一種用于電織針的超薄直線電機磁路與結構設計方案的有限元分析

范良志，張 楠，畢文武

（武漢紡織大學 機電工程學院，湖北 武漢 430073）

一種用于電織針的超薄直線電機磁路與結構設計方案的有限元分析

范良志，張 楠，畢文武

（武漢紡織大學 機電工程學院，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線的布置、永磁的體積確定及布置方式進行研究，最后借助有限元分析軟件AN SYS進行仿真，仿真結果能較好的滿足電機的約束條件。分析計算表明，設計方案可行，為進一步開展電機的實際試制工作打下了良好的理論基礎。

永磁直線同步電機；電機結構；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域的發展較快。與利用旋轉電機和中間轉換裝置產生直線運動相比，永磁直線同步電機因采用直接驅動，具有反應速度快、靈敏度高、隨動性好等優點，不存在反向間隙帶來的非線性影響，還能簡化裝置，節省空間，減小系統慣性，降低整個系統成本。因此關于永磁直線同步電機在紡織領域的應用研究越來越多。

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

2 永磁直線同步電機的總體結構

目前常用針織機械機最大往復行程通常大約為15～20mm，最高往復工作頻率30Hz，定位精度要求0.5 mm既可，可隨最大行程要求進行適當調整，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、動磁式設計的總體結構（見圖1）。

圖1 總體結構圖

3 初級結構

初級由硅鋼片和導體銅箔組成。美國學者Davis等人[1，2]采用化學蝕刻、電鍍的方法制造電樞的導體。與其方法類似，課題組選用0.35mm單層硅鋼片（磁導率1000），在其上面通過聚酰亞胺粘接劑（厚度10um）將銅箔固定。每層銅箔構成一相線路，三層疊加構造出三相驅動繞組。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，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進行布置電樞線圈的布置。

圖2 “幾”字型布線

設氣隙磁感應強度為B，電樞導體寬度為L，電流強度為I，對應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，對應于15/0.005=3000股電流。

4 次極結構

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。在本文進行永磁直線同步電機設計中，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；kδ為氣隙系數；δ為氣隙長度；Hδ為氣隙內的磁場強度。根據磁路的歐姆定律，由永磁體和外磁路組成的閉合磁路滿足：

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

其中：B為永磁體產生的磁密；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,當工作點設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燒結小磁體（可直接采購的最小體積釹鐵硼強力磁體）粘結、拼接固塑成規格為60mm×0.5mm×5mm矩形薄片，外表面用環氧樹脂加強厚度10um。

經查資料[4]，[5]可知，永磁體工作點在回復線上，對于常溫下的釹鐵硼永磁材料，其退磁曲線基本為直線，因此回復線與退磁曲線基本重合。可以近似描述為：

式中：B是永磁體中的磁感應強度，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用，有限元商業化軟件也不斷推陳出新，它所具有的服務對象明確、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計、科學研究和教學工作者所使用。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釹鐵硼稀土磁鐵（Hc=700kA/m，Br=1.0T）和相同的硅鋼片導磁率（1000），磁鐵厚度設置為0.5mm，寬度4mm，動子厚度均設置為0.4mm，采用二維靜態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強度能夠接近大約0.5T值，磁感應強度較高。能夠滿足設計的需要。存在的問題在于,硅鋼片內的磁場強度過高，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，需要通過對驅動電流的合理控制，消除相鄰織針電磁耦合的影響。考慮到有限元計算的可靠性與有效性依賴于模型本身的設計選擇與物性參數選擇，本文的后續工作還需要結合樣機試制試驗數據的對比來進行。

6 結論

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

[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.直線電機原理與應用[M].北京:機械工業出版社, 2000.

[4] 王秀和.永磁電機[M].北京：中國電力出版社, 2007.

[5] 唐任遠.現代永磁電機[M].北京:機械工業出版社, 1997.

[6] 孫明禮.ANSYS 10.0電磁學有限元分析實例指導教程[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：數控技術、機器人技術、新型電腦針織數字化設備.

國家自然科學基金項目（50805109）.