混合式直线力电机的参数计算及有限元分析*
2015-06-05武瑞兵
武瑞兵
(山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012)
混合式直线力电机的参数计算及有限元分析*
武瑞兵
(山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012)
利用磁路解析法和有限元法，对所设计电机进行了电磁参数计算和静特性分析，并研究了导磁材料非线性对输出电磁力的影响。在此基础上，对所制造的样机进行了静态力曲线的测试。试验结果证明了理论分析的正确性。
混合式直线力电机； 直动型电磁阀； 有限元法； 静态力
0 引 言
混合式直线力电机是由加电线圈和永磁来共同励磁，工作特点表现为合成磁场不是一成不变的，会随线圈产生的磁场而变化，从而实现中间动铁的移动。其单位输出功率所能产生的推力或单位体积所能产生的推力比一般直线电机大，可以用作高速直驱式电液伺服阀执行机构，也可以用作对静止物体或低速的设备上施加一定推力的驱动机构，在小位移情况下，与合适弹簧配合，可用作煤矿液压系统比例阀执行器[1]。
1 混合式直线力电机的参数计算
混合式直线力电机结构示意图如图1所示[2]。其中，δ=0.8mm，hpm=7mm，r1=7.5mm，r2=13mm，r3=19mm。忽略铁心磁阻和导磁材料的磁饱和的影响，相应的等效磁路如图2所示。等效磁路中的各元件参数由式(1)～式(7)计算。
永磁体等效磁势：
(1)
图1 混合式直线力电机结构示意图
图2 混合式直线力电机的等效磁路
式中：Br——永磁体的剩磁感应强度；
hpm——永磁体的长度；
μr——永磁体的恢复磁导率；
kl——漏磁系数。
永磁体等效内阻：
(2)
式中：Spm——永磁体的截面积。
线圈磁势：
F0=NI
(3)
式中:N——线圈的匝数；
I——电流。
气隙磁阻：
(4)
式中：x——位移；
Sm——动子铁心截面积；
δ——动子处于中心位置时的气隙长度。
永磁极靴磁阻：
(5)
式中： Δ——永磁极靴与动子的气隙；
r1、Wt——电机相关尺寸。
漏磁阻：
(6)
根据图2的等效磁路法求解，可得到线圈单独作用时产生的磁通为
(7)
其中:
(8)
两个永磁体作用时产生的磁通为
(9)
其中:
(10)
气隙磁通为
(11)
最终需要的计算电磁力为[3-5]：
(12)
2 导磁材料非线性对静态力曲线的影响
电磁阀中的导磁材料是电磁纯铁，其磁导率随着磁感应强度的变化而变化。采用磁路计算法无法分析非线性磁导率对电机静态力的影响，需要进行有限元分析，运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3所示。
图3 导磁材料的B-H曲线
利用Ansoft有限元软件，输入模型材料，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，然后按照所给的材料B-H曲线导入。计算后，可得在导磁材料为非线性时，电机的磁密分布图，如图4(a)所示。为了便于对比，给出了在相同动子位置和电流密度(J=2×106A/m2)条件下导磁材料线性时的磁密分布图，如图4(b)所示。
图4 有限元分析输出的磁密分布图
由图4(a)、4(b)的对比可得： 导磁材料中磁密的分布与材料有关，同样动子位置和电流条件下，由于导磁材料的非线性，当磁感应强度增大到一定程度时，会产生磁饱和，使得同一位置上线性时的磁密要比非线性时的高。参数计算后得到电机的静态力曲线，如图5所示。
图5 有限元法输出的静态力曲线
为了更好地比较两种导磁材料对静态力曲线的影响，把两种情况下得到的静态力曲线放到同一个坐标下。由图5可知： 在位移量在-0.4
3 样机的静态力特性测试
试验用混合式直线力电机样机的动子、铁极、外壳和端盖所用到的材料是一样的，均由导磁材料制成。永磁材料选用稀土钕铁硼，铜导套和推杆材料选用相同的非导磁材料。导磁材料选用A3钢，非导磁材料用黄铜。挡块与端盖之间靠螺纹配合，挡块可旋进旋出，可实现动子最大位移量的调整。动子最大行程5mm，样机线圈匝数 1033 匝，线圈电阻22.5Ω。混合式直线力电机的静态试验装置如图6所示，采用精度为0.01mm的千分表来记录位移。拉压力传感器采用METTLER TOLEDO公司的TSC-2000，准确度为0.02。
图6 混合式直线力电机力测试试验台
以Maxwell 2D的仿真结果为依据，在图6所示的试验台上，当电流稳定时，进行静态力的测量。图7为混合式直线力电机的实测静态力曲线。在同样的电流条件下，用有限元软件对电机模型作有限元参数计算分析，可得到电机的静态力曲线如图8所示。
图7 混合式直线力电机的实测输出力曲线
图8 混合式直线力电机的计算输出力曲线
从图7、图8的对比可以发现： 曲线在整个位移内的形状基本一样。在位移小时计算值和实测值相符；当位移变大时，实测值要小于计算值。造成这种差别的原因主要是： (1) 样机左右两端的内轴不共轴，触动内轴会有约0.4mm的偏差，从电机示意图中可知，动子与铜导套之间是靠滑动摩擦来实现配合，当有偏差时会使滑动摩擦加大，减小动子输出力的大小。(2) 动子推杆与传感器之间的接触面很小，要想做到动子推杆、传感器和推力器同轴有很大困难，就造成试验时传感器偏转，使一部分切向力不能被传感器反映。(3) 设计时挡块与端盖的接触处是由螺纹配合，挡块可以旋进旋出，进一步来调节动子最大位移。但由于选用的螺纹为粗螺纹，加上制造上的误差，使挡块与端盖之间的内外螺纹不能很好地配合，它们之间不能很好地接触。动子在中间位置时，螺纹处磁通小，磁力线可以在很小的接触面上通过，动子在两端附近时，螺纹处磁通量大，会在很小的接触面处产生饱和，最终使动子在两端附近时实际测到的数据要小于理论数据。
4 结 语
本文给出了用磁路解析法进行混合式直线力电机电磁参数计算的方法,利用有限元软件，针对导磁材料非线性对静态力曲线的影响进行了分析，对制造的混合式直线力样机进行了输出力特性试验，试验结果证明了静态力曲线理论分析的正确性。
[1] 关景泰.机电液控制技术[M].上海: 同济大学出版社,2003.
[2] 姚建庚.直接驱动式电液伺服阀的开发与应用[J].液压气动与密封,2004(2): 6-10.
[3] 钱家骊.电磁铁吸力公式的讨论[J].电工技术,2001(1): 59-60.
[4] 王旭平.动圈式永磁直线振动电机的研究[D].太原:太原理工大学,2003.
[5] 姚建庚.直接驱动式电液伺服阀的开发与应用[J].液压气动与密封,2004(2): 6-10.
Parameter Calculation and Finite Element Analysis of Hybrid Linear Force Motor
WURuibing
(Shanxi Communication Planning Survey and Design Institute, Taiyuan 030012, China)
Using magnetic circuit analytical method and finite element method electromagnetic motor design parameters and calculate the static characteristic analysis, and the effects of nonlinear magnetic materials on the output of the electromagnetic force; On this basis, the prototype will be manufactured the test results prove that the static force curve of theoretical analysis.
hybrid linear force motor; direct-acting solenoid valve; finite element method; static force
国家高技术研究发展计划(863)计划课题(2013A06A409)
武瑞兵
TM 302
A
1673-6540(2015)05-0038-04
2014-11-05
