新型双动子直线振荡电动机

第29卷第36期中国电机工程学报V ol.29 No.36 Dec.25, 20092009年12月25日 Proceedings of the CSEE ©2009 Chin.Soc.for Elec.Eng. 67 文章编号：0258-8013 (2009) 36-0067-06 中图分类号：TM 359 文献标志码：A 学科分类号：470⋅40新型双动子直线振荡电动机谢洁飞，李新华，袁茂强(中南林业科技大学机电工程学院，湖南省长沙市 410004)A Novel Linear Oscillatory Motor With Two Divided Moving BodyXIE Jie-fei, LI Xin-hua, YUAN Mao-qiang(School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University of Forestry & Technology,Changsha 410004, Hunan Province, China)ABSTRACT: A new-type linear oscillatory motor with two divided moving body was presented on the basis of linear air-conditioner compressor research and development. This motor was mainly driven by single-phase AC power with features of compact configuration, bigger thrust force, long stroke, high efficiency, similar way of iron core folding with the popular rotary motors, and simple manufacture process. Based on established mathematical model using equivalent magnetic circuit method and the finite element model, the magnetic driven force was obtained. The dynamic performance at no-load and nonlinear gas load was analyzed and simulated. Prototype experiment was conducted to verify the analysis result. Those works provide theory foundation for its design, development, and engineering application.KEY WORDS: line drive technology; linear oscillatory motor; two divided moving body; equivalent magnetic circuit method; dynamic performance摘要：在研究国内外动磁式直线振荡电动机结构和原理的基础上，提出一种新型双动子直线振荡电动机。

这种新型结构的直线振荡电动机主要由单相交流电源驱动，具有结构简单紧凑、推力大、行程长、效率高、铁心叠装方式与普通旋转电机叠装方式相同、加工制造容易等特点。

针对直线振荡电动机的运行特点，建立基于等效磁路法的电磁场数学模型和有限元模型，推导电磁推力的计算表达式，并对空载以及非线性气体负载作用下的动力学特性进行了分析和数值模拟，理论计算结果与样机实验结果相符，为这种新型直线振荡电动机的设计、开发以及工程应用奠定了理论基础。

关键词：直线驱动技术；直线振荡电动机；双动子；等效磁路法；动力学特性0 引言随着现代电力电子技术、直线驱动技术、以及基金项目：湖南省自然科学基金资助项目(09JJ6075)。

高性能永磁材料的发展，直线振荡电动机发展迅速，直线振荡电动机具有结构紧凑、振动小、噪声低、功率密度高等特点，已在冰箱、空调压缩机、斯特林制冷机等产品中获得了广泛应用[1-5]。

韩国LG公司率先将动磁式直线振荡电动机成功应用于空调制冷压缩机中[6]，大幅度提高了压缩机的效率和能效比。

但是，这种电动机内外定子铁心叠装工艺困难，特别是内定子铁心硅钢片必须沿圆周方向径向排列呈圆柱状，内紧外松，且漏磁比较严重[3]。

近几年，国内也相继开展了动磁式直线振荡电动机的研究[7-12]，取得了很多研究成果，但其中多属于小功率直线振荡电动机理论和样机试验研究，对于大功率直线振荡电动机理论和工程应用研究尚未涉及。

本文在综合分析国内外典型动磁式直线振荡电动机结构和原理的基础上，设计了一种基于横向磁通电机原理工作的新型双动子直线振荡电动机。

针对该电动机的运行特点，建立基于等效磁路法的电磁场数学模型和有限元模型，推导电磁推力的计算表达式，并对空载以及非线性气体负载作用下的动力学特性进行了分析和数值模拟。

1 电动机结构与工作原理双动子直线振荡电动机由1个定子和2个动子组成，定子和动子都是由硅钢片沿轴向叠压而成的同心圆柱状铁心。

定子每个齿上的线圈相互串连，通电时，线圈绕组在定子齿上产生N-S交替磁极。

定子每个磁极分别与轴向分布的2个动子磁极相对应，且这两个动子磁极上固定的永磁体径向充磁方向相反，如图1所示。

同一个动子沿圆周方向固定的永久磁铁径向充磁方向N-S级交替分布，如图268 中 国 电 机 工 程 学 报 第29卷所示。

2个动子同心串联并固定在一根作直线往复运动的轴上，相互之间通过隔板隔开一段距离，电动机两端的直线轴承用以维持气隙恒定。

这种新型直线振荡电动机工作磁场由永久磁铁产生的恒定磁场与励磁线圈产生的交变磁场两部分组成，具有很强的可控性。

工作磁场产生的电磁力具有磁阻性质，遵循“磁阻最小原理”，即磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合[3]，因磁场扭曲而产生磁拉力，周期性地改变定子上绕组线圈电流方向，在2个动子上就能产生周期性磁拉力，进而推动负载作周期性往复运动。

8 9 10111 2 3 4 5 6 71—弹簧；2—弹簧座；3—隔圈；4—定子；5—绕组线圈； 6—动子上铁心；7—动子上永磁体；8—动子；9—机壳；10—直线运动轴；11—直线轴承。

图1 直线振荡电动机轴向结构剖面图 Fig. 1 Axial structure section of the linear oscillatory motor3421 NNN S S +S SSN N N S1—定子铁心；2—绕组线圈；3—动子铁心；4—永磁体。

图2 直线振荡电动机磁极分布图Fig. 2 Pole distribution of the linear oscillatory motor2 数学模型2.1 等效磁路模型采用等效磁路法[13-16]建立直线振荡电动机电磁场模型，并假设定子与动子铁心的磁阻、磁滞和涡流，永磁体的漏磁，以及温度对磁铁材料的影响可以忽略不计。

设等效磁路图中定子单个磁极绕组线圈磁通为Φ，2个动子上的永磁体磁通分别为Φ1与Φ2，定子磁极与左右永磁体相对应气隙的磁阻分别R 1与R 2，2个动子上的永磁体与定子磁极相对应部分的磁阻分别为R m1与R m2，单个绕组线圈电动势为F L ，单个永磁体磁动势为F m 。

考虑双动子直线振荡电动机的结构具有对称性，其等效磁路也具有对称性，故其等效磁路可以取其中相邻2个定子磁极所在的一个闭合等效磁路进行表示，如图3所示。

ΦΦΦ1/21/21/2图3 直线振荡电动机等效磁路图 Fig. 3 Equivalent magnetic circuit ofthe linear oscillatory motor设电动机单个定子磁极宽度为a ，2个动子上每块方形永磁体宽度与定子磁极宽度相同，长度为b ，充磁厚度为h m ，2个动子磁极之间的隔板厚度为h b ，定子磁极轴向厚度为b +h b ，如图4所示。

b /2b /2 气隙隔板bbb −h b h m(a) 轴向剖面图a定子动子(b) 横向剖面图图4 电动机主要结构几何尺寸关系示意图Fig. 4 Main structure geometric dimensions sketch ofthe linear oscillatory motor以动子平衡位置为坐标原点，则动子沿轴向方向运动x 时，气隙磁阻与永磁体磁阻分别为10(/2)gR a b x μ=+ (1) 20(/2)gR a b x μ=− (2)mm10r (/2)h R a b x μμ=+ (3)mm20r (/2)h R a b x μμ=− (4)根据磁路欧姆定律，可列出磁路方程组：L m 1m11L m 2m2212()(F F R R F F R R ΦΦΦΦΦ+=+⎧⎪−=+⎨⎪=+⎩) (5)第36期 谢洁飞等：新型双动子直线振荡电动机 69求解方程组(5)，可得0L m 1m r [()(/2)](/)a F Fb x g h μΦμ++=+ (6)0L m 2m r [()(/2)](/)a F F b x g h μΦμ−−=+ (7)0L m m r (2(/)abF F x g h )μΦμ=++ (8)根据式(6)~(8)可推导出定子线圈磁链： 200m r m r 2(/)(/nN ab nN aF i x g h g h μμψμμ=+++m)(9)式中：N 为定子单个磁极上绕组线圈匝数；g 为气隙厚度；μ0为空气磁导率；μr 为永磁体材料相对磁导率；n 为定子磁极数目；i 为绕组线圈瞬时 电流。

根据式(9)，定子线圈自感可表示为20m r (/n abN L g h μ)μ=+ (10) 进一步可推导出电动机磁共能：2220m 0mm m r m r ()22(/)(/)n ab F N i n aNF W g h g h μμμμ+=+++ix (11)根据磁共能原理，电动机电磁推力为 0m m e m r const2(,)()(/i naNF W i x F t i x g h μ)μ=∂==∂+ (12) 式(12)中令00m r 2(/naNF K g h m)μμ=+，K 0为电动机推力常数。

在往复运动过程中，由于结构具有对称性，2个动子上与同一定子磁极相对应的2个永磁体磁感应强度变化相反，平均磁感应强度可表示为0m 12m r 1[]2(/2)(/2)(/)F B a b x a b x g h μΦΦμ=−=+−+(13)式(13)表明，在动子往复运动过程中，永磁体平均磁感应强度只与永磁体和气隙有关，与定子绕组线圈无关，其大小称为永磁体平均工作点。