直線電機在變加速加載系統中的應用

張葆青 邵文普

（中國工程物理研究院流體物理研究所，綿陽 621000）

研究物質在變加速運動中的物理狀態是科學研究中的典型問題。例如，通過液滴在變加速高速運動過程中的破碎、霧化等現象，研究氣液界面的失穩和多相流體的湍流混合，在超音速雨滴侵蝕、激波拋灑、超燃沖壓發動機燃燒穩定性、多相混合物的燃燒和爆炸以及液體霧化等等方面具有重要應用[1-4]。

研究該物理過程需要使液滴處于一種能夠實現加速度瞬時改變的高速運動裝置。該裝置要求負載為10 kg的條件下，加速度能夠維持不低于5g的加速度，且能瞬時切換為加速度為-5g的減速運動。由于空間的限制，該裝置的行程位移不得超過1.5 m。現有機械裝備中，暫未找到能夠完成該過程的裝置。本文利用直線電機作為驅動源，實現了滿載條件下從靜止勻加速到最大速度，再以恒定的加速度從最大速度保持勻減速運動直至靜止。

1 變加速加載系統運動分析

為了給實驗研究對象創造氣液界面失穩的臨界物理狀態，需要在有限的空間范圍內實現較大的加速度，以完成從靜止開始的先加速再減速的運動狀態。變加速加載系統要求能夠用于負載質量為10 kg的物體，實現在特定方向上先勻加速后勻減速的運動方式，使實驗對象處在勻加速度條件下從靜止加速到最大速度、再勻減速到零的狀態。根據實驗需求，實驗加載方向可以在豎直向下方向（0°）和30°傾角范圍內的任意角度之間調整。運動過程中的最大加速度數值不低于5g。

現有市面上用于直線往復運動的驅動方式主要有“旋轉電機+滾珠絲杠”和直線電機兩種。如表1所示，直線電機的優勢在于精度高、加速度高、動態響應好、可實現快速啟停、調速范圍廣，劣勢僅在于價格高昂。“旋轉電機+滾珠絲杠”的優勢在于成本低，但其在動態響應等方面均較落后。對于該變加速加載系統而言，“旋轉伺服電機+滾珠絲杠”明顯無法滿足其5g加速度的運動規律要求，只能采用直線電機作為驅動方式。直線電機無齒槽效應，易于保持運動穩定、高精度、高速度以及高響應。

表1 旋轉電機和直線電機驅動方式對比

2 直線電機的選配

結合該系統的高速、高響應、高精度的運動要求，選擇市場上常用的泰科貝爾LMU40-129型直線電機。該電機的主要參數如表2所示。

表2 LMU40-129型直線電機選型

根據工況分析，運動軌跡為豎直方向時，負載的重力方向和電機的驅動力方向夾角為180°。此時，所需的直線電機負荷最大，因此選擇該狀態對系統進行運動學分析。

運動部件過程中的運動學方程為：

式中，vmax代表運動過程中的最大速度，v0代表運動過程中的最小速度，a代表運動過程中的加速度，s代表運動部件減速過程的位移，L代表裝置導軌的有效長度。

對減速過程的運動部件進行動力學分析，在不考慮摩擦阻力的情況下，根據牛頓第二定律，有[5]：

式中，F代表減速過程中直線電機提供的驅動力，m代表運動部件的質量，g代表重力加速度，a代表減速過程中的加速度。

由于實際運動過程中的運動部件會受到摩擦阻力和空氣阻力，在考慮動力冗余的基礎上，設定直線電機的安全系數S=3。于是，可由式（4）計算直線電機所需的驅動力大小F驅：

計算得出vmax=2.89 m·s-1，F驅=1 950 N。考慮直線電機的速度儲備，根據表1選擇LMU-40-12-12B型直線電機。

根據相關技術要求，該電機搭配HIWIN牌EGH20CA 2R1500Z0型導軌、BOGEN牌IKS9.1-Z2.50P2V5D1R1F1000 T2L3C3E1讀數頭、BOGEN牌LMS-12-W10-A20-K磁柵、高創牌CDHD-0132AEG2驅動器以及THK牌SH25-系列高精度導軌，完成該系統的搭建。

完成該實驗裝置的生產后，對所選的驅動電機進行功能檢測，檢測結果如圖1所示。圖1中曲線分別為實驗裝置運動速度的理論值、運動速度的實測值和為實驗裝置加速度的實測值。由于負載箱體的加速過程（指加速度從0加速至5g的過程）、變速過程（指加速度從5g減速至-5g的過程）和減速過程（指加速度從-5g變至0的過程）應盡可能短，且加速度維持在5g（重力加速度）以上的誤差為10%，即最大加速度不超過5.5g。因此，運動裝置的加速度理想曲線為方波曲線。可見，裝置的加速度曲線較為合理。同時，運動速度的實測值和理論值擬合較好，表明該型直線電機能滿足運動規律要求。變加速加載試驗裝置，如圖2所示。

圖1 直線電機功能測試結果

圖2 變加速加載試驗裝置

3 結論

（1）對比直線電機和傳統旋轉電機的優劣，介紹直線電機獨特優勢和主要的應用場合。

（2）分析變加速加載系統的運動關系，通過運動學和動力學分析計算，選擇LMU-40-12-12B型直線電機。通過直線電機在變加速加載系統的應用，完成了高速往復運動裝置的研制，能夠實現在1.5 m的行程長度內由靜止以5g加速度加速到最大速度，再以-5g的加速度減速到靜止的運動方式。

該變加速加載系統的研制成功有助于氣液界面的失穩和多相流體的湍流混合問題的研究，創造了直線電機在新領域的應用，對相關行業具有一定的參考意義。