一种微小型永磁直流直线电机

第10卷　第1期2006年1月

电　机　与　控　制　学　报

EL EC TR IC MACH I N ES AND CON TROL

Vol 110No 11Jan .2006

一种微小型永磁直流直线电机

王坤东,　颜国正

(上海交通大学电信与电气工程学院820所,上海200030)

摘　要:针对永磁直流直线电机的微型化问题,提出了近似拼接的设计方案,优化了结构参数,并

加工出样机进行了试验。在尺寸所限下,该电机使用多个长方体永磁块拼接的正八边形来近似逼近全径向磁化管形磁铁励磁。利用有限元分析软件Max W ell910优化了气隙和磁铁厚度等结构参数。对样机进行了试验分析,结果表明电机驱动力和电流呈线性关系,在整个行程中,输出力均匀,驱动力在电流01004A 时可达0172N,线圈温度在5516°C 。关键词:微小型;永磁;直线电机;有限元优化

中图分类号:T M351

文献标识码:A

文章编号:1007-449X (2006)01-0070-04

A m i n i a ture per manent magnet li n ear DC motor

WANG Kun 2dong,　Y AN Guo 2zheng

(School of Electrical and I nf or mati on Eng .,Shanghai J iaot ong Univ .,Shanghai 200030,China )

Abstract:This paper p resented a method based on j ointed per manents for m iniature of DC linear mot or .Structural para meters were op ti m ized .Pr ot otype was manufactured t o make s ome experi m ents .Under the constraint of m icr o di m ensi on,several rectangular per manent magnets were j oined t o be octagon,whose field app r oaches the filed of tube 2shaped per manent magnetized at radial directi on .Based on the FEA s oft w are Max W ell 910,the structural para meters such as dep th of air gap and per manent magnet were op 2ti m ized .The characters of mot or are analyzed thr ough experi m ents .Research de monstrates that driving f orce is p r oporti onal with the current,and driving force is stable in the whole str oke,and driving force reaches 0172N when the current strength is 01004A ,and the te mperature of coil rises t o 5516°C .Key words:m iniature;per manent;linear mot or;FE op ti m is m

收稿日期:2004-10-21;修订日期:2005-06-15

基金项目:国家高技术研究发展计划(863)资助项目(2001AA422210)

作者简介:王坤东(1978-),男,博士研究生,研究方向为微型特种机器人;

颜国正(1960-),男,博士后、教授、博士生导师,研究方向为特种机器人、仿生机械。

1　引　言

在微小空间进行作业的行走机构,如工业细小管道或人体消化道的检测机器人等,要求直径在10～15mm 之间,同时对驱动技术也提出了新的要求,

如驱动力大、控制方便、可靠等[1,2]

。微型旋转电机受尺寸的限制,加上将旋转运动变为直线运动的中间机构也占有一定空间,因此将外形尺寸控制在直径为10mm 以下比较困难

[3]

。压电驱动器行程较

短,一般都是在μm 量级,存在如何将位移进行放大

的问题,而且驱动力很难控制[4]

。形状记忆合金驱动器由于记忆合金的加热变形—冷却回复的时间较

长,因此速度较慢[5]

。直线电机是近年来出现的一种新型驱动技术,它将电能直接转换为直线运动的机械能,不需要运动转换的中间机构,因此结构尺寸上能够进一步减小。直线电机种类繁多,其中永磁直流直线电机由永磁励磁,结构简单,控制方便。从现有的产品看,还没有出现直径在10mm 以下的圆

桶形直流直线电机[6]

。尺寸的限制对于获取较大

的输出力是极为不利的,为此必须采用合理的磁路结构,即漏磁尽可能小,线圈尽可能充分利用。采用全径向磁化的管形磁铁可以做到这一点,但是尺寸微小的管形磁铁在全径向充磁时存在技术困难。本文提出了一种新的结构可弥补上述不足,并对结构参数进行了有限元优化,制造出了样机。

2　电机结构

图1(a )为该电机的结构示意图。在该结构中,

永磁块4产生的磁通经过导磁筒5、左端盖2(右端盖6)、铁心7、空气隙闭合。在空气隙中产生近似径向辐射方向的磁场,处于其中的线圈绕组3通直流电时,在电磁力作用下线圈绕组3沿铁心7向一端运动。反向通电则向另外一端运动。运动和驱动力通过动子骨架1的输出板输出到电机外部。图1(b )为永磁块4在导磁筒5中的安装示意图,所有永磁块4均匀镶嵌在导磁筒5的槽内,形成正八边形来近似逼近全径向充磁的管形永磁体

。

3　电机结构的有限元分析

气隙磁场是永磁提供的磁场和绕组磁场的叠加,且气隙厚度相对于磁体的尺寸在一个数量级上,因此传统的磁路理论用来计算永磁电机,准确到

5%已属不易,数值计算可以达到较高的精确度[7]

。有限元分析是一种比较成熟的数值方法,本文采用

的是美国Ans oft 公司推出的Max W ell,它具有较强计算能力。311　磁场形态分布的计算

在Max W ell 9103D 上进行建模分析,如图2所示。模型中隐藏了其中一个端盖。空气的磁导率和真空很接近,所以周围环境指定为真空。永磁体使用钕铁硼永磁材料,除线圈为铜外,其他零件材料为电工纯铁。图3为B 分布图,箭头所指为B 的方向,长短表示B 的大小。其中,图3(a )

为纵向中切面

(经过轴线的平面)上的磁力线分布,可以看出,永

磁块发出的磁力线一路经过导磁筒、右端盖、铁心、气隙后回到永磁块形成闭合磁路,另外一路与其对称。B 线在空气隙中的两端有稍微的倾斜,在中间的大部分空间上是沿径向的,而且呈现出中间较强两端较弱的分布。图3(b )为横向中切面(和轴线垂直并位于轴线中点的平面)上的磁力线分布,可以

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