基于動力學分析的電織針電機模型選擇與分析

范良志，周向陽，畢文武，張　楠

基于動力學分析的電織針電機模型選擇與分析

范良志，周向陽，畢文武，張楠

（武漢紡織大學 機電工程學院，湖北武漢 430073）

本文對針織機械中三角凸輪驅動織針進行了針織運動動力學分析，給出了一種基于直線電機驅動原理的電織針的設計要求：（1）電織針往復運動行程20mm；（2）往復運動頻率60Hz；（3）電織針的最大加速度達到大約29個重力加速度。永磁體面對面安裝動圈式直線電機結構有能力滿足這一設計要求，合理的電織針驅動電流密度與電織針散熱設計是進一步提高電織針動力學性能，同時也是提高針織織機性能指標最有效的方法。

電織針；直線電機；三角凸輪；針織

1　引言

無論哪一種針織工藝，最后都表現為織針按照指定的節拍和位置，做上下往復運動，實現成圈、集圈、浮線等編織工藝。經典的織針驅動原理在突出的性能與可靠性指標之外，也表現出了明顯的缺點，特別是高能耗。織機的驅動能量大部分用于三角-織針，以及織針-織針，織針-針槽之間的摩擦發熱，從而對加工精度、織針材料、潤滑等諸多方面提出了很高的要求。對于高檔的電腦提花織機來說，需要增加一套電子-機械選針傳動裝置，動作部件多，總體數量龐大，很大程度上增加了高性能織機的可靠性保障難度[1~6]。

本文將直線電機技術引入到針織機械的核心機構之中，將傳統針織織針設計為一臺直線電機，即直線電機驅動織針（簡稱電織針）[7]，如圖1，研究一種與現有各類針織機械不同的織針運動原理與關鍵部件，織針運動完全電動化，能夠從工作原理上最大程度上減少運動部件的數量，同時實現織針軌跡的可編程，用軟件對應三角（凸輪）跑道，實現各種織針工位要求，不再需要三角（凸輪）驅動或者含有機電動作的電子選針器等控制機構，從而達到簡化機構設計，消除摩擦，提高系統動態性能指標的目的。

圖1　提花針織驅動原理與電織針驅動原理示意圖

2　針織織針的性能指標要求

以廣泛運用的針織大圓機為參照[8]，當前常見的高性能針織大圓機針號通常為E16針～E32[9]，即每英寸16根織針或32根織針，相當于0.79～1.59mm厚度；豎直行程范圍20mm左右；織針鉤針需要能夠承受最高2.9～3kg的循環載荷；上下往復頻率約30Hz，織針壽命約3～6個月（7*24小時工作制）。

上述性能指標對電織針直線電機模型的選擇與設計提出了苛刻的要求，集中體現在兩個方面：（1）1mm左右厚度的苛刻幾何尺度限制；（2）具備大約20mm往復運動行程，不小于30Hz往復頻率的動態性能要求。在本文的研究中，往復頻率進一步調升為大約60Hz，大致相當于將當前最好的圓緯織機工作效率提高一倍。

2.1織針動力學分析

按照典型的三功位提花選針工藝要求[10]，電織針需要能夠在三個不同位置，即高位、中位、零位實現指定規則的時間-位移軌跡，以達成成圈、集圈、浮線三種功能，對應于直線電機應有三個停止位置，即最大行程（20mm位置）、中間行程（10mm位置）、保持零位不動（0mm位置）。與針織工藝控制要求相對應，相當于直線電機能夠及時實現三個不同的位置控制，對應位置控制要求，理想的速度-時間曲線表現為方波形式，如圖2所示：

圖2 理想的織針運行速度-時間曲線

顯然方波圖形的速度曲線無法實現，考慮電磁力驅動能力有最大極限，不妨首先按照較為簡潔的Bang-Bang控制方案[11~12]，即以驅動電磁力-時間圖形為方波形式，對應速度曲線為梯形加減速曲線，實際對應了存在有柔性沖擊存在的最快運動方式。

2.2直線電機的基本機電參數分析

按照磁場來源來分，直線電機分為永磁電機和感應電機；按照電源來分，直線電機分為直流電機和交流電機；對永磁電機來說，可以分為動磁式電機和動圈式電機；對感應電機來說，可以分為鼠籠式電機和繞線式電機；按電機初級的分布形式，可以分為雙邊型電機和單邊型電機等[13]。

按照牛頓第二定律與機電系統傳動基本方程，電織針次級動子的加速度為：

考慮到電織針比較苛刻的厚度限制與散熱條件限制，采用電勵磁方式很難獲得較高磁場強度，因此，電織針所采用的電機模型必然采用永磁電機模型。當前永磁體能夠提供的最大表面剩磁大約僅為1T[14]，電織針氣隙中磁感應強度主要取決于永磁體厚度與氣隙厚度的比值。

2.3電織針中永磁體的工作點

圖3　電織針直線電機模型的八種布置形式

不難看出，無背鐵存在條件下，動磁式直線電機結構布置與動圈式布置完全等價。無論哪一種結構形式，最終都可以簡化為等效磁路模型[15]，如圖4：

圖4　電織針等效磁路

超薄強力磁鐵的制造與裝配存在一定困難，已商品化的強力磁鐵通常都不小于0.5mm；考慮稀土類磁鐵的最佳工作點位置范圍，不妨選取Br/2為電織針工作點（即電織針內部空載磁場磁感應強度）永磁體的厚度大約等于電織針直線電機有效氣隙的厚度0.5mm，對應的磁感應強度約0.5T左右。

2.4電織針中的電流密度

2.5電織針電機模型選擇的可行性分析

相當于大約30個重力加速度，能夠滿足電織針設計要求，所選擇的電機模型可行。盡管如此，考慮到電流密度的參數來源于PCB板設計標準，僅僅只能作為參考，實際電流密度仍需要單獨進行理論與試驗分析；在此基礎之上，決定合適的散熱設計方案，保障電織針的性能指標與可靠性。

３　結論及展望

電織針電機模型優先選擇無背鐵鐵心永磁體面對面安裝動圈式結構，電織針厚度大約1mm，驅動電流大約1.5A，采用剩磁強度約1T的永磁體，磁體厚度約0.5mm，基于這樣基本參數的電織針有能力達到大約20mm往復行程，60Hz往復運動頻率的運動學要求。下一步的研究將重點圍繞兩個方面展開。首先，確認電織針內部磁場分布；由于無背鐵鐵心永磁體面對面安裝動圈式結構的直線電機，在拓撲結構與幾何形狀上都比較簡單，有可能給出氣隙磁密的解析解。其次，建立對應的電織針內部發熱與散熱模型，合理的散熱設計是提高電織針性能最有效的途徑。

[1] 張弛. 圓緯機電子選針控制系統的研究與實現[D]. 武漢: 湖北工業大學，2004.

[2] 張成俊. 電腦提花大圓機選針器控制及檢測系統研究[D]. 武漢：湖北工業大學，2006.

[3] Herdegen-N. The knitting mill of the future- Large-diameter circular knitting machines with piezo individual needle selection[J]. Maschen-Industries, 2002, (4):14-18.

[4] Anbumani-N. Needle selection techniques in circular knitting machines[J]. Asian Textile Journal, 1999, 8(7-8): 50-54.

[5] Dr. Ing, Constanta Comandar. Warp knitted stitch structures with floats[J]. Knitting Technology, 2002, 22(9):18-19.

[6] Fei DongHua，Zhu ShiGen. Comparative study of wear resistance of sewing needles[J]. Journal of Donghua University, 2002,(2):23-25.

[7] 張森林，沈國炎. 直線電機在電子提花機中的應用[J]. 紡織學報，2008, (11): 119-123.

[8] 張建鋼. 提花針織大圓機電源控制器的設計[J]. 武漢科技學院學報，2005, (5): 1-3.

[9] 龍海如. 針織學[M]. 北京: 中國紡織出版社，2008.

[10]鮮萬全. 論制約高速單面機機速的因素[J]. 針織工業，2005, (4): 15-17.

[11]黃向軍. 新型嵌入式電腦橫機控制器的設計[D]. 杭州：浙江大學，2007.

[12]繆爾康. 現代控制理論基礎[M]. 成都: 成都科技大學出版社，1988.

[13]鄧星鐘. 機電傳動控制[M]. 武漢: 華中科技大學出版社，2004.

[14]周壽增. 超強永磁體：稀土鐵系永磁材料[M]. 北京：治金工業出版社，2004.

[15]王秀和. 永磁電機[M]. 北京：中國電力出版社，2008.

[16]曾峰. 印刷電路板(PCB)設計與制作[M]. 北京: 電子工業出版社，2002.

Dynamics Based Electric Motor Model Selection for Electric-Knitting-Needle Design

FAN Liang-zhi, ZHOU Xiang-yang, BI Wen-wu, ZHANG Nan

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China)

This paper studies the dynamics of knitting needles regarding mechanical Cam-Driving and put forward a set off reference requirements for Linear-Motor-Driving knitting needle design, which includes: 1). back-and-forth range is 20mm, 2).back-and-forth frequency is 60Hz, 3). maximum acceleration is no less than 29G. It is found that the face-to-face magnet based flat linear motor would satisfy recommended requirements. It’s the most efficient way to adopt appropriate driving current density and heat design schema to improve the dynamic performance of knitting needles, thus better knitting machine performance could be achieved.

Electric Knitting Needle; Linear Motor; Cam; Knitting

TP183

A

1009－5160(2011)03－0070－04

范志良(1976-)，男，副教授，研究方向：超薄直線電機.

國家自然科學基金項目資助（50805109）.