一種用于電織針的超薄直線電機磁路與結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的有限元分析

范良志，張 楠，畢文武

（武漢紡織大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430073）

一種用于電織針的超薄直線電機磁路與結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的有限元分析

范良志，張 楠，畢文武

（武漢紡織大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430073）

針對一種超薄永磁直線同步電機，在苛刻的尺寸約束條件下重點針對初級導(dǎo)線的布置、永磁的體積確定及布置方式進(jìn)行研究，最后借助有限元分析軟件AN SYS進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果能較好的滿足電機的約束條件。分析計算表明，設(shè)計方案可行，為進(jìn)一步開展電機的實際試制工作打下了良好的理論基礎(chǔ)。

永磁直線同步電機；電機結(jié)構(gòu)；有限元；AN SYS

1 引言

隨著紡織工藝水平的不斷提高，對紡織機械的效率、響應(yīng)速度、控制的繁簡程度均提出了更高的要求。永磁直線同步電機是一種新穎電機，近年來在紡織機械領(lǐng)域的發(fā)展較快。與利用旋轉(zhuǎn)電機和中間轉(zhuǎn)換裝置產(chǎn)生直線運動相比，永磁直線同步電機因采用直接驅(qū)動，具有反應(yīng)速度快、靈敏度高、隨動性好等優(yōu)點，不存在反向間隙帶來的非線性影響，還能簡化裝置，節(jié)省空間，減小系統(tǒng)慣性，降低整個系統(tǒng)成本。因此關(guān)于永磁直線同步電機在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用研究越來越多。

本文通過對永磁直線同步電機總體結(jié)構(gòu)，初級、次級設(shè)計的研究，獲得了一套完整的設(shè)計方案，并通過ANSYS仿真軟件進(jìn)行仿真，驗證了結(jié)果的可行性。

2 永磁直線同步電機的總體結(jié)構(gòu)

目前常用針織機械機最大往復(fù)行程通常大約為15～20mm，最高往復(fù)工作頻率30Hz，定位精度要求0.5 mm既可，可隨最大行程要求進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，織針頭部能夠提供的最大拉力不小于10N，實際能承受的最大拉力約30N左右。

綜合考慮載流導(dǎo)線布線工藝手段及最大承載電流能力要求，同時也限于已有各種永磁體的最大表面剩磁提供能力（見下文），課題組采用采用雙邊推力、動磁式設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)（見圖1）。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

3 初級結(jié)構(gòu)

初級由硅鋼片和導(dǎo)體銅箔組成。美國學(xué)者Davis等人[1，2]采用化學(xué)蝕刻、電鍍的方法制造電樞的導(dǎo)體。與其方法類似，課題組選用0.35mm單層硅鋼片（磁導(dǎo)率1000），在其上面通過聚酰亞胺粘接劑（厚度10um）將銅箔固定。每層銅箔構(gòu)成一相線路，三層疊加構(gòu)造出三相驅(qū)動繞組。銅箔的厚度通常有18μ m、35μ m、55μ m和70μ m四種，本文選用厚度為σ=18μ m、寬度為w=1mm的銅箔做載流線，其最大承載電流強度為2A。這樣銅箔的截面積A=σw=0.018× 1=0.018mm2。取樣銅箔長度為L=1m，則該段銅箔的電阻為：

其中：R為銅箔電阻，單位為Ω；ρ為電阻系數(shù)，單位為Ωmm2/m；L為銅箔取樣長度，單位mm；A為銅箔的截面積，單位m2；W為銅箔寬度，單位mm；σ為銅箔厚度，單位μ m。針對動磁式直線電機的方案，銅箔載流線采用 “幾”字型（見圖2）按照間隔ε=10μ m進(jìn)行布置電樞線圈的布置。

圖2 “幾”字型布線

設(shè)氣隙磁感應(yīng)強度為B，電樞導(dǎo)體寬度為L，電流強度為I，對應(yīng)每單股電流所承受的電磁力為F=BIL 。取B=1T，I=1A，L=0.005m，則F=0.005N。按雙邊推力模式，最大電磁力30N分布于單面需要有15N，對應(yīng)于15/0.005=3000股電流。

4 次極結(jié)構(gòu)

在永磁電機中，永磁體的性能對電機性能的影響無疑是非常大的。在本文進(jìn)行永磁直線同步電機設(shè)計中，采用扁平形矩形薄片磁極。

對于永磁同步直線電機，假設(shè)其外磁路中每極總磁位降為F，每極氣隙磁位降為Fδ,則有：

其中：ks為外磁路飽和系數(shù)；kδ為氣隙系數(shù)；δ為氣隙長度；Hδ為氣隙內(nèi)的磁場強度。根據(jù)磁路的歐姆定律，由永磁體和外磁路組成的閉合磁路滿足：

其中：H為永磁體產(chǎn)生的磁場強度；hm為永磁體厚度；Φδ為主磁通；σ為漏磁系數(shù)；Φ m為永磁體向外磁路提供的磁通。即：

其中：B為永磁體產(chǎn)生的磁密；Bδ為氣隙磁密；Sδ為每極氣隙的面積；Sm為永磁體的面積；μ 0為真空磁導(dǎo)率。將式(4)中兩方程相乘得：

其中：Vδ為氣隙體積；Vm為永磁體體積；Sm 為永磁體面積；hm為永磁體厚度。

由式(6)可知,永磁體的體積取決于B和H的乘積,當(dāng)工作點設(shè)計在最大磁能積點時,永磁體的體積最小。利用式(6) (7) (8)可粗略估算出永磁體的尺寸。本文次級是采用0.5mm×0.5mm×0.5mm燒結(jié)小磁體（可直接采購的最小體積釹鐵硼強力磁體）粘結(jié)、拼接固塑成規(guī)格為60mm×0.5mm×5mm矩形薄片，外表面用環(huán)氧樹脂加強厚度10um。

經(jīng)查資料[4]，[5]可知，永磁體工作點在回復(fù)線上，對于常溫下的釹鐵硼永磁材料，其退磁曲線基本為直線，因此回復(fù)線與退磁曲線基本重合?？梢越泼枋鰹椋?/p>

式中：B是永磁體中的磁感應(yīng)強度，單位為T；H是永磁體中的磁場強度，單位為A/m；Mr是永磁體的剩余磁化強度，單位為A/m；Br為永磁體的剩磁向量，單位為T；μ 0是真空磁導(dǎo)率，其值為4π× 10-7N/A2。

5 有限元分析

有限元分析法在電磁計算中廣泛應(yīng)用，有限元商業(yè)化軟件也不斷推陳出新，它所具有的服務(wù)對象明確、操作簡單、通用性強、能夠最大限度減輕求解方程中繁瑣的工作量等鮮明特點使它被越來越多的工程設(shè)計、科學(xué)研究和教學(xué)工作者所使用。文中有限元分析部分使用的是ANSOFT公司的ANSYS有限元分析軟件[6，7]。圖3 為直線電機的有限元模型。初步選定磁體為燒結(jié)釹鐵硼稀土磁鐵（Hc=700kA/m，Br=1.0T）和相同的硅鋼片導(dǎo)磁率（1000），磁鐵厚度設(shè)置為0.5mm，寬度4mm，動子厚度均設(shè)置為0.4mm，采用二維靜態(tài)磁場有限元分析得到：

圖3 氣隙磁場強度

在氣隙位置處的磁感應(yīng)強度能夠接近大約0.5T值，磁感應(yīng)強度較高。能夠滿足設(shè)計的需要。存在的問題在于,硅鋼片內(nèi)的磁場強度過高，接近于飽和，而且硅鋼外部存在強度不大一定程度的漏磁。在動子做往復(fù)運動的過程之中，將影響到相鄰織針的推力輸出，需要通過對驅(qū)動電流的合理控制，消除相鄰織針電磁耦合的影響?？紤]到有限元計算的可靠性與有效性依賴于模型本身的設(shè)計選擇與物性參數(shù)選擇，本文的后續(xù)工作還需要結(jié)合樣機試制試驗數(shù)據(jù)的對比來進(jìn)行。

6 結(jié)論

本文主要研究了永磁直線同步電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用銅箔粘貼及化學(xué)蝕刻工藝在初級上布置電樞線路；采用小磁體粘結(jié)工藝進(jìn)行次級磁鐵的布置，經(jīng)ANSYS仿真得到了較為理想的結(jié)果。由于此類超薄永磁直線同步電機的深入研究和大規(guī)模的應(yīng)該在國內(nèi)還尚屬起步階段，科技水平和資金因素限制該技術(shù)的發(fā)展。但是，隨著電機技術(shù)的發(fā)展，上述問題會被逐漸解決，超薄電機具有廣闊的發(fā)展前景。

[1] M.V.Shutov, E.E.Sandozx, D.L.Howard, et al.. Miniature Linear Motor, Proceedings of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers(SPIE)[J]. 2003, Vol.4878:32-37

[2] M.V.Shutov, E.E.Sandoz, D.L.Howard, et al.. A Microfabricated Electromagnetic Linear Synchronous Motor, Snesors and Actuators A Physical[J]. Vol.121, 2005:566-575

[3] 葉云岳.直線電機原理與應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2000.

[4] 王秀和.永磁電機[M].北京：中國電力出版社, 2007.

[5] 唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機[M].北京:機械工業(yè)出版社, 1997.

[6] 孫明禮.ANSYS 10.0電磁學(xué)有限元分析實例指導(dǎo)教程[Z]. 2007.

[7] 劉豪.基于ANSYS的無槽永磁直線同步電動機磁場分析[J]．煤礦機電, 2009.3.

Finite-element Analysis for Ultra-thin Linear Motor Used for Electrical Needle Magnetic and Structural Design

FANG Liang-zhi, ZHANG Nan, BI Wen-wu

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

This paper studies on an ultra-thin permanent magnet linear synchronous motor, in harsh constraints conditions of size; focused on the arrangement of the primary conductor, size of permanent magnet and layout manner. At last, get help from finite element analysis software ANSYS to simulation, the simulation results can be meet the electrical constraints perfectly. Study shows that the design scheme is feasible; and laid a good foundation for further actual works.

PMLSM; Motor structure; FEM; ANSYS

TP37

A

1009－5160(2010)04－0001－03

范良志 (1976-)，男，副教授，研究方向：數(shù)控技術(shù)、機器人技術(shù)、新型電腦針織數(shù)字化設(shè)備.

國家自然科學(xué)基金項目（50805109）.