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一种微小型永磁直流直线电动机

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:108688

一种微小型永磁直流直线电动机

   摘要:介绍了一种微小型永磁直流直线电动机的结构,优化了结构参数,加工出样机并进行了试验分析。在尺寸(φ10×15 mm)所限下,该结构使用多个长方体永磁块拼接来近似逼近全径向磁化管形磁铁,利用Maxwell 9.0进行了气隙和磁铁厚度等结构参数的有限元优化设计,利用微加工技术制作的样机对其驱动力进行了试验分析,结果表明该微小型直流直线电动机驱动力可以达0.7 N,可以应用在空间狭小的驱动场合。

1引  言

   在微小空间进行作业的行走机构,如工业细小管道、人体消化道的检测机器人等,要求机构尺寸在10~15 mm之间,这对驱动技术提出了新的要求,即尺寸小、驱动力大、控制方便可靠。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φ10 mm以下比较困难。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。形状记忆合金驱动器由于记忆合金的加热变形一冷却回复的时间较长。因此速度较慢。直线电动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机械能,而不要运动转换的中间机构.因此结构尺寸上有望进一步减小。直线电动机种类繁多,其中永磁直流直线电动机由永磁励磁,结构简单,控制方便,但是从现有的产品来说,没有直径在10 mm以

下的圆桶形电机。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,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,但是尺寸微小的全径向磁化管形磁铁的充磁在技术上存在一定的困难。本文介绍的一种结构可以弥补上述不足,在此基础上,对结构参数进行了有限元优化并制造出了样机。

2电机结构

   图1a为陔电机的结构示意图。永磁块产生的磁场通过导磁筒、左端盖(右端盖)、铁心、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通直流电时,在电磁力作用下线圈绕组沿铁心向一端运动,反向通电则向另外一端运动。运动和力通过动子骨架的输出板输出到电机外部。图lb为永磁块在导磁筒中的安装示意图,所有永磁块均匀镶嵌在导磁筒的槽内,形成正八边形来近似逼近全径向充磁的管形永磁体。

   图1  电机的结构及永磁体安装示意图

3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,而且气隙厚度相对于磁体的尺寸来说在一个数量级上,因此用传统的磁路理论来计算永磁电机,准确到5%已属不易,计算精度很差,但是数值计算方法就可以达到较高的精度。有限元分析是一种比较成熟的数值汁算方法,有种类繁多的商用软件出售,其中MaxWell是美国Anso公司推出的具有较强计算能力的软件。

3.1磁场形态分布的汁算

   为看清楚该结构的磁通密度B线分布情况,在MaxWell 9.O 3D上进行建模分析,所建的模型如图

    图2在R一z平面内建立的分析模型

   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,其他零件材料均为电工纯铁。

   图3为磁通密度B线矢量分布图,箭头所指为B的方向,箭头线长短表示B的大小。其中,图3a为纵向中切面(经过轴线的平面)上的磁力线分布,由图可以看出,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…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3b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,由图中可以看出,磁力线经过空气隙总体方向朝外,并非呈完全的辐射状,说明这种近似和全径向还足有一定差别的。

图3磁通密度B线矢量分布图

3.2电机结构参数的优化

   本结构的各种结构参数如图4所示。如果根据工作空间要求电机的半径R和长度L给定,要确定出合理的电机结构参数包括导磁筒壁厚d、永磁体厚度h、空气隙厚度δ以及铁心半径r,目的是得到最大驱动力F。

 图4电机的结构参数

   显然,在加载电流一定的条件下增加永磁块的体积、增大线圈绕组的匝数可以增大驱动力,因此对于导磁筒壁厚d来说应该是尽可能小,这样可以有更多的空间留给永磁块和绕组,但是作为电机的支撑结构还要保证其有一定的刚度,避免变形,另一方面应避免材料的饱和磁化。使用电工纯铁加工该零件,最小厚度d取0.4 mm,可以保证刚度。钕铁硼永磁材料质硬难以加工,而且一般的加工方法会使其丧失磁性,因此使用市场上可以买到的成品,其厚度,h可以选定。

   由以上可知,空气隙厚度δ和铁心半径r之和为常数,因此确定其中之一即可。对于空气隙来说,如果其偏大则在其间形成的磁场可能很弱,但是可以放置较多匝数的线圈,反之亦然,这两者对于增大驱动力F来说是一对矛盾的因素,需要确定合适的气隙厚度δ。改变空气隙厚度,使用Maxwell9.0计算驱动力,结果如图5所示,空气隙厚度为1.1 mm附近得到最大电磁驱动力,因此将空气隙厚度确定为此值

    图5驱动力和空气隙厚度的关系

4样机及试验分析

   使用精密加工技术加工出的直线电动机样机如图6所示,样机外形为圆柱形,规格为φ11 mm×15mm。导磁筒内侧可以镶嵌永磁块,排列成正多边形。在动子骨架上使用手工绕制线径φ0.07 mm的漆包线来制作线圈绕组,同时在动子骨架上加工一些小的结构以方便力和导线的输出。

 图6微小直线电动机的样机

4 1电机驱动力和电流的关系

   对样机施加不同的电流测量电机的输出驱动力,得到电机驱动力和电流的实验曲线如图7所示。在不同的加载电流下对模型进行有限元分析,得到电机驱动力的汁算值,其和电流的关系如图7所示。两者对比可以看到,驱动力和电流基本上是呈线性变化的,但是由于实验测得的驱动力受到线圈骨架和铁心之间的摩擦力和粘滞力的影响,比相应电流水平下的计算值要偏小。

    图7电机驱动力和电流的关系

4 .2驱动力在线圈绕组行程上的变化

   在0.08 A和0.06 A的电流水平下,使线圈绕组保持在其行程的不同位置测量电机的输出驱动力,得到如图8所示的曲线,从图中可以看出,在不同的位置驱动力是有差别的,但基本上是平衡在某一个值附近。

    图8驱动力和位移的关系

4 .3电机温升试验

   利用线圈的电阻在温度升高后相应升高的关系来确定线圈的温度。首先测量冷却时线圈的电阻Re=28.0 Ω,当前室温Te=24.5℃,通电30 min,断电后测量线圈电阻。采用外推法求取断电瞬问线圈的电阻,即断电后每隔固定时间测量一次,在电阻一时间坐标系中描点连线,其延长线与电阻坐标轴的交点即为断电瞬间的热态电阻Rθ=31.7 Ω,如图9所示。最后利用下式计算温升:

式中:Tr一试验结束时冷却介质的温度(℃);

     Te一实际冷却状态时线圈的温度(℃);

      k一常数(k铜=235)。

   在自然风冷下,上式中的Te一Tr是对环境温度波动的修正,忽略该项,得线圈温度θ=55.6℃。在大多数应用中,该温度可以接受。

    图9断电瞬间热态电阻Rθ的外推法测量

5结论

   本文介绍的微小圆筒型永磁直流直线电动机,利用拼接的正八边形永磁体近似替代全径向充磁的管形磁铁,3D有限元参数优化的结果表明这种结构磁力线分布合理,漏磁少,在气隙厚度为l.1 mm时可以获得较大的驱动输出力,驱动力和电流呈线性关系,并且在线圈绕组不同位移处有所差别,在电流强度0.15 A以下电机温度不会超过55℃:

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