直线力电动机性能分析
蔡林1，善水1，肖哲2，袁峰2，王莉1
（1南京航空航天大学，江苏南京210016；2南京机电液压工程研究中心．江苏南京210016）
摘要：分别利用有限元和等效磁路的分析法对直线力电动机特性进行分析，对比分析了电机磁场分布和输出推力特性以及电感和磁链，并与实测结果进行了对比。分析得出了其相关的输出性能并建立其数学模型，为电机优化设计和控制打下基础。
关键词：直线力电动机；等效磁路；有限元；输出特性
中图分类号：tm359.4 文献标识码：a 文章编号：1004-7018(2010)07-0035-03
o引 言
直线力电动机具有良好的静、动态性能和控制特性，和闭环控制系统结合在一起，可实现精密的位置伺服控制。随着小位移直线运动应用领域的增多，直线力电动机的需求不断增加，其主要电液转换机构应用于电液伺服作动器等高精度位置伺服控制场合。
对于直线电动机的建模方法，很多文献都进行了研究，文献[3-4]针对一种直线振动电动机进行了有限冗分析，并利用有限元仿真结果对电机进行支持向量机建模，但不能得到电机输出特性同电机部件参数之间的关系，因此为电机的优化设计带来困难，文献[6-7]利用等效磁路法研究了直线电动机数学模型，但是只分析了电机的静态输出力，并未对线圈电感和运动反电势进行深入分析，因此为电机动态模型的建立和控制带来了不便。本文通过有限仿真观察电机的磁通分布，利用等效磁路法分析了电机输出力、线圈电感以及运动反电动势同电机部件参数的解析表达式，并同有限元仿真结果和实验测试结果进行了对比。为电机的优化设计以及动态模型的建立和控制打下了基础。
1电机输出特性的等效磁路法计算
如图l所示，该直线力电动机可以在轴i向位移范围内输出数百牛顿的直线力。
永磁棒为气隙磁场提供部分所需要的励磁。当通入一种极性的电流后，一端的气隙磁场通过同永磁体产生的磁场叠加得到增强，另一端的气隙磁场则因为同永磁体产生的磁场相抵而减弱，根据机电能量转换原理，电磁力会使衔铁朝向使磁场储能减小的方向运动，由此在衔铁上产生轴向的推力。
在2d有限元仿真环境下观察电机工作时的磁场和主要磁路分布，如图2所示。
1 1 电机输出力特性的分析
从图2中看出，电机的磁通路径主要由两个永磁体经过导磁环、衔铁、主气隙和电机壳构成网路。另外有少量的漏磁通经过线圈和电机外盖成回路。如将永磁体等效为一磁动势源与恒定内磁阻相串联的磁动势源，将分布绕组等效为一集总磁动势fp，忽略漏磁的影响时，根据仿真得到的电机磁通分布，可以得到电机等效的磁通路径示意图和磁路模型。如图3、图4所示。
忽略电机导磁体上的磁阻，图中r1、r2对应衔．铁到左右盖的气隙磁阻rp为永磁体等效磁阻，rt为电机外壳到导磁环之间的电机线圈的等效磁阻。它们可按下式进行近似计算：
其中，x为衔铁偏离平衡位置的距离；δ为衔铁在中心位置时的气隙长度和隔磁套厚度之和sp、sx、lp、ls分别为永磁体和衔铁的截面积和长度,rc和rp2分别为线圈和永磁体外径；ld为两永磁体之间的轴向间距。
对电机的等效磁路计算模型列写方程得：
|
