模塊化輥子輸送機設計

鄧 彬，劉冬園，張 偉，鐘 杰，李慶芬

（湖南工學院機械工程學院，湖南 衡陽421008）

0 前言

在前面的輸送機的機械傳動結構，回轉馬達通常被用作動力，但是要傳遞動力，應該增加一些設備，如減速器、鏈輪、鏈條、齒輪、齒條，等等。雖然這些設備已經被廣泛應用，但是缺點也很明顯：安裝復雜，故障率高，不方便維護，高噪聲，高效率的損失。這是由于驅動器的中間環節太多造成的[1]。對于機構線性運動的工作形式，如果驅動電機是線性的，它可以直接驅動，簡化結構，提高效率[2]。

直線感應電機LIM（linear induction motor）是一種能直接將電能轉化為直線運動機械能的電機，不需要中間轉換單元的傳動裝置，LIM也是20世紀電子工程領域出現的一項新技術，它從旋轉電機轉變而來，如圖1所示。越來越多的人注意到直線電機的突出優點，已經成功地應用于輸送機、磁懸浮列車等。本文研究的是一種采用三相交流基本理論的新型輥式輸送機，對直線電機的次級進行設計改進，設計成鋼制的中空管，可以直接在電磁推力下旋轉，成為運輸機的輥子。它更適用于各種形狀的大型載貨、長距離、不同工況的物體運輸，可以替代傳統的輥式輸送機，它是傳統輥式輸送機的最新產品。

圖1 直線電機的產生過程

1 模塊化輥子輸送機的結構

模塊化輥子輸送機主要由三相交流LIM直線感應電機、滾軸和電源控制單元組成。模塊化輥子安裝在LIM之上，它們的軸線平行，垂直于LIM.模塊化輥子由軸、軸承、鑄鐵或空心鋼管和支架組成，幾乎與傳統輥式輸送機相同。電樞是由三相繞組組成。當繞組通電對稱三相交流直線感應電機時，它將在三相繞組的表面產生可移動的磁場。組裝完成后，輥子用金屬外殼的樹脂密封。這里設計空心鋼管的長度為200 mm，其直徑為50 mm，厚度為12 mm；模塊化輥子輸送機的單體長度為1 000 mm，其寬度為240 mm，其高度為190 mm.其結構簡圖如圖2所示[3]。

圖2 模塊化輥子輸送機結構簡圖

2 模塊化輥子輸送機的原理

模塊化輥子輸送機的電機工作原理類似于旋轉電機。LIM與旋轉電機的主要區別在于旋轉電機產生旋轉磁場，而LIM產生平行行進磁場，也稱行波磁場[4]。當繞組通電對稱三相交流直線感應電機時，會在電樞中產生行波磁場，其中輥子表面會產生感應電流切割磁感線，棍子的表面采用的是鋼制中空管，它的表面在行波磁場中會產生感應電流，該感應電流產生的磁場與行波磁場相互作用則產生電磁推力帶動輥子以軸線為中心旋轉，使輥子上的物體沿空管旋轉方向移動。反之如果改變三相交流的相序，相應地也會改變電磁推力的方向，從而改變輥子的旋轉方向。

3 輥子受力分析

為了使問題簡單，首先分析單側LIM的二次力。單側LIM的次級由STC合金芯和感應層組成。忽略Z方向的非對稱因素，在行波磁場作用下，LIM的二次產生X方向的水平推力F和Y方向的法向力f，如圖3所示。法向力f由吸引力和排斥力組成。它們的方向相反，它們的力大小與施魯普夫有關。在正常情況下，需要水平推力，但在大多數情況下，沒有預期的正常力（除了磁懸浮應用系統）。水平推力由端部和齒槽效應引起的電磁推力和其它力組成，但前者是絕對主導的。根據勞倫茲磁公式，LIM的每個磁極的電磁推力為：

上式中，Bg為氣隙徑向磁密度，I為繞組電流，N為繞組數，Lav為磁場范圍內每匝線圈的平均長度。由直線感應電機的電磁計算程序[5]得出，Bg=0.607 5 T，N=602，I=2.93 A，Lav=15.288 cm，代入公示（1）得出單個磁極產生的推力F為：

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

圖3 輥子的受力分析圖

在行波磁場作用下，在新的輥子輸送機中輥的表面將在LIM側附近產生感應電流。感應電流產生的磁場與行波磁場相互作用，產生X方向的水平推力，推動輥以軸線為中心進行滾動。新型輥式輸送機在輸送過程中的額定推力Fe應滿足公式：

在公式中，FN是平均有效推力（N），k是推力儲備系數：

式（3）中，Fc是摩擦力（N），Fr為慣性力（N），并且可以使用以下公式計算：

式（4）中 M 是質量的對象（kg），a是加速度（m/s2）。

模塊化輥子輸送機按磁推力理論公式計算出的輸出功率與實際輸出功率有一定的誤差，因為存在零件的制造和安裝尺寸誤差，以及材料的導電性等不確定因素，這需要以后進行實驗驗證。

4 結論

模塊化輥子輸送機采用先進的三相交流直線電機技術，無傳統的輥道輸送機（傳動軸、減速機、聯軸器、鏈條、皮帶、齒輪等）的中間傳動機構。因此，故障率低，效率高，維護量小。模塊化輥子作為驅動和承載機構，結構更加緊湊合理，體積相對較小，可以取代目前各種類型的輥子輸送機。本論文根據理論公式推導了單個輥子上的電磁推力，推力的大小是否能夠滿足運送物料需要，運送物體的速度和平穩性等需要后續實驗的驗證。