混合式直線力電機的參數計算及有限元分析*

武瑞兵

(山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012)

混合式直線力電機的參數計算及有限元分析*

武瑞兵

(山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012)

利用磁路解析法和有限元法，對所設計電機進行了電磁參數計算和靜特性分析，并研究了導磁材料非線性對輸出電磁力的影響。在此基礎上，對所制造的樣機進行了靜態力曲線的測試。試驗結果證明了理論分析的正確性。

混合式直線力電機； 直動型電磁閥； 有限元法； 靜態力

0 引 言

混合式直線力電機是由加電線圈和永磁來共同勵磁，工作特點表現為合成磁場不是一成不變的，會隨線圈產生的磁場而變化，從而實現中間動鐵的移動。其單位輸出功率所能產生的推力或單位體積所能產生的推力比一般直線電機大，可以用作高速直驅式電液伺服閥執行機構，也可以用作對靜止物體或低速的設備上施加一定推力的驅動機構，在小位移情況下，與合適彈簧配合，可用作煤礦液壓系統比例閥執行器[1]。

1 混合式直線力電機的參數計算

混合式直線力電機結構示意圖如圖1所示[2]。其中，δ=0.8mm，hpm=7mm，r1=7.5mm，r2=13mm，r3=19mm。忽略鐵心磁阻和導磁材料的磁飽和的影響，相應的等效磁路如圖2所示。等效磁路中的各元件參數由式(1)～式(7)計算。

永磁體等效磁勢：

(1)

圖1 混合式直線力電機結構示意圖

圖2 混合式直線力電機的等效磁路

式中：Br——永磁體的剩磁感應強度；

hpm——永磁體的長度；

μr——永磁體的恢復磁導率；

kl——漏磁系數。

永磁體等效內阻：

(2)

式中：Spm——永磁體的截面積。

線圈磁勢：

F0=NI

(3)

式中:N——線圈的匝數；

I——電流。

氣隙磁阻：

(4)

式中：x——位移；

Sm——動子鐵心截面積；

δ——動子處于中心位置時的氣隙長度。

永磁極靴磁阻：

(5)

式中： Δ——永磁極靴與動子的氣隙；

r1、Wt——電機相關尺寸。

漏磁阻：

(6)

根據圖2的等效磁路法求解，可得到線圈單獨作用時產生的磁通為

(7)

其中:

(8)

兩個永磁體作用時產生的磁通為

(9)

其中:

(10)

氣隙磁通為

(11)

最終需要的計算電磁力為[3-5]：

(12)

2 導磁材料非線性對靜態力曲線的影響

電磁閥中的導磁材料是電磁純鐵，其磁導率隨著磁感應強度的變化而變化。采用磁路計算法無法分析非線性磁導率對電機靜態力的影響，需要進行有限元分析，運用實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、端蓋和動子為電磁純鐵，并選中B-H非線性材料選項，然后按照所給的材料B-H曲線導入。計算后，可得在導磁材料為非線性時，電機的磁密分布圖，如圖4(a)所示。為了便于對比，給出了在相同動子位置和電流密度(J=2×106A/m2)條件下導磁材料線性時的磁密分布圖，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)的對比可得： 導磁材料中磁密的分布與材料有關，同樣動子位置和電流條件下，由于導磁材料的非線性，當磁感應強度增大到一定程度時，會產生磁飽和，使得同一位置上線性時的磁密要比非線性時的高。參數計算后得到電機的靜態力曲線，如圖5所示。

圖5 有限元法輸出的靜態力曲線

為了更好地比較兩種導磁材料對靜態力曲線的影響，把兩種情況下得到的靜態力曲線放到同一個坐標下。由圖5可知： 在位移量在-0.40.4范圍內，也就是動子在兩個最大位移附近時，線性導磁材料下得到的力要大于非線性導磁材料下得到的力，其中原因是： 動子在某個最大位移處時，此處的磁密迅速增大(見圖4)，使得在最大位移處的磁密產生磁飽和,磁密增加緩慢，從而使產生的力小于線性導磁材料下的力。同時從作為比例電磁閥執行器的角度上看，電磁閥需要的是呈線性的靜態力曲線。由圖5可知： 適當的非線性導磁材料可以使電機的靜態力輸出呈直線特性。

3 樣機的靜態力特性測試

試驗用混合式直線力電機樣機的動子、鐵極、外殼和端蓋所用到的材料是一樣的，均由導磁材料制成。永磁材料選用稀土釹鐵硼，銅導套和推桿材料選用相同的非導磁材料。導磁材料選用A3鋼，非導磁材料用黃銅。擋塊與端蓋之間靠螺紋配合，擋塊可旋進旋出，可實現動子最大位移量的調整。動子最大行程5mm，樣機線圈匝數 1033 匝，線圈電阻22.5Ω。混合式直線力電機的靜態試驗裝置如圖6所示，采用精度為0.01mm的千分表來記錄位移。拉壓力傳感器采用METTLER TOLEDO公司的TSC-2000，準確度為0.02。

圖6 混合式直線力電機力測試試驗臺

以Maxwell 2D的仿真結果為依據，在圖6所示的試驗臺上，當電流穩定時，進行靜態力的測量。圖7為混合式直線力電機的實測靜態力曲線。在同樣的電流條件下，用有限元軟件對電機模型作有限元參數計算分析，可得到電機的靜態力曲線如圖8所示。

圖7 混合式直線力電機的實測輸出力曲線

圖8 混合式直線力電機的計算輸出力曲線

從圖7、圖8的對比可以發現： 曲線在整個位移內的形狀基本一樣。在位移小時計算值和實測值相符；當位移變大時，實測值要小于計算值。造成這種差別的原因主要是： (1) 樣機左右兩端的內軸不共軸，觸動內軸會有約0.4mm的偏差，從電機示意圖中可知，動子與銅導套之間是靠滑動摩擦來實現配合，當有偏差時會使滑動摩擦加大，減小動子輸出力的大小。(2) 動子推桿與傳感器之間的接觸面很小，要想做到動子推桿、傳感器和推力器同軸有很大困難，就造成試驗時傳感器偏轉，使一部分切向力不能被傳感器反映。(3) 設計時擋塊與端蓋的接觸處是由螺紋配合，擋塊可以旋進旋出，進一步來調節動子最大位移。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外螺紋不能很好地配合，它們之間不能很好地接觸。動子在中間位置時，螺紋處磁通小，磁力線可以在很小的接觸面上通過，動子在兩端附近時，螺紋處磁通量大，會在很小的接觸面處產生飽和，最終使動子在兩端附近時實際測到的數據要小于理論數據。

4 結 語

本文給出了用磁路解析法進行混合式直線力電機電磁參數計算的方法,利用有限元軟件，針對導磁材料非線性對靜態力曲線的影響進行了分析，對制造的混合式直線力樣機進行了輸出力特性試驗，試驗結果證明了靜態力曲線理論分析的正確性。

[1] 關景泰.機電液控制技術[M].上海: 同濟大學出版社,2003.

[2] 姚建庚.直接驅動式電液伺服閥的開發與應用[J].液壓氣動與密封,2004(2): 6-10.

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

[4] 王旭平.動圈式永磁直線振動電機的研究[D].太原:太原理工大學,2003.

[5] 姚建庚.直接驅動式電液伺服閥的開發與應用[J].液壓氣動與密封,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

國家高技術研究發展計劃(863)計劃課題(2013A06A409)

武瑞兵

TM 302

A

1673-6540(2015)05-0038-04

2014-11-05