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一種微小型永磁直流直線電動機

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.myanmarbdc.com瀏覽數:108690

一種微小型永磁直流直線電動機

   摘要:介紹了一種微小型永磁直流直線電動機的結構,優化了結構參數,加工出樣機并進行了試驗分析。在尺寸(φ10×15 mm)所限下,該結構使用多個長方體永磁塊拼接來近似逼近全徑向磁化管形磁鐵,利用Maxwell 9.0進行了氣隙和磁鐵厚度等結構參數的有限元優化設計,利用微加工技術制作的樣機對其驅動力進行了試驗分析,結果表明該微小型直流直線電動機驅動力可以達0.7 N,可以應用在空間狹小的驅動場合。

1引  言

   在微小空間進行作業的行走機構,如工業細小管道、人體消化道的檢測機器人等,要求機構尺寸在10~15 mm之間,這對驅動技術提出了新的要求,即尺寸小、驅動力大、控制方便可靠。微型旋轉電機受尺寸的限制,加上將旋轉運動變為直線運動的中間機構也占有一定空間,因此將外形尺寸控制在φ10 mm以下比較困難。壓電驅動器行程較短,一般都是在μm量級,存在如何將位移進行放大的問題,而且驅動力很難控制。形狀記憶合金驅動器由于記憶合金的加熱變形一冷卻回復的時間較長。因此速度較慢。直線電動機是近年來出現的一種新型驅動技術,它將電能直接轉換為直線運動機械能,而不要運動轉換的中間機構.因此結構尺寸上有望進一步減小。直線電動機種類繁多,其中永磁直流直線電動機由永磁勵磁,結構簡單,控制方便,但是從現有的產品來說,沒有直徑在10 mm以

下的圓桶形電機。尺寸的限制對于獲取較大的輸出力是極為不利的,為此必須采用合理的磁路結構,漏磁盡可能小,線圈盡可能充分利用,采用全徑向磁化的管形磁鐵可以做到這一點,但是尺寸微小的全徑向磁化管形磁鐵的充磁在技術上存在一定的困難。本文介紹的一種結構可以彌補上述不足,在此基礎上,對結構參數進行了有限元優化并制造出了樣機。

2電機結構

   圖1a為陔電機的結構示意圖。永磁塊產生的磁場通過導磁筒、左端蓋(右端蓋)、鐵心、空氣隙閉合,在空氣隙中產生近似徑向輻射方向的磁場,處于其中的線圈繞組通直流電時,在電磁力作用下線圈繞組沿鐵心向一端運動,反向通電則向另外一端運動。運動和力通過動子骨架的輸出板輸出到電機外部。圖lb為永磁塊在導磁筒中的安裝示意圖,所有永磁塊均勻鑲嵌在導磁筒的槽內,形成正八邊形來近似逼近全徑向充磁的管形永磁體。

   圖1  電機的結構及永磁體安裝示意圖

3有限元分析

   氣隙磁場是永磁提供的磁場和繞組磁場的疊加,而且氣隙厚度相對于磁體的尺寸來說在一個數量級上,因此用傳統的磁路理論來計算永磁電機,準確到5%已屬不易,計算精度很差,但是數值計算方法就可以達到較高的精度。有限元分析是一種比較成熟的數值汁算方法,有種類繁多的商用軟件出售,其中MaxWell是美國Anso公司推出的具有較強計算能力的軟件。

3.1磁場形態分布的汁算

   為看清楚該結構的磁通密度B線分布情況,在MaxWell 9.O 3D上進行建模分析,所建的模型如圖

    圖2在R一z平面內建立的分析模型

   模型中隱藏了其中一個端蓋??諝獾拇艑屎驼婵蘸芙咏?,所以周圍環境指定為真空.永磁體使用釹鐵硼永磁材料,除線圈為銅外,其他零件材料均為電工純鐵。

   圖3為磁通密度B線矢量分布圖,箭頭所指為B的方向,箭頭線長短表示B的大小。其中,圖3a為縱向中切面(經過軸線的平面)上的磁力線分布,由圖可以看出,永磁塊發出的磁力線一路經過導磁筒、右端蓋、鐵心、氣隙后回到永磁塊形成閉合磁路,另外…路與其對稱。B線在空氣隙中的兩端有稍微的傾斜,在中間的大部分空間上是沿徑向的,而且呈現出中間較強兩端較弱的分布。圖3b為橫向中切面(和軸線垂直并位于軸線中點的平面)上的磁力線分布,由圖中可以看出,磁力線經過空氣隙總體方向朝外,并非呈完全的輻射狀,說明這種近似和全徑向還足有一定差別的。

圖3磁通密度B線矢量分布圖

3.2電機結構參數的優化

   本結構的各種結構參數如圖4所示。如果根據工作空間要求電機的半徑R和長度L給定,要確定出合理的電機結構參數包括導磁筒壁厚d、永磁體厚度h、空氣隙厚度δ以及鐵心半徑r,目的是得到最大驅動力F。

 圖4電機的結構參數

   顯然,在加載電流一定的條件下增加永磁塊的體積、增大線圈繞組的匝數可以增大驅動力,因此對于導磁筒壁厚d來說應該是盡可能小,這樣可以有更多的空間留給永磁塊和繞組,但是作為電機的支撐結構還要保證其有一定的剛度,避免變形,另一方面應避免材料的飽和磁化。使用電工純鐵加工該零件,最小厚度d取0.4 mm,可以保證剛度。釹鐵硼永磁材料質硬難以加工,而且一般的加工方法會使其喪失磁性,因此使用市場上可以買到的成品,其厚度,h可以選定。

   由以上可知,空氣隙厚度δ和鐵心半徑r之和為常數,因此確定其中之一即可。對于空氣隙來說,如果其偏大則在其間形成的磁場可能很弱,但是可以放置較多匝數的線圈,反之亦然,這兩者對于增大驅動力F來說是一對矛盾的因素,需要確定合適的氣隙厚度δ。改變空氣隙厚度,使用Maxwell9.0計算驅動力,結果如圖5所示,空氣隙厚度為1.1 mm附近得到最大電磁驅動力,因此將空氣隙厚度確定為此值

    圖5驅動力和空氣隙厚度的關系

4樣機及試驗分析

   使用精密加工技術加工出的直線電動機樣機如圖6所示,樣機外形為圓柱形,規格為φ11 mm×15mm。導磁筒內側可以鑲嵌永磁塊,排列成正多邊形。在動子骨架上使用手工繞制線徑φ0.07 mm的漆包線來制作線圈繞組,同時在動子骨架上加工一些小的結構以方便力和導線的輸出。

 圖6微小直線電動機的樣機

4 1電機驅動力和電流的關系

   對樣機施加不同的電流測量電機的輸出驅動力,得到電機驅動力和電流的實驗曲線如圖7所示。在不同的加載電流下對模型進行有限元分析,得到電機驅動力的汁算值,其和電流的關系如圖7所示。兩者對比可以看到,驅動力和電流基本上是呈線性變化的,但是由于實驗測得的驅動力受到線圈骨架和鐵心之間的摩擦力和粘滯力的影響,比相應電流水平下的計算值要偏小。

    圖7電機驅動力和電流的關系

4 .2驅動力在線圈繞組行程上的變化

   在0.08 A和0.06 A的電流水平下,使線圈繞組保持在其行程的不同位置測量電機的輸出驅動力,得到如圖8所示的曲線,從圖中可以看出,在不同的位置驅動力是有差別的,但基本上是平衡在某一個值附近。

    圖8驅動力和位移的關系

4 .3電機溫升試驗

   利用線圈的電阻在溫度升高后相應升高的關系來確定線圈的溫度。首先測量冷卻時線圈的電阻Re=28.0 Ω,當前室溫Te=24.5℃,通電30 min,斷電后測量線圈電阻。采用外推法求取斷電瞬問線圈的電阻,即斷電后每隔固定時間測量一次,在電阻一時間坐標系中描點連線,其延長線與電阻坐標軸的交點即為斷電瞬間的熱態電阻Rθ=31.7 Ω,如圖9所示。最后利用下式計算溫升:

式中:Tr一試驗結束時冷卻介質的溫度(℃);

     Te一實際冷卻狀態時線圈的溫度(℃);

      k一常數(k銅=235)。

   在自然風冷下,上式中的Te一Tr是對環境溫度波動的修正,忽略該項,得線圈溫度θ=55.6℃。在大多數應用中,該溫度可以接受。

    圖9斷電瞬間熱態電阻Rθ的外推法測量

5結論

   本文介紹的微小圓筒型永磁直流直線電動機,利用拼接的正八邊形永磁體近似替代全徑向充磁的管形磁鐵,3D有限元參數優化的結果表明這種結構磁力線分布合理,漏磁少,在氣隙厚度為l.1 mm時可以獲得較大的驅動輸出力,驅動力和電流呈線性關系,并且在線圈繞組不同位移處有所差別,在電流強度0.15 A以下電機溫度不會超過55℃:

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