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无刷电磁弹射器中电磁力的仿真计算

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:761


 摘要:设计了一个基于无刷直流直线电机的电磁弹射器模型.采用二维场仿真方法计算了模型的电磁力静态特性曲线,分析了结构参数如气隙长度,磁钢厚度,铁磁材料特性等对电磁力特性的影响。该分析对模型的设计具有重要的指导意义。

1前言

   电磁发射技术的基本工作原理是将通电电枢置于直线加速器或其他类似的磁场中,利用作用在电枢上的电磁力,使携带电枢的物体获得连续向前的加速度,从而达到发射的目的。电磁弹射是指被发射的物体不启用自身的动力装置,而以电磁力为加速手段,靠发射器赋予的起动力获得足够的运动能量实施起飞的一种发射方式。近年来该项技术的发展在国际上备受关注。

   从电机理论的角度出发,已经进行研究的电磁发射器的物理模型主要有普通直流电机型,感应电机型,同步电机型,磁阻电机型等等。从电机本体和驱动控制的角度来看,无刷直流电机是驱动电机发展的主潮流,尤其是在速度和位置伺服控制的领域,它拥有比其它电机更优异的性能。为此,本文提出了一种基于无刷直流直线电机原理的电磁弹射器模型设计方案,进行了模型设计,并采用仿真分析的方法计算了电磁力和定位力特性。

2无刷型电磁弹射器的原理

 图1旋转无刷直流电动机原理框图

 图2 无刷直流直线电机原理示意图

一台普通的旋转无刷直流电机的原理框图如图1所示。如果把该台电机转子的旋转运动转化为直线运动,到一个双边无刷直流直线电机的结构,如图图2所示。由于无刷直流电机的主极采用永磁结构,因此对应的直线电机要采用双边结构,以抵消径向单边磁拉力的影响。

从结构上看,形成主极磁场的永磁磁钢即可以放在定子上,也可以放在动子上,这两种方法各有优缺点,如下表所示。

   综合看来,应当是以动子上装配磁钢、定子上放置绕组方案为好。

3电磁弹射器的模型设计

   设计一个上述原理的电磁弹射器模型,难点主要在于:用合适的空问和工作方式把普通无刷直流电机的旋转运动转化成直线运动;把实现的直线运动传递到被加速物体上。

   在一台普通的无刷直流电机中,转子采用表面磁钢结构,机械运动从转子轴伸端传递出去。变成双边结构的直线电机剖面示意图,如图3所示。图中电机采用短磁极长电枢方案,直线电机的动子即旋转电机的转子部分,直线电机的定子则由多个旋转电机的定子组成。为了保证磁路、电路参数和机械结构的对称性。应保证如下设计原则:

 (1)双边的结构相同,包括齿、槽尺寸,气隙长度等;

 (2)动子正好取一个单元电机的尺寸,定子则正好取多个单元电机的尺寸,这些单元电机的定子绕组依次串联。

 图3无刷型电磁射器结构示意图

 图4 电磁弹射器的截面图

为了便于把动子的直线运动传递到被加速物体上,弹射器模型采用圆筒型结构是不合适的,因为圆筒型结构中

动子和定子铁心必然是同轴安装方式,机械运动只能从动子两端传出。由于采用了长定子电枢结  构,这种方式必然会增加模型运动方向的长度,使模型体积庞大。

   采用矩形结构设计的弹射器模型横截面如图4所示。这种结构克服了圆筒型结构截面为封闭式的缺点,它的上下左右四个方位中,左右两个用于定子和动子的电磁耦合。上下两个方位用于支撑和把运动传递到发射支架上。

为了实现动子的支撑和运动传递,采用了一种特殊的单边带法兰的单列向心球滚动轴承。这种结构限定了动子x、y方向的自由度,动子只能在z方向上作直线运动,实现了模型的设计目的。

4电磁力的仿真计算

   根据麦克斯韦尔的观点,作用在媒质任意区域上的体积力可以归结为这一区域表面所受的张力。磁场中的张力就是沿B线方向的纵拉力和垂直于B线的侧压力,在均匀各向同性的媒质中,在单位面积上张力的大小都等于积储于单位体积内的能量,即 。这样,对分界面进行电磁力面密度,的面积分,就可以求得分界面上的电磁力。

   动子上产生的电磁推力的计算示意图如图5所示。在所设计的模型中,磁路结构是关于动子中心线对称的,而且如果忽略端部效应,电磁力在动子表面沿着轴向处处均匀,因此对应图中面积为ds单元产生的电磁力为

      (1)式中:l一动子x方向上的长度。

   总的电磁力即为  (2)

   由于磁路结构是对称的,为了减小计算面积,提高计算精度,实际计算中只选取了一半场域,如图6所示。模

型的边界条件为    (3)

              

图5电磁力的计算方法                   图6仿真计算模型

   静态力特性是指在定子绕组通电状态不变的情况下,动子所受到的电磁推力与x方向动子位置的变化关系。对应某一种通电状态,得到相应的电磁力静态特性曲线如图7所示,电磁力的幅值约为363N。

   图7电磁力静态特胜曲线

5结构参数的影响

   对电磁力特性影响最大的是结构参数:如气隙长度、磁钢厚度、材料特性、通电方式等。通过对这些影响的分析,可以得到对应所设计模型的最优参数。

5 .l磁钢厚度的影响

电磁推力幅值的大小与气隙磁密的平方成正比,而气隙磁密的大小与磁钢厚度密切相关。磁钢越厚,气隙磁密的数值越大;但由于铁心存在饱和特性,当磁钢厚到一定程度以后,气隙磁密的增加幅度会越来越小。这时再增加磁钢厚度,模型的体积会更庞大,造价会更高,但力能指标却没有明显提高。因此,存在一个比较优化的磁钢厚度值。对应不同磁钢厚度时的电磁力幅值特性曲线如图8所示。从图中可以看出,取磁钢厚度为6mm左右是比较理想的。

           磁钢厚度/mm

   图8不同磁钢厚度时的电磁力幅值曲线

5.2气隙长度的影响

在电磁弹射器模型的设计参数中,对性能指标影响最大的是气隙长度。气隙长度增大,则气隙磁密要按照近似的指数规律下降,电磁力的幅值也要大幅度下降;随之带来的好处是定位力幅值也大幅度下降.同时结构不对称的影响也会减小,对机械安装的精度要求也要下降。反之,若气隙长度减小,电磁力的幅值要大幅度增大;但对机械安装的精度要求也更严格。对应不同气隙长度时的电磁力幅值特性曲线如图9所示。从特性曲线和机械工艺两方面考虑,气隙长度l—1.5mm应当是比较理想的。  

    图9不同气隙长度时的电磁力幅值曲线

5.3铁磁材料的影响

   由于采用了普通的导磁材料,因而铁心中的磁压降不能忽略不计。实际仿真计算时输入了材料的磁化曲线数据。如果采用好的铁磁材料,铁心的磁导率会更高,磁压降会更小.气隙磁密会增大,电磁力幅值也要增大。对应不同铁心磁导率时的电磁力幅值特性曲线如图10所示。

 图10不同捆对磁导率时的电磁力幅值特性

    曲线中,电磁力幅值的极限值就是当采用理想铁磁材料(铁心的磁导率为无穷大)时的电磁力幅值为429N。与图7中曲线对应的电磁力幅值363N相比,电磁力幅值下降的百分率为15.4%。因此,采用性能更好的导磁材料米提高模型的材料利用率,其效果还是比较可观的。

6结论

   (1)基于无刷直流直线电机原理的电磁弹射器在作用原理、控制方式、动态特性等方面具有一定的优势。

   (2)其工作方式可以是动磁极,也可以是动铁心和绕组。在行程较短的场合,动铁心和绕组是比较适宜的;在电磁弹射器模型中,采用动磁极的方案比较有利,虽然这会给位置检测带来一定的不便。

   (3)结梅参数对电磁力的静态和动态有很大的影响,所作的仿真分析结果对电磁弹射器模型的设计具有重要的指导意义。

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