小型永磁直流直线电动机的设计

测试结果 3 直线电来自百度文库试验、
3.1 试验目的 测定直线电机主要设计参数： 线圈电阻； 力灵 敏度； 反电势系数； 电时间常数。 3.2 试验测试记录 电阻： R = 18.4 !。 电流、 力二者对应关系曲线如图 6 所示。 力灵敏度 （F / ） ， 由图 6 知 F/ 反电势系数 ：
［2］
4
结
论
Ft =
!F m ! m=O
其中： !F m 是电枢表面在相邻网格线 m 和 m + l 之间的增量， I 是表示右边界的最后网格线。 除推力外， 电机还产生一种不应有的磁拉力 （在电枢和磁场铁芯之间） 。细心调整电枢和磁场 的同心度， 可将此力减小到忽略不计的数值。
!2 !3 !4
[ 1 h = D[ h 1 h = D[ h 1 h = D[ h
则# $ =$ #a~ = 21 750 21 750 所以磁通相对值 # = #1 = = 0.32 r # 69 660 又根据公式： F = 0.8 kB1 = 288 " 288 F 所以磁势相对值： = 0.24 f= = A!c 1 200 式中磁势损失系数： k = 1.2。 则 A 点：A （#， ，A （0.32，0.24） f）
2 2 4 4 3 3
l
+
13 h3 12 hl 13 h3 h2 2 2 h !- 2 ! - h2
] ]
] ]
!
!"#
直流直线电机的结构形式及设计计算
直线电机的结构形式 对能在工程实际中应用的电机进行设计， 由
3
14 h4 14 h3 13 h3 + +（ h3 2 2 2 2 ! + h 4） （ ! - h 2） + 1l hl 14 h3 1l hl + + h4 2 h 2 !+ 4 ! + h4
图2
电机内部磁通密度网络计算图
用静态场的安培定律表示为： （ h 2 + h 4） J（ O h l + h 3） （l） 4 其中： J O 为 O 点电流密度。 !I 为磁路路径增量； 它可以表示为：
! H!I
=
图3
两极电机的下半部网络 OPOR 和 STUV
得到磁场分布后， 再把沿电枢长度方向上各 个力的增量都加起来， 就可得出电机所产生的推 力：
The Design of a Small Permanent Magnet （ DC）Motor Direct Current
WANG Zhi
（ Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130012，China）
于受到空间结构尺寸、 电机转子惯量及诸多因素 的限制， 直流直线电机考虑设计成圆柱形结构形 式。 电机转子由轻质工程塑料组成， 其外表面绕 上多层绕组形成电枢， 产生磁场的部件是压铸成 型的永磁磁钢， 固定于由低碳钢组成的定子的内 表面上， 这样在主磁磁钢与低磁钢芯轴之间建立 了磁通。这里不设电刷， 当电流直接通过转子电 枢接线点进入电枢， 正交地穿过气隙径向磁通时， 产生轴向推力。在装调电机时， 用特制芯轴来调 解转子与定子的同轴度， 消除附加产生的磁阻力。 圆柱形直流直线电机结构特点：
! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
文章编号：1006-2939 （2001） 04-0058-04
［1］ 蔡春源 . 新编机械设计手册 ［M］ 辽宁科学技 . 沈阳： 术出版社， 1993. ［2］ 扬黎明 . 机电一体化系统设计手册 ［M］ 国防 . 北京： 工业出版社， 1997.
= 4N / / m / s） ( N ) = 4 V（
E/U =
F
= 4 ：
电时间常数
［2］
L Te = R 式中： E 为反电势； U 为导线运动速度； F为 导线受力； 为导线中电流； L 为电感。
0 引
言
磁通， 该磁通扩展到磁极端部以外， 并通过周围的 自由空间闭合， 这部分磁通称为端部漏磁通。它 与电机电枢的直径和磁通扩展到磁极端部以外的 尺寸及参数有关。
随着精密跟踪技术的发展， 迫切需要一种适 应于小框架、 低惯量、 小范围运动转角 （ 1 20"） 运 动系统的驱动元件。原因在于大力矩低转速的电 机由于极数多、 直径大、 电刷多， 产生的摩擦力矩 和惯量大， 使控制系统成为严重的非线性， 很难实 施精密跟踪。因此， 需要设计一种能作有限位移， 只有线圈， 没有铁芯和整流子的直流直线电机。
它的相对去磁曲线近似直线， 如图 5 所示。 如选磁通密度 B1 = 1 000 则 #a~ = S m B1 = 14 500 由漏磁系数$ = 1.5
第4期
王
志：小型永磁直流直线电动机的设计
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导线总长：总 = 454 X 6.6 = 2 996 . 4 cm = 29.96 m 2.3.2 作用力计算
2
l l !O = D h（ 1 l h 4 + 1 2 h 2）+ h（ 1 2 h l + 1 3 h 3）+ l 2 l l （ 1 h + 1 4 h 4）+ （ 1 4 h 3 + 1 l h l）h3 3 2 h4 1l hl + 14 h3 12 hl + 12 h3 + （ 2 2 2 2 ! + h 4） （ ! - h 2）
第 22 卷 第 4 期 2001 年 12 月
吉 林 工 学 院 学 报 JOURNAL OF JILIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
Vol. 22 No. 4 Dec. 2001
!
小型永磁直流直线电动机的设计
王 志
130021）
（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春
磁钢长： l = 4.5 cm 磁钢厚度： I 1 = 0.4 cm 磁隙： " = 0.3 cm 转子线圈长： l* = 6 cm 直线电机结构如图 4 所示。
图 5 #-f 曲线
同理， 如选磁通密度 B2 = 1 500 Gs 和 B3 = 通 过 上 述 计 算 得： （ 0.48，0.36 ） ，C 2 000 Gs， B （0.64，0.48） 两点。 电流对应力数据曲线如图 6 所示， B 点在去 磁曲线内， 比较接近去磁曲线。考虑一定余量， 选 择 1 500 Gs 作为气隙工作磁通密度。
图6
电流对应力数据曲线
作用电磁力的计算
［1］ 2.3.1 导线长度计算 转子直径： D = 2.1 cm
一匝长： "l = D ! = 2.1 ! = 6.6 cm 取导线直径： （漆包线 d = 0.25 mm d = 0.3 mm） l = 142 d 四层圈数： 4 I 1 = 4 X 142 = 568 每层圈数： I1 = 4 4 有效作用圈数： X 4 I 1 = X 568 = 454 5 5
上述直流电机已作为精密跟踪系统中的小惯 量框架驱动元件， 它不仅摆脱了动子铁芯的机械 惯性， 且因采取适当的措施补偿了电感引起的电 流惯性。实验证明， 使用直流直线电机的系统比 使用力矩电机的系统跟踪精度提高了一个数量 级。此种直流直线电动机经过适当改造， 还可用 于记录仪中笔的纵横走向的驱动和电表实验中探 测头的驱动等其它一些微小系统的驱动。 参考文献：
I -l
Jl hl h4 + J2 hl h2 + J3 h2 h3 + J4 h3 h4 （2） JO = （ h l + h 3） （ h 2 + h 4） 将所有四个区域的积分代入式 （2） ， 则在 O 点矢量 磁位可由 AO 表示为： l （3） AO = （ JO + Al !l + A2 !2 + A3 !3 + A4 !4） rO 其中： 1l h4 12 h2 2 1O hl 12 hl !l = D h + h + （ 2 2 2 2 ! + h 4） （ ! - h 2） l l
不在边界上的每一结点的矢量磁位可由式 （3） 算出， 因为电流密度和磁阻率是已知的， 故对 每结点来说， 可以计算出 J O 和 r O ， …， rl， r 4 的数 值， 并把它们代入式 （3） ， 利用迭代方法， 连续修正 矢量磁位。直至式 （ 3） 在各结点满足所允许的准 确度为止。利用黎曼外推方法， 能很快得到收敛； 利用此种方法， 可算出双极电机在电枢激磁的电 枢表面径向磁通密度的分布。
摘
要：以电机内部磁场网络划分理论为基础， 分析了典型直流直线电机磁通密度分布。以场的分析理论为
指导， 对一种小型永磁磁钢直流直线电机进行了设计计算。列出了这种小型永磁磁钢直流直线电机的详细计 算公式， 对设计结果进行了实际参数测试。 关键词：磁场网络；永磁直线电机 中图分类号：TM359.4 文献标识码：A
[
]
2 D = （ h l + h 3） （ h 2 + h 4） 以两极电机为例， 图 3 表示网络及下半部边 界， 其中 BD 表示电枢轴， 而 AB ， CD 和 AC 是远处 边界。
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院
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（1） 气隙均匀， 消除了电枢和磁极部分之间的 吸力。 （2） 电机转子惯量很小， 可完全适应小惯量框 架转动要求。 （3） 永磁磁钢简化了电机结构， 减小整个电机 尺寸。 （4） 由于没有电刷， 完全消除了因电刷产生的 摩擦力矩。 !"! 直线电机设计计算 2.2.1 永磁磁钢选择与计算 根据空间允许的尺寸选择磁钢如下： 一极磁钢弧长： T= 2.5 ! - 0.7 = 3.225 2
图4
直线电机结构简图
2.2.2 磁钢面积：
气隙磁通密度选择 S m = T ・ l = 14.5
基准磁通：
#r = B r S m = 69 660 基准磁势：
A!c = 0.8 I 1 H c = 1 200 采用磁钢： 其参数： ~GFOCB， B r =（4 800 ~ 5 300）X 10 - 4 H c =（3 750 ~ 4 000）X （ BH ） max 103 4 ! =（5.5 ~ 4.5）X 106 !"#
［1］
3.3
电机测试结果 由图 6 可看出力与电流成线性关系。测得各
F = B = 1 500 X 29.96 X 1 X 10-4 = 4.6 N = 0.47 kg 即每安培产生近 0.47 kg 的作用力。 式中： B 为磁通密度； 为导线长； 为导线 中流通电流。
参数值见表 1。
表1 参数 数值 电阻 18.4 ! 参数值表 反电势系数 4 V（ / m / s） 电时间常数 3.73 力灵敏度 4 N/ A
1 直流直线电机的结构和运动原理
1.1 直流直线电动机的结构 直流直线电动机的结构是能够让处于磁场中 的电枢载流导体产生输出推力和位移。一般的直 流直线电机， 实质上与旋转的单级电机一样， 在用 低碳钢做圆柱铁芯的外表面， 绕上单层绕组， 以形 成电枢。它是由两个匝数一样， 而绕向相反的线 圈组成， 整个绕组经浸漆处理， 得到一个无电刷 （无换向器） 的电机结构， 产生磁场的部件是由低 磁钢外壳和两个端板， 并在其中放上圆柱形激磁 绕组组成， 电枢插入磁场的内孔。当激磁绕组有 电流时， 在电枢铁芯里产生了主磁通， 它通过气 隙、 极靴、 端板以及外壳构成了回路， 如图 1 所示。 气隙磁通的径向分量与电枢电流相互作用， 在每 个极上产生了单方向的轴向力。 1.2 端漏磁通 当磁场绕组被激磁时， 在电枢内建立了轴向
!
图1
励磁回路示意图
1.3
电机内部磁通密度的分布 对于圆柱型的直线电机， 可采用圆柱坐标进
行二维场的分析， 利用有限差分近似法对其进行 数值解。将需要求解的磁场分布区域用垂直与水 平网格线细分， 使网络线和各种几何边界互相一 致。倾斜的极靴是用阶梯网状格来作近似的考 虑， 电流密度和磁阻率的图形是通过确定该场内 各点的电流密度和磁阻率的数值后而作出的。每 个节点上的质量磁位都能计算出来。图 2 是格距
收稿日期：2001-07-06 作者简介：王 志 （1963 ） ， 男，吉林长春人， 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所工程师， 主要从事精密仪 器设计及光学仪器工程项目的研制工作 .
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志：小型永磁直流直线电动机的设计
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不等的普通网络， 它包括电流密度和磁阻率不同 的四个区域， 图中实线表示边界。