新型双定子直线振荡电机特性分析
于明湖，叶云岳，夏永明，张玉秋
(1浙江大学，浙江杭州310027； 2．浙江理工大学，浙江杭州310000)
摘要：新型双定子动磁式直线振荡电机具有结构简单、效率高，铁心叠装方式简单等优点。文章介绍了所研制的此新型双定子直线振荡电机的本体结构，并在此基础上对其进行了数学建模。对于其磁路模型，动力学模型以及驱动电路模型进行了求解，揭示了电机及驱动系统各个参数对于电机性能的影响，为下一步的电机优化设计以及控制系统设计奠定了基础。
关键词：双定子；直线振荡电机；优化设计；数学建模
1介绍
在实际应用中，我们常常需要些高频往复运动的驱动机构。以往这种驱动机构往往是通过旋转电机加曲柄连轴等中间转换机构获得的。这种方式由于中间转换机构的存在加大了传动损耗使得效率较低，并且噪声大，寿命短。而直线振荡电机可直接产生高频往复运动[1]，无需中间转换机构，简化了机械结构，效率较高。因此，直线振荡电机特别是最近几十年随着永磁材料发展起来的永磁直线振荡电机成为发展趋势。而对于直线振荡电机的结构而言，由于动圈式以及动铁式结构均存在难以克服的缺点，因此日前研究热点在于动磁式结构。但目前已提出的许多结构均存在各种问题，例如效率不高，装配难度大等缺点。本文针对已存在电机结构的问题，在吸取已存在电机结构优点的基础上介绍了一种新型双定子直线振荡电机结构，此电机采用了反向磁通电机的运行原理。具有普通旋转电机的定子结构，铁心叠装简单，装配难度小，降低了加工成本目．具有已投入实用的LG电机的高效率等优点
本文首先针对电机结构的特点，建立了其机电系统模型，通过对其以及后面机电系统模型的分析揭示了电机及驱动系统参数对于电机性能以及运动特性的影啊。由于弹簧的使用，此双定子直线振荡电机构成了一个受迫振动系统。而众所周知，电机供电电路本身也构成了一个类似的二阶系统，从控制原理来讲，两者的传递函数是相同的，因此可将机电两套系统进行类比分析。本文将机械与电路系统两个二阶函数进行了综合分析并进行了理论推导。此分析结果为对进一步的此电机无位置传感器控制算法设计以及电机的进一步优化设计奠定了基础。
2双定子直线振荡电机本体结构及磁路建模
2 1双定子直线振荡电机本体结构
如图1所示，电机包含两个旋转电机定子铁心，定子铁心之间相隔一段距离，沿轴向同心排列。定子由机壳、定子挡板及电机端板固定。电机端板上装有直线轴承，动子通过直线轴在直线轴承的支撑下左右移动。动子两侧装有共振弹簧。
如图2所示，动子铁心由硅钢片叠装而成，表面沿圆周等间隔安装6块永磁体，每个永磁体
的外圆周面与电机定子齿一一相对，定子采用用集中式绕组。从端面来看，此电机结构类同于集中绕组式永磁旋转电机。当一端通入交变电流后，由于磁阻力的作用易产生旋转运动。而采用了绕组绕向相反的两个定子后，产生的旋转力方向相反，旋转力相互抵消。双定子直线振荡电机采用了绕组绕向相反的两个定子，当绕组通入电流后，两定子对应的磁极极性均相反，因此必然对于动子一侧产生增磁，一侧产生弱磁效应。从而使得动子往增磁一侧运动，当通入交变电流后，动子跟随电流同频运动，因此此电机属于永磁同步电机范畴。而由于双定子绕组绕向相反，总电感在动子运动过程中不变，因此，动子是在电磁力作用下往复运动。
2 2双定予直线振荡电机电磁推力解析推导
由磁共能理论，电机电磁推力等于绕组电流保持恒定情况下，磁共能对位移的偏导，即：
由文献[2]推导可知，双定子直线振荡电机电磁力的表达式为：
因此可知，双定子电机每单位电流产生电磁推力的大小与气隙磁密Bg，每齿绕组匝数Nw，定子齿数N1以及永磁体宽度Wpm成正比。适当的设计各个参数的大小可获得较大的能效比。
3双定子直线振荡电机机电系统建模
由于弹簧的使用，直线振荡电机系统构成了一个受迫振动系统。根据机械原理可知，其机械动力学模型可由F式表示：
m·a+c·v+k·x=F
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