新型雙定子直線振蕩電機特性分析
于明湖，葉云岳，夏永明，張玉秋
(1浙江大學，浙江杭州310027； 2．浙江理工大學，浙江杭州310000)
摘要：新型雙定子動磁式直線振蕩電機具有結構簡單、效率高，鐵心疊裝方式簡單等優點。文章介紹了所研制的此新型雙定子直線振蕩電機的本體結構，并在此基礎上對其進行了數學建模。對于其磁路模型，動力學模型以及驅動電路模型進行了求解，揭示了電機及驅動系統各個參數對于電機性能的影響，為下一步的電機優化設計以及控制系統設計奠定了基礎。
關鍵詞：雙定子；直線振蕩電機；優化設計；數學建模
1介紹
在實際應用中，我們常常需要些高頻往復運動的驅動機構。以往這種驅動機構往往是通過旋轉電機加曲柄連軸等中間轉換機構獲得的。這種方式由于中間轉換機構的存在加大了傳動損耗使得效率較低，并且噪聲大，壽命短。而直線振蕩電機可直接產生高頻往復運動[1]，無需中間轉換機構，簡化了機械結構，效率較高。因此，直線振蕩電機特別是最近幾十年隨著永磁材料發展起來的永磁直線振蕩電機成為發展趨勢。而對于直線振蕩電機的結構而言，由于動圈式以及動鐵式結構均存在難以克服的缺點，因此日前研究熱點在于動磁式結構。但目前已提出的許多結構均存在各種問題，例如效率不高，裝配難度大等缺點。本文針對已存在電機結構的問題，在吸取已存在電機結構優點的基礎上介紹了一種新型雙定子直線振蕩電機結構，此電機采用了反向磁通電機的運行原理。具有普通旋轉電機的定子結構，鐵心疊裝簡單，裝配難度小，降低了加工成本目．具有已投入實用的LG電機的高效率等優點
本文首先針對電機結構的特點，建立了其機電系統模型，通過對其以及后面機電系統模型的分析揭示了電機及驅動系統參數對于電機性能以及運動特性的影啊。由于彈簧的使用，此雙定子直線振蕩電機構成了一個受迫振動系統。而眾所周知，電機供電電路本身也構成了一個類似的二階系統，從控制原理來講，兩者的傳遞函數是相同的，因此可將機電兩套系統進行類比分析。本文將機械與電路系統兩個二階函數進行了綜合分析并進行了理論推導。此分析結果為對進一步的此電機無位置傳感器控制算法設計以及電機的進一步優化設計奠定了基礎。
2雙定子直線振蕩電機本體結構及磁路建模
2 1雙定子直線振蕩電機本體結構
如圖1所示，電機包含兩個旋轉電機定子鐵心，定子鐵心之間相隔一段距離，沿軸向同心排列。定子由機殼、定子擋板及電機端板固定。電機端板上裝有直線軸承，動子通過直線軸在直線軸承的支撐下左右移動。動子兩側裝有共振彈簧。
如圖2所示，動子鐵心由硅鋼片疊裝而成，表面沿圓周等間隔安裝6塊永磁體，每個永磁體
的外圓周面與電機定子齒一一相對，定子采用用集中式繞組。從端面來看，此電機結構類同于集中繞組式永磁旋轉電機。當一端通入交變電流后，由于磁阻力的作用易產生旋轉運動。而采用了繞組繞向相反的兩個定子后，產生的旋轉力方向相反，旋轉力相互抵消。雙定子直線振蕩電機采用了繞組繞向相反的兩個定子，當繞組通入電流后，兩定子對應的磁極極性均相反，因此必然對于動子一側產生增磁，一側產生弱磁效應。從而使得動子往增磁一側運動，當通入交變電流后，動子跟隨電流同頻運動，因此此電機屬于永磁同步電機范疇。而由于雙定子繞組繞向相反，總電感在動子運動過程中不變，因此，動子是在電磁力作用下往復運動。
2 2雙定予直線振蕩電機電磁推力解析推導
由磁共能理論，電機電磁推力等于繞組電流保持恒定情況下，磁共能對位移的偏導，即：
由文獻[2]推導可知，雙定子直線振蕩電機電磁力的表達式為：
因此可知，雙定子電機每單位電流產生電磁推力的大小與氣隙磁密Bg，每齒繞組匝數Nw，定子齒數N1以及永磁體寬度Wpm成正比。適當的設計各個參數的大小可獲得較大的能效比。
3雙定子直線振蕩電機機電系統建模
由于彈簧的使用，直線振蕩電機系統構成了一個受迫振動系統。根據機械原理可知，其機械動力學模型可由F式表示：
m·a+c·v+k·x=F
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