抗強沖擊微型圓筒型直線電機的結構設計

單鵬飛，王漢豐，方曉強，楊素香

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

直線電機因無需附加裝置將旋轉運動變為直線運動，具有結構簡單、反應速度快、靈敏度高、跟蹤效果好、定位精度高、組合靈活等優點[1]，被廣泛應用于民用產品的各種橫向或垂直運動的機械設備中和武器裝備中，如軍用靶場、軍用仿真系統、軍用戰斗武器等。在特定的驅動系統設備中，需根據項目特殊需求研制特種配套的新型直線電機。某系統動力部件需求一款直徑Φ7 mm、壽命長、可靠性高的微型單相圓筒型電機，且要求運動部件具有抗軸向20 000 g沖擊力的能力。

圓筒型直線電機按運動部件可分為動圈式和動磁式兩種結構。文獻[2]闡述了結構的不同及優缺點，雖然動磁式直線電機存在單邊推力較大的缺點，但與動圈式相比，動磁式具有結構簡單緊湊、安裝方便、推力大、可靠性高等優點[3]。文獻[4]中介紹的動磁式直線電機結構為常規結構，由定子和動子兩部分組成，其中，定子通常由線圈和外鐵心(定子磁軛)組成，動子通常由磁鋼和內鐵心(動子磁軛)組成，結構示意圖如圖1所示[4]。

圖1 動磁式直線電機常規結構示意圖

針對系統特殊的應用需求，本文設計了一款動子抗強沖擊結構的總裝式圓筒型微型直線電動機。首先，針對產品的動子強沖擊要求，對比分析了不同磁鋼結構的直線電機特點，結合與整機的一體化設計特點，開展帶軸動子抗沖擊結構設計，并建立了有限元模型分析抗沖擊力效果；其次，針對產品的小體積高可靠性特點，從結構、材料、工藝、強度復核復算等方面考慮，開展定子可靠性結構設計；最后試制了樣機進行抗沖擊結構的實驗驗證。

1 結構設計

1.1 總體結構設計

直線電機按動子類型主要分為動磁式和動圈式。動圈式是指電機繞組位于動子、磁鋼位于定子；動磁式結構相反，繞組位于定子，磁鋼位于動子。本項目電機要求體積小，若繞組位于動子，引出線在結構上不易安裝固定，容易損壞，可靠性不高。因此，選擇動磁型直線電機方案。

動磁型直線電機按永磁體充磁方式又分為徑向式、軸向式、Halbach式。Halbach式與軸向式性能近似相等，二者均大于徑向式；又因為Halbach式永磁體需不同充磁方式的三塊永磁體，既增加了工藝的復雜性，又降低了動子的抗沖擊力。因此，最終動子磁鋼選擇軸向充磁方案。

直徑Φ7 mm的圓筒型直線電機為某型號驅動系統定制的組裝式電機，為防止定子、動子碰撞、摩擦，在兩者之間采用軸承支撐。因體積有限，無法采用直線滾珠軸承，故軸承采用復合材料PEEK加工而成。該材料強度高，且具有自潤滑作用，既起到支撐作用又具有強沖擊緩沖結構作用；同時，便于右側滑動軸承與機殼裝配到位后，配打銷孔，使定子部件具有強抗沖擊性和可靠性的特點。電機總體結構如圖2所示。

圖2 電機總體結構圖

1.2 定子結構設計

定子總體結構如圖3所示。定子采用無齒槽雙繞組結構，定子機殼采用0.5 mm厚的磁性合金，因電機體積小，定子繞組無設置繞線支架的空間，繞組和機殼之間采用環氧澆注為一體的結構。為了增加線圈與機殼之間的軸向承載能力，在機殼內圓車亂螺紋，提高環氧的附著力。同時，尾端軸承(非用戶接口端軸承)和用戶接口還可以對環氧澆注后的繞組軸向進一步起到約束效果。繞組、環氧和機殼固化為一體后，既增加了軸向抗沖擊能力，也增加了徑向抗沖擊能力，可彌補機殼厚度的不足。

圖3 定子結構圖

由于電機體積小，性能指標要求高，定子繞組無設置繞線支架的空間，給繞組的繞制和后續加工帶來的很大的困難，為了保證繞制過程、壓裝過程和環氧澆注過程中繞組無松散現象，設計專用芯軸夾具，以機殼內孔、繞組內孔作為定位，貫穿繞線、壓裝和環氧澆注三個過程，最后脫模成形。芯軸材料擬采用聚四氟乙烯棒(加工后需進行脫模處理)。

1.3 動子結構設計

動子整體結構如圖4所示。動子采用軸向充磁的動磁式結構，永磁體為圓環形結構，永磁材料為機械強度較高的燒結釹鐵硼，磁鋼、磁軛與芯軸之間采用膠粘固定，并在轉軸上設計臺階結構(圖5(a)所示)，提高初次沖擊時的承載能力。為防止反彈作用力，在無臺階一側將轉軸和磁軛進行激光焊接加固(圖5(b)所示)。在磁鋼外圈繞一層玻璃纖維，進一步提高磁鋼的抗撞擊能力。轉軸采用高強度無磁不銹鋼17-4PH 0Cr17Ni4Cu4Nb，增加橫向沖擊時的剛度。

圖4 動子結構圖

圖5 動子加固結構示意圖

2 動子結構機械強度校核

2.1 有限元模型建立

通過以上的緩沖抗沖擊結構分析知，基于機械分析軟件ANSYS Mechanical，建立有限元模型，對整個動子和滑動軸承進行強度校核，如圖6所示。該型直線電機分別受軸向20 000 g和徑向3 500 g沖擊，通過有限元分別分析兩種沖擊下電機動子的應力應變狀況，驗證該結構強度是否滿足要求。

圖6 有限元模型圖

2.2 有限元模型的邊界條件與加載

受軸向20 000 g沖擊時，電機動子相對定子向左側位移，轉軸左側端面撞擊安裝端面，限制其進一步位移，其加載及邊界條件如圖7所示。徑向3 500 g沖擊時，兩處軸承限制動子徑向位移，其加載及邊界條件如8所示。軸向、徑向兩種沖擊同時作用時,其加載及邊界條件如圖9所示。

圖7 軸向加載及邊界條件圖

圖8 徑向加載及邊界條件圖

圖9 徑向、軸向同時加載及邊界條件圖

2.3 仿真結果

軸向承受20 000 g沖擊時，最大位移為0.005 mm，發生于轉軸尾端(非撞擊端)，如圖10所示。其最大等效應力約為83.6 MPa，位于受沖擊一側轉軸端部，如圖11所示。

圖10 軸向沖擊位移圖

圖11 軸向沖擊等效應力圖

徑向3 500 g沖擊時，動子的等效應力，徑向位移及剪切應力如圖12～圖14所示。其最大徑向位移0.001 7 mm，位于轉軸端部；最大等效應力約為52.5 MPa，位于軸承與轉軸配合位置；最大剪切應力約為26.6 MPa，同樣位于最大等效應力處。

圖12 徑向沖擊位移圖

圖13 徑向沖擊等效應力圖

圖14 徑向沖擊剪切應力圖

軸向、徑向兩種沖擊同時作用時，其動子的等效應力，徑向位移及剪切應力如圖15～圖17所示。其最大等效位移0.005 mm，位于轉軸靠靜右側軸承處，主要為軸向位移；最大等效應力約為101.4 MPa，位于磁鋼與轉軸配合位置；最大剪切應力約為51.4 MPa。

圖15 軸向、徑向沖擊同時作用時的位移圖

圖16 軸向、徑向沖擊同時作用時的等效應力圖

圖17 軸向、徑向沖擊同時作用時的剪切應力

轉軸材料為17-4PH 0Cr17Ni4Cu4Nb高強度無磁不銹鋼，屈服強度大于650 MPa，當動子在兩種沖擊同時作用下，最大等效應力約為101.4 MPa，遠小于材料屈服強度，最大剪切強度為51.4 MPa，小于其抗剪切強度，最大徑向位移0.005 mm，遠小于動、定子間隙。有限元模擬結果表明，該動子結構滿足軸向20 000 g、徑向3 500 g兩種沖擊的強度要求。

3 試驗測試

通過以上設計研究，研制的圓筒型動磁式直線電機樣機如圖18所示。樣機為半組裝式結構，通過試驗支撐底座裝配起來，氣隙均勻，電機運行可靠，試驗底座與整機銜接結構類似。直線電機試驗檢測過程中，工作狀態平穩，滿足技術指標要求。

圖18 樣機實物圖

將樣機交由南京理工大學進行模擬沖擊試驗，如圖19所示，利用重錘試驗對樣機進行了軸向20 000 g和徑向3 500 g的沖擊試驗。軸向和徑向各重錘沖擊1次，試驗結束后，電機動子處于自由運轉狀態，經復測，性能滿足要求；經拆解，電機內各零部件無損傷，驗證了動子抗沖擊結構設計合理。

圖19 現場沖擊試驗模擬測試

4 結 語

本文針對某特殊驅動系統用微小型圓筒型直線電機的需求，設計并制造了樣機。基于小體積的特點，結合無刷空心杯電機定子結構，采用機殼與線圈澆環氧一體化設計；基于動子抗沖擊結構設計特點，分析了各零件的結構及銜接方式，基于ANSYS Mechanical應力分析軟件建立了樣機的有限元模型，對沖擊進行仿真計算。最后，經過樣機的現場沖擊模擬測試，進一步驗證了結構方案設計可行，為微型直線電機的結構設計提供了可借鑒思路。