直線力電動機性能分析
蔡林1，善水1，肖哲2，袁峰2，王莉1
（1南京航空航天大學，江蘇南京210016；2南京機電液壓工程研究中心．江蘇南京210016）
摘要：分別利用有限元和等效磁路的分析法對直線力電動機特性進行分析，對比分析了電機磁場分布和輸出推力特性以及電感和磁鏈，并與實測結果進行了對比。分析得出了其相關的輸出性能并建立其數學模型，為電機優化設計和控制打下基礎。
關鍵詞：直線力電動機；等效磁路；有限元；輸出特性
中圖分類號：tm359.4 文獻標識碼：a 文章編號：1004-7018(2010)07-0035-03
o引 言
直線力電動機具有良好的靜、動態性能和控制特性，和閉環控制系統結合在一起，可實現精密的位置伺服控制。隨著小位移直線運動應用領域的增多，直線力電動機的需求不斷增加，其主要電液轉換機構應用于電液伺服作動器等高精度位置伺服控制場合。
對于直線電動機的建模方法，很多文獻都進行了研究，文獻[3-4]針對一種直線振動電動機進行了有限冗分析，并利用有限元仿真結果對電機進行支持向量機建模，但不能得到電機輸出特性同電機部件參數之間的關系，因此為電機的優化設計帶來困難，文獻[6-7]利用等效磁路法研究了直線電動機數學模型，但是只分析了電機的靜態輸出力，并未對線圈電感和運動反電勢進行深入分析，因此為電機動態模型的建立和控制帶來了不便。本文通過有限仿真觀察電機的磁通分布，利用等效磁路法分析了電機輸出力、線圈電感以及運動反電動勢同電機部件參數的解析表達式，并同有限元仿真結果和實驗測試結果進行了對比。為電機的優化設計以及動態模型的建立和控制打下了基礎。
1電機輸出特性的等效磁路法計算
如圖l所示，該直線力電動機可以在軸i向位移范圍內輸出數百牛頓的直線力。
永磁棒為氣隙磁場提供部分所需要的勵磁。當通入一種極性的電流后，一端的氣隙磁場通過同永磁體產生的磁場疊加得到增強，另一端的氣隙磁場則因為同永磁體產生的磁場相抵而減弱，根據機電能量轉換原理，電磁力會使銜鐵朝向使磁場儲能減小的方向運動，由此在銜鐵上產生軸向的推力。
在2d有限元仿真環境下觀察電機工作時的磁場和主要磁路分布，如圖2所示。
1 1 電機輸出力特性的分析
從圖2中看出，電機的磁通路徑主要由兩個永磁體經過導磁環、銜鐵、主氣隙和電機殼構成網路。另外有少量的漏磁通經過線圈和電機外蓋成回路。如將永磁體等效為一磁動勢源與恒定內磁阻相串聯的磁動勢源，將分布繞組等效為一集總磁動勢fp，忽略漏磁的影響時，根據仿真得到的電機磁通分布，可以得到電機等效的磁通路徑示意圖和磁路模型。如圖3、圖4所示。
忽略電機導磁體上的磁阻，圖中r1、r2對應銜．鐵到左右蓋的氣隙磁阻rp為永磁體等效磁阻，rt為電機外殼到導磁環之間的電機線圈的等效磁阻。它們可按下式進行近似計算：
其中，x為銜鐵偏離平衡位置的距離；δ為銜鐵在中心位置時的氣隙長度和隔磁套厚度之和sp、sx、lp、ls分別為永磁體和銜鐵的截面積和長度,rc和rp2分別為線圈和永磁體外徑；ld為兩永磁體之間的軸向間距。
對電機的等效磁路計算模型列寫方程得：
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