高驱动力密度短时工作电磁直线执行器研究

第４０卷第５期　２０１６年１０月　南京理工大学学报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．４０　Ｎｏ．５　

Ｏｃｔ．２０１６　

高驱动力密度短时工作电磁直线执行器研究　谭　草，常思勤，刘　梁，戴建国，顾春荣　（南京理工大学机械工程学院，江苏南京２１００９４）　摘　要：针对航空航天、车辆等领域对短时工作直线执行器高驱动力密度的要求，该文以提高驱动　力密度为目的改进了执行器样机，研究了动圈式电磁直线执行器短时工作的性能。基于建立的执　行器温度一电磁场双向耦合有限元模型，分析了目标有效电流与可持续工作时间的关系，研究了执　行器高驱动力密度短时工作的性能表现和失效情况。同时，通过搭建的执行器性能测试系统，测　试了样机的温升和输出力情况，测试结果与仿真分析吻合。结果表明，执行器样机短时工作的驱　动力密度可达８３０　Ｎ／ｋｇ，是连续工作最大驱动力密度的６倍，可持续工作时间大于０．５　Ｓ。　关键词：高驱动力密度；电磁直线执行器；直接驱动；短时工作　中图分类号：ＴＰ２１５；ＴＭ３５９．４　文章编号：１００５—９８３０（２０１６）０５—０５０９—０６　ＤｏＩ：１０．１４１７７／ｊ．ｅｎｋｉ．３２—１３９７ｎ．２０１６．４０．０５．００１　

Ｈｉｇｈ　ｄｒｉｖｅ　ｆｏｒｃｅ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｌｉｎｅａｒ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｆｏｒ　ｓｈｏｒｔ－ｔｅｒｍ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　

Ｔａｎ　Ｃａｏ，Ｃｈａｎｇ　Ｓｉｑｉｎ，Ｌｉｕ　Ｌｉａｎｇ，Ｄａｉ　Ｊｉａｎｇｕｏ，Ｇｕ　Ｃｈｕｎｒｏｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎ　ｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００９４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ｄｒｉｖｅ　ｆｏｒｃｅ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｌｉｎｅａｒ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｉｎ　ｓｈｏｒｔ—ｔｅｒｍ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ａｅｒｏｓｐａｃｅ，ｖｅｈｉｃｌｅ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｆｉｅｌｄｓ，ｔｈｅ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｉｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｄｅｅｐｌｙ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｖｉｎｇ　ｃｏｉｌ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｌｉｎｅａｒ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｉｎ　ｓｈｏｒｔ—ｔｅｒｍ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ—　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｔｗｏ－ｗａｙ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｏｄｅｌ，ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｄｒｉｖｅ　ｆｏｒｃｅ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｉｎ　ｓｈｏｒｔ—ｔｅｒｍ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｒｉｓｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｔｏｒｓ　ａｒｅ　ｔｅｓｔｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｒｅ　ｍａｔｃｈｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ａｃｔｕａｔｏｒ’Ｓ　ｄｒｉｖｅ　ｆｏｒｃｅ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｉｎ　ｓｈｏｒｔ—ｔｅｒｍ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｃａｎ　ａｃｈｉｅｖｅ　８３０　Ｎ／ｋｇ　ｉｎ　ｍｏｒｅ　ｔｈａｎ　０．５　Ｓ，　

收稿日期：２０１５—１２—０６　修回日期：２０１６－０１－１８　基金项目：国家自然科学基金（５１３０６０９０）；上海航天科技创新基金（ＳＡＳＴ２０１５０９５）；江苏省２０１４年度普通高校研　究生科研创新计划（ＫＹＬＸ＿０３３８）　作者简介：谭草（１９９１一），男，博士生，主要研究方向：机电一体化技术，Ｅ－ｍａｉｌ：ｎｊｕｓｔｔａｎｃａｏ＠ｙｅａｈ．ｎｅｔ；通讯作者：　常思勤（１９５４一），男，教授，博士生导师，主要研究方向：车辆电子控制及机电一体化技术，Ｅ－ｍａｉｌ：　ｃｈａｎｇｓｑ＠ｎｊｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。　引文格式：谭草，常思勤，刘梁，等．高驱动力密度短时工作电磁直线执行器研究［Ｊ］．南京理工大学学报，２０１６，　４０（５）：５０９－５１４．　投稿网址：ｈｔｔｐ：／／ｚｒｘｕｅｂａｏ．ｎｊｕｓｔ．ｅｄｕ．ａｎ　５１０　南京理工大学学报　第４０卷第５期　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　６　ｔｉｍｅｓ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ　ｄｒｉｖｅ　ｆｉ￣ｒｃｅ　ｄｅｎｓｉｔｙ；ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｌｉｎｅａｒ　ａｃｔｕａｔｏｒｓ；ｄｉｒｅｃｔ　ｄｒｉｖｅ；ｓｈｏｒｔ—ｔｅｒｍ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　

航空、航天以及车辆动力装置等领域对直线　驱动装置的性能需求日益提高，传统的旋转电机　加运动变换机构的方案难以满足这些领域对高　速、高精度、高功率密度的需求　近年来基于电磁　直线执行器的直接驱动技术成为研究热点。　电磁直线执行器是一种将电能直接转换成直　线运动形式的机械能而不需通过中间转换装置的　执行元件，又称为“直线伺服电机”　其典型的应　用可分为两类：一类是直线运动执行机构的直接　驱动【１－５］，文献［２］中将直线执行器应用于汽车发　动机气门的直接驱动，可以满足发动机最高转速　６　０００　ｒ／ｍｉｎ的运行要求。另一类是流体阀的直　接驱动　…，文献［７］应用直线电机直接驱动阀　芯，具有快速的响应性和良好的耐污性，反映了这　一技术领域的发展趋势。随着直接驱动技术的发　展，对驱动装置质量、体积和驱动能力的要求进一　步提高。然而，目前对直线执行器的研究多关注　输出力的提高，如文献［１１］中的“大推力”、文献　［１２］中的“高推力”等。由此，提高执行器的驱动　力密度成为重要研究课题。　执行器最高驱动力的确定与其工况有密切联　系，对于短时工作的应用场合，执行器单位时问产　生的温升较大，由于工作时间较短，其温升达不到　稳定值，而停机时问相当长，执行器的温度可以下　降到周围环境温度。在此类工况下，执行器的设　计、性能表现与失效情况都与连续工况运行的执　行器有所不同，却未得到足够的关注。　本文通过执行器温度一电磁场双向耦合有限元　模型以及性能测试实验，深入研究了执行器高驱动　力密度短时工作的性能表现和失效情况，对拓展其　在需求高驱动力密度领域中的应用具有重要意义。　１高驱动力密度方案　本文研究的对象为一种高功率密度动圈式电　磁直线执行器，其工作原理可参见文献［１］，结构　示意如图１。　与文献［１］中执行器相比，本文样机采取了　以下措施以获得更高驱动力密度：（１）取消双层　永磁体结构，只保留外层永磁体，对执行器力常数　有一定影响，但减小了执行器体积、质量，总体　而言提高了驱动力密度；（２）对内、外磁轭的尺寸　参数以及形状进行优化，去除运行时磁轭中磁场　较弱区域的材料以降低执行器质量；（３）优化线　圈参数、耐温极限，为提高电流密度提供条件。从　电磁直线执行器原理可知，提高电流密度是提高　驱动力密度行之有效的方法¨　。执行器驱动力　密度提高，温升也随之增加，进而影响执行器的寿　命、输出力以及工作可靠性等。　

外磁轭　内磁轭　永磁体　线圈　线圈骨槊　

（ａ）文献【ｌ　Ｊ执行器　（ｂ）本文样机　图ｌ原理示意图　

２温度一电磁场模型　２．１　热源分析　执行器的温升源于不可逆的能量损耗，能量　损耗主要包括铁损和铜损，前者是磁性材料在变　化的电磁场作用下产生的磁滞损耗和涡流损耗　等，而后者是通过绕组电流产生的电阻损耗¨　。　铁损Ｐ　铜损Ｐ　，计算如下　Ｐｆｅ＝ｐｈ＋ｐ　＋ｐ　（１）　ｒｔＰ　＝Ｉ，　尺　ｄｔ　（２）　

０　式中：ｐ　为涡流损耗，Ｐ　为磁滞损耗，Ｐ　为杂散损　

耗，，．为通过绕组的电流，尺　为绕组的电阻，ｔ为　时间。由于温度时间常数往往大于电磁和机械运　动的时间常数，执行器各部分的温度上升速度较　慢，为了简化热特性计算的步骤，动子直线运动速　度取单个＿丁况周期内的有效值　热源计算也采　用对应的电流有效值，　，　总第２１０期　谭草常思勤刘梁戴建国顾春荣高驱动力密度短时工作电磁直线执行器研究　５１１　＝√∑　∑　（３）　（４）　式中：　为单个运行周期内每段时间ｔ　的速度。　另外，铜损计算需要考虑温升导致绕组电阻变化　产生的损耗。绕组温升与电阻变化的关系如下　

（　）＿（　）　（５）　式中：尺　为试验结束时线圈电阻值；Ｒ。为试验开　始之前线圈电阻值；　为试验结束时周围介质温　度；ｒｏ为试验开始前周围介质温度；Ｋ为常数，本　文样机绕组为铜制导线，取Ｋ为２３５。　通过文献［１３］的分析可知，由于执行器的电　流密度较大，线圈绕组中的铜损占总损耗的主要部　分，其余少量为铁损以及摩擦损耗。另外，执行器　在大驱动力密度条件下，铜损以电流的平方倍增　加，铁损以及摩擦损耗占总损耗的比例进一步减　小，由此，本文研究中热源近似取为绕组的铜损。　２．２热计算模型　执行器中的热交换情况比较复杂，由能量损　耗产生的热量一部分由内向外通过径向热传导的　方式传递到永磁体、外磁轭上，最终通过外磁轭与　空气的自然对流换热方式散发到空气中。由于该　结构的执行器的下端为开口式设计，因此在轴向　方向也有一部分热量通过复杂的热传导和对流换　热方式传递到外界空气中。由此，执行器瞬态时　三维热传导方程、初始条件和边界条件为　０２　Ｔ：＋　＋　

Ｉ　。＝　（６）　

一Ａ　）　式中：Ａ为材料热导率，　为温度，４为传热面积，ｑ　为单位体积内热源的生成热量，Ｐ为材料密度，ｃ　为材料比热容，　为总传热系数，ｔ／ｎ为温度梯度，　

、　分别为壁面温度和环境温度。总传热系数　的影响因素主要是各区域部分的热传导系数和传　热系数。热传导系数主要取决于执行器各部件所　使用的材料，传热系数与执行器换热方式有关。　执行器的换热方式主要是对流换热和辐射散热两　方面。壁面与外界空气之间的对流换热系数Ｏｔ　，　可由大空问自然对流换热理论得　Ｎ＾　、　＝　＝ｃ（Ｇ　・Ｐ　）　号　（７）