混合式直線力電機(jī)的參數(shù)計(jì)算及有限元分析*

武瑞兵

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012)

混合式直線力電機(jī)的參數(shù)計(jì)算及有限元分析*

武瑞兵

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012)

利用磁路解析法和有限元法，對(duì)所設(shè)計(jì)電機(jī)進(jìn)行了電磁參數(shù)計(jì)算和靜特性分析，并研究了導(dǎo)磁材料非線性對(duì)輸出電磁力的影響。在此基礎(chǔ)上，對(duì)所制造的樣機(jī)進(jìn)行了靜態(tài)力曲線的測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果證明了理論分析的正確性。

混合式直線力電機(jī)； 直動(dòng)型電磁閥； 有限元法； 靜態(tài)力

0 引 言

混合式直線力電機(jī)是由加電線圈和永磁來(lái)共同勵(lì)磁，工作特點(diǎn)表現(xiàn)為合成磁場(chǎng)不是一成不變的，會(huì)隨線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)而變化，從而實(shí)現(xiàn)中間動(dòng)鐵的移動(dòng)。其單位輸出功率所能產(chǎn)生的推力或單位體積所能產(chǎn)生的推力比一般直線電機(jī)大，可以用作高速直驅(qū)式電液伺服閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也可以用作對(duì)靜止物體或低速的設(shè)備上施加一定推力的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在小位移情況下，與合適彈簧配合，可用作煤礦液壓系統(tǒng)比例閥執(zhí)行器[1]。

1 混合式直線力電機(jī)的參數(shù)計(jì)算

混合式直線力電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[2]。其中，δ=0.8mm，hpm=7mm，r1=7.5mm，r2=13mm，r3=19mm。忽略鐵心磁阻和導(dǎo)磁材料的磁飽和的影響，相應(yīng)的等效磁路如圖2所示。等效磁路中的各元件參數(shù)由式(1)～式(7)計(jì)算。

永磁體等效磁勢(shì)：

(1)

圖1 混合式直線力電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 混合式直線力電機(jī)的等效磁路

式中：Br——永磁體的剩磁感應(yīng)強(qiáng)度；

hpm——永磁體的長(zhǎng)度；

μr——永磁體的恢復(fù)磁導(dǎo)率；

kl——漏磁系數(shù)。

永磁體等效內(nèi)阻：

(2)

式中：Spm——永磁體的截面積。

線圈磁勢(shì)：

F0=NI

(3)

式中:N——線圈的匝數(shù)；

I——電流。

氣隙磁阻：

(4)

式中：x——位移；

Sm——?jiǎng)幼予F心截面積；

δ——?jiǎng)幼犹幱谥行奈恢脮r(shí)的氣隙長(zhǎng)度。

永磁極靴磁阻：

(5)

式中： Δ——永磁極靴與動(dòng)子的氣隙；

r1、Wt——電機(jī)相關(guān)尺寸。

漏磁阻：

(6)

根據(jù)圖2的等效磁路法求解，可得到線圈單獨(dú)作用時(shí)產(chǎn)生的磁通為

(7)

其中:

(8)

兩個(gè)永磁體作用時(shí)產(chǎn)生的磁通為

(9)

其中:

(10)

氣隙磁通為

(11)

最終需要的計(jì)算電磁力為[3-5]：

(12)

2 導(dǎo)磁材料非線性對(duì)靜態(tài)力曲線的影響

電磁閥中的導(dǎo)磁材料是電磁純鐵，其磁導(dǎo)率隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化而變化。采用磁路計(jì)算法無(wú)法分析非線性磁導(dǎo)率對(duì)電機(jī)靜態(tài)力的影響，需要進(jìn)行有限元分析，運(yùn)用實(shí)際電磁純鐵代替線性材料，所采用的電磁純鐵的B-H曲線如圖3所示。

圖3 導(dǎo)磁材料的B-H曲線

利用Ansoft有限元軟件，輸入模型材料，確定極靴、端蓋和動(dòng)子為電磁純鐵，并選中B-H非線性材料選項(xiàng)，然后按照所給的材料B-H曲線導(dǎo)入。計(jì)算后，可得在導(dǎo)磁材料為非線性時(shí)，電機(jī)的磁密分布圖，如圖4(a)所示。為了便于對(duì)比，給出了在相同動(dòng)子位置和電流密度(J=2×106A/m2)條件下導(dǎo)磁材料線性時(shí)的磁密分布圖，如圖4(b)所示。

圖4 有限元分析輸出的磁密分布圖

由圖4(a)、4(b)的對(duì)比可得： 導(dǎo)磁材料中磁密的分布與材料有關(guān)，同樣動(dòng)子位置和電流條件下，由于導(dǎo)磁材料的非線性，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度增大到一定程度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁飽和，使得同一位置上線性時(shí)的磁密要比非線性時(shí)的高。參數(shù)計(jì)算后得到電機(jī)的靜態(tài)力曲線，如圖5所示。

圖5 有限元法輸出的靜態(tài)力曲線

為了更好地比較兩種導(dǎo)磁材料對(duì)靜態(tài)力曲線的影響，把兩種情況下得到的靜態(tài)力曲線放到同一個(gè)坐標(biāo)下。由圖5可知： 在位移量在-0.40.4范圍內(nèi)，也就是動(dòng)子在兩個(gè)最大位移附近時(shí)，線性導(dǎo)磁材料下得到的力要大于非線性導(dǎo)磁材料下得到的力，其中原因是： 動(dòng)子在某個(gè)最大位移處時(shí)，此處的磁密迅速增大(見(jiàn)圖4)，使得在最大位移處的磁密產(chǎn)生磁飽和,磁密增加緩慢，從而使產(chǎn)生的力小于線性導(dǎo)磁材料下的力。同時(shí)從作為比例電磁閥執(zhí)行器的角度上看，電磁閥需要的是呈線性的靜態(tài)力曲線。由圖5可知： 適當(dāng)?shù)姆蔷€性導(dǎo)磁材料可以使電機(jī)的靜態(tài)力輸出呈直線特性。

3 樣機(jī)的靜態(tài)力特性測(cè)試

試驗(yàn)用混合式直線力電機(jī)樣機(jī)的動(dòng)子、鐵極、外殼和端蓋所用到的材料是一樣的，均由導(dǎo)磁材料制成。永磁材料選用稀土釹鐵硼，銅導(dǎo)套和推桿材料選用相同的非導(dǎo)磁材料。導(dǎo)磁材料選用A3鋼，非導(dǎo)磁材料用黃銅。擋塊與端蓋之間靠螺紋配合，擋塊可旋進(jìn)旋出，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)子最大位移量的調(diào)整。動(dòng)子最大行程5mm，樣機(jī)線圈匝數(shù) 1033 匝，線圈電阻22.5Ω。混合式直線力電機(jī)的靜態(tài)試驗(yàn)裝置如圖6所示，采用精度為0.01mm的千分表來(lái)記錄位移。拉壓力傳感器采用METTLER TOLEDO公司的TSC-2000，準(zhǔn)確度為0.02。

圖6 混合式直線力電機(jī)力測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)

以Maxwell 2D的仿真結(jié)果為依據(jù)，在圖6所示的試驗(yàn)臺(tái)上，當(dāng)電流穩(wěn)定時(shí)，進(jìn)行靜態(tài)力的測(cè)量。圖7為混合式直線力電機(jī)的實(shí)測(cè)靜態(tài)力曲線。在同樣的電流條件下，用有限元軟件對(duì)電機(jī)模型作有限元參數(shù)計(jì)算分析，可得到電機(jī)的靜態(tài)力曲線如圖8所示。

圖7 混合式直線力電機(jī)的實(shí)測(cè)輸出力曲線

圖8 混合式直線力電機(jī)的計(jì)算輸出力曲線

從圖7、圖8的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)： 曲線在整個(gè)位移內(nèi)的形狀基本一樣。在位移小時(shí)計(jì)算值和實(shí)測(cè)值相符；當(dāng)位移變大時(shí)，實(shí)測(cè)值要小于計(jì)算值。造成這種差別的原因主要是： (1) 樣機(jī)左右兩端的內(nèi)軸不共軸，觸動(dòng)內(nèi)軸會(huì)有約0.4mm的偏差，從電機(jī)示意圖中可知，動(dòng)子與銅導(dǎo)套之間是靠滑動(dòng)摩擦來(lái)實(shí)現(xiàn)配合，當(dāng)有偏差時(shí)會(huì)使滑動(dòng)摩擦加大，減小動(dòng)子輸出力的大小。(2) 動(dòng)子推桿與傳感器之間的接觸面很小，要想做到動(dòng)子推桿、傳感器和推力器同軸有很大困難，就造成試驗(yàn)時(shí)傳感器偏轉(zhuǎn)，使一部分切向力不能被傳感器反映。(3) 設(shè)計(jì)時(shí)擋塊與端蓋的接觸處是由螺紋配合，擋塊可以旋進(jìn)旋出，進(jìn)一步來(lái)調(diào)節(jié)動(dòng)子最大位移。但由于選用的螺紋為粗螺紋，加上制造上的誤差，使擋塊與端蓋之間的內(nèi)外螺紋不能很好地配合，它們之間不能很好地接觸。動(dòng)子在中間位置時(shí)，螺紋處磁通小，磁力線可以在很小的接觸面上通過(guò)，動(dòng)子在兩端附近時(shí)，螺紋處磁通量大，會(huì)在很小的接觸面處產(chǎn)生飽和，最終使動(dòng)子在兩端附近時(shí)實(shí)際測(cè)到的數(shù)據(jù)要小于理論數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文給出了用磁路解析法進(jìn)行混合式直線力電機(jī)電磁參數(shù)計(jì)算的方法,利用有限元軟件，針對(duì)導(dǎo)磁材料非線性對(duì)靜態(tài)力曲線的影響進(jìn)行了分析，對(duì)制造的混合式直線力樣機(jī)進(jìn)行了輸出力特性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明了靜態(tài)力曲線理論分析的正確性。

[1] 關(guān)景泰.機(jī)電液控制技術(shù)[M].上海: 同濟(jì)大學(xué)出版社,2003.

[2] 姚建庚.直接驅(qū)動(dòng)式電液伺服閥的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].液壓氣動(dòng)與密封,2004(2): 6-10.

[3] 錢(qián)家驪.電磁鐵吸力公式的討論[J].電工技術(shù),2001(1): 59-60.

[4] 王旭平.動(dòng)圈式永磁直線振動(dòng)電機(jī)的研究[D].太原:太原理工大學(xué),2003.

[5] 姚建庚.直接驅(qū)動(dòng)式電液伺服閥的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].液壓氣動(dòng)與密封,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

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)計(jì)劃課題(2013A06A409)

武瑞兵

TM 302

A

1673-6540(2015)05-0038-04

2014-11-05