模块化辊子输送机设计

邓 彬，刘冬园，张 伟，钟 杰，李庆芬

（湖南工学院机械工程学院，湖南 衡阳421008）

0 前言

在前面的输送机的机械传动结构，回转马达通常被用作动力，但是要传递动力，应该增加一些设备，如减速器、链轮、链条、齿轮、齿条，等等。虽然这些设备已经被广泛应用，但是缺点也很明显：安装复杂，故障率高，不方便维护，高噪声，高效率的损失。这是由于驱动器的中间环节太多造成的[1]。对于机构线性运动的工作形式，如果驱动电机是线性的，它可以直接驱动，简化结构，提高效率[2]。

直线感应电机LIM（linear induction motor）是一种能直接将电能转化为直线运动机械能的电机，不需要中间转换单元的传动装置，LIM也是20世纪电子工程领域出现的一项新技术，它从旋转电机转变而来，如图1所示。越来越多的人注意到直线电机的突出优点，已经成功地应用于输送机、磁悬浮列车等。本文研究的是一种采用三相交流基本理论的新型辊式输送机，对直线电机的次级进行设计改进，设计成钢制的中空管，可以直接在电磁推力下旋转，成为运输机的辊子。它更适用于各种形状的大型载货、长距离、不同工况的物体运输，可以替代传统的辊式输送机，它是传统辊式输送机的最新产品。

图1 直线电机的产生过程

1 模块化辊子输送机的结构

模块化辊子输送机主要由三相交流LIM直线感应电机、滚轴和电源控制单元组成。模块化辊子安装在LIM之上，它们的轴线平行，垂直于LIM.模块化辊子由轴、轴承、铸铁或空心钢管和支架组成，几乎与传统辊式输送机相同。电枢是由三相绕组组成。当绕组通电对称三相交流直线感应电机时，它将在三相绕组的表面产生可移动的磁场。组装完成后，辊子用金属外壳的树脂密封。这里设计空心钢管的长度为200 mm，其直径为50 mm，厚度为12 mm；模块化辊子输送机的单体长度为1 000 mm，其宽度为240 mm，其高度为190 mm.其结构简图如图2所示[3]。

图2 模块化辊子输送机结构简图

2 模块化辊子输送机的原理

模块化辊子输送机的电机工作原理类似于旋转电机。LIM与旋转电机的主要区别在于旋转电机产生旋转磁场，而LIM产生平行行进磁场，也称行波磁场[4]。当绕组通电对称三相交流直线感应电机时，会在电枢中产生行波磁场，其中辊子表面会产生感应电流切割磁感线，棍子的表面采用的是钢制中空管，它的表面在行波磁场中会产生感应电流，该感应电流产生的磁场与行波磁场相互作用则产生电磁推力带动辊子以轴线为中心旋转，使辊子上的物体沿空管旋转方向移动。反之如果改变三相交流的相序，相应地也会改变电磁推力的方向，从而改变辊子的旋转方向。

3 辊子受力分析

为了使问题简单，首先分析单侧LIM的二次力。单侧LIM的次级由STC合金芯和感应层组成。忽略Z方向的非对称因素，在行波磁场作用下，LIM的二次产生X方向的水平推力F和Y方向的法向力f，如图3所示。法向力f由吸引力和排斥力组成。它们的方向相反，它们的力大小与施鲁普夫有关。在正常情况下，需要水平推力，但在大多数情况下，没有预期的正常力（除了磁悬浮应用系统）。水平推力由端部和齿槽效应引起的电磁推力和其它力组成，但前者是绝对主导的。根据劳伦兹磁公式，LIM的每个磁极的电磁推力为：

上式中，Bg为气隙径向磁密度，I为绕组电流，N为绕组数，Lav为磁场范围内每匝线圈的平均长度。由直线感应电机的电磁计算程序[5]得出，Bg=0.607 5 T，N=602，I=2.93 A，Lav=15.288 cm，代入公示（1）得出单个磁极产生的推力F为：

F=0.697 5 × 602 × 15.288 × 10-2× 2.93=188（N）

图3 辊子的受力分析图

在行波磁场作用下，在新的辊子输送机中辊的表面将在LIM侧附近产生感应电流。感应电流产生的磁场与行波磁场相互作用，产生X方向的水平推力，推动辊以轴线为中心进行滚动。新型辊式输送机在输送过程中的额定推力Fe应满足公式：

在公式中，FN是平均有效推力（N），k是推力储备系数：

式（3）中，Fc是摩擦力（N），Fr为惯性力（N），并且可以使用以下公式计算：

式（4）中 M 是质量的对象（kg），a是加速度（m/s2）。

模块化辊子输送机按磁推力理论公式计算出的输出功率与实际输出功率有一定的误差，因为存在零件的制造和安装尺寸误差，以及材料的导电性等不确定因素，这需要以后进行实验验证。

4 结论

模块化辊子输送机采用先进的三相交流直线电机技术，无传统的辊道输送机（传动轴、减速机、联轴器、链条、皮带、齿轮等）的中间传动机构。因此，故障率低，效率高，维护量小。模块化辊子作为驱动和承载机构，结构更加紧凑合理，体积相对较小，可以取代目前各种类型的辊子输送机。本论文根据理论公式推导了单个辊子上的电磁推力，推力的大小是否能够满足运送物料需要，运送物体的速度和平稳性等需要后续实验的验证。