2 - 9 电机模型的网格剖分图 f i g u r e2 - 9d i s c r e t em e s h e ss e c t i o no f m o t o rm o d e l 图2 - 1 0 不通电时电机的磁力线图和磁密分布图 f i g u r e2 - 1 0f l u xl i n e sa n df l u xd e n s i t yd i s t r i b u t i o no f m o t o rw i t hn oc u r r e n t 从图2 1 0 可以看出，当电机的控制线圈中没有电流时，电机只在永磁体的激 磁作用下，动子中所通过的磁力线左右均衡，磁密也相同，所以动子如果停留在 中心位置的话，由于永磁体给它的磁力平衡，所以动子就保持在这个初始平衡状 态，一旦动子稍微偏离平衡位置，它的左右受永磁体的磁力作用就不相等，失去 3 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 平衡状态，那么动子就会朝一个方向运动。 如果当电机的线圈：巾通有电流时，动子中所通过的磁力线就是电流和永磁体 共同励磁的结果。电机线圈中的电流可正可负，但由于电机结构的对称性，这不 影响电机动子中的磁场分布。当电机的控制线圈中通有一定的电流时，电机的磁 力线图和磁密分布图如图2 1 1 所示。 图2 1 l 通电时电机的磁力线图和磁密分布图 f i g u r e2 - 1if l u xl i n e sa n df l u xd e n s i t yd i s t r i b u t i o no f m o t o rw i t hg u r r c n t 2 - 3 2 2 导磁材料为非线性时的磁场分析 在前面的计算分析中，都是假设导磁材料的磁导率是一个常数，而在实际中 每一种导磁材料都有自己的b h 曲线，而常用在电液伺服阀中的导磁材料是电磁 纯铁，它的磁导率随着磁感应强度的变化而变化。所以直线力电机能不能走向实 用化，以及它的工作性能如何，都决定于实际情况的分析，那么接下来有限元分 析分析中，就要用实际电磁纯铁代替线性材料。所采用的电磁纯铁的b h 曲线如 图2 1 2 所示。 利用a n s o f l 有限元分析软件，按照前面介绍的步骤，输入模型、材料、各种 边乔条件后，对其进行分析。输入栩料时，确定极靴、端盖和动子为电磁纯铁， 并选中b h 非线性材料选项为导磁材料的特性，然后按照所给的材料b h 曲线输 3 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 入。 ， 一 一， ， ； 图2 1 3 导磁材料非线性不通电时电机的磁密分布图 + f i g u r e2 - 1 3f l u xd e n s i t yd i s t r i b u t i o no f m o t o r 、 w i t hn oc u r r e n ta n dn o n - l i n e a rm a g n e t i z e r 从图2 1 0 和图2 一1 3 的对比中可以发现：导磁材料中磁密的分布与材料有关系， 3 2 移嗨寥t ， 太原理工大学硕士研究生学位论文 同样动子位置的情况下，由于导磁材料的非线性，当磁感应强度增大到一定程度 时，导磁材料中最大磁密会超过材料允许的最大磁密，这时磁通密度不再增加， 产生磁饱和，使得同一位冒上线性时的磁密要比非线性时的高。 2 3 2 3 有限元分析的静态力啦移特性 当电机的线圈中通有电流时，随着电流的大小和方向的变化变化，动予所受 的力也在变化。计算时分别改变变量电流和位移的取值，即可以得到在绕组中通 入某一电流值时动子在各个位移处的磁场计算结果。我