季明月，閻治安，馮寶文

(西京學院，陜西西安 710123)

改變次級參數(shù)時圓管型直線電動機的性能分析

季明月，閻治安，馮寶文

(西京學院，陜西西安 710123)

針對不同的次級材料及次級銅皮厚度對圓管型直線電動機性能的影響進行了分析。提出了不同次級材料下圓管型直線電動機的機械特性問題，得出了次級材料采用由鐵磁與非鐵磁兩種材料組合制成時，電動機的導磁率較高和機械性能較好的結(jié)論。通過對不同次級銅皮厚度的設(shè)計與試驗比較分析，表明次級厚度對圓管型直線電動機的起動推力有相當大的影響，為電動機設(shè)計時確定合理的次級尺寸提供了可靠的依據(jù)。

直線電動機;次級;材料;銅皮厚度;起動推力

0 引言

直線電動機顧名思義就是能夠直接做直線運動的電動機，它不需要由旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動的中間傳動機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，伺服性好，體積較小，有著廣泛的應(yīng)用前景。其結(jié)構(gòu)型式可分為平面型、圓管型(或管型)、圓弧形、圓盤型4種［1］。而圓管型直線電動機是直線電動機的一種特殊形式，可以看成是以平面型直線電動機為前提，沿縱軸軸線方向卷曲成圓管型所得。雖然圓管型直線電動機的性能比平面型直線電動機要差一點，但是由于它采用集中式繞組，所以具備制造方便、成本低、便于安裝等優(yōu)點。當前，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及技術(shù)改造中需要行程較短的間歇往復(fù)運動場合下，都可以考慮應(yīng)用。因此對圓管型直線電動機的研究尤為重要。

圓管型直線電動機在結(jié)構(gòu)上主要由初級和次級兩大部分組成，其中次級可以做成多種型式，可以和旋轉(zhuǎn)電機一樣做成繞線型或鼠籠型。但為了制造方便往往和平面型直線電機一樣用非磁性金屬層作為主要導電部分，有時亦可以做成鼠籠型的，但難于做成繞線型。在結(jié)構(gòu)上次級形成管狀，導磁部分為鋼管，也可以做成迭片次級鐵心，但迭片結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以很少采用。次級的制造材料分為兩種:一種是把非磁性導電金屬管包在次級鐵心的外面，這種形式稱為復(fù)合次級;另一種型式是直接用鋼元或鋼管做成次級。此時，鋼元既作為導電材料，又作為導磁材料，這種型式稱為鋼次級。鋼次級兼有導電、導磁雙重作用，優(yōu)點是導磁率高，可減小激磁電流，缺點是初級與次級之間存在很大的磁拉力，而圓管結(jié)構(gòu)很好地彌補了這個缺點，且成本較低，在小功率電機中可以推廣應(yīng)用。對于單一材料的電動機來說，次級的厚度及材料的性質(zhì)對直線電動機的性能起著重要的作用。本文對圓管型直線電動機不同的次級材料和厚度對推力的影響進行了比較分析，從而選取出最佳的次級材料和次級尺寸，這具有很大的使用價值和應(yīng)用意義。

1 圓管型直線電動機機械特性分析

直線電動機的機械特性是產(chǎn)生的推力F和運行速度V之間的關(guān)系曲線。因此推力F是直線電動機的重要性能指標。一般直線電動機產(chǎn)生的推力可以在不同轉(zhuǎn)差率s時解等效電路圖來求得。它的運行速度V和同步速度V1之間有如下關(guān)系

由推力公式(2)可以看出，影響推力F大小的因素有多種，然而考慮到極距的改變非常有限，且電源輸出頻率f不變的情況下，次級的材料、幾何尺寸、空氣隙的長度，將對直線電動機的機械特性曲線產(chǎn)生影響，不同次級材料時機械特性曲線如圖1所示，不同空氣隙長度時機械特性曲線如圖2所示。

式中，F(xiàn)st—起動力(N);ρ—次級電阻率(Ω·cm); N—線圈匝數(shù);Is—初級電流(A);f—電源輸出頻率(Hz);τ—極距(m);t—次級壁厚(cm);A—電機作用面積(m2);s—滑差率;G—品質(zhì)因數(shù)［2］。

圖1所示是次級尺寸不變，而次級導電板用不同材料如紫銅、鋁和鋼時電動機的機械特性曲線。因為各種材料的導電率不同，因此次級導電層的電阻就不同，影響到電動機產(chǎn)生的最大推力值和產(chǎn)生最大推力值時的滑差率 Sm也不同。圖2所示的電動機的尺寸和材料不變，僅改變空氣隙的長度影響到激磁電流的大小及初級和次級間的耦合程度，因此氣隙大時電動機的出力就比較低。

圖1 不同次級材料時機械特性

圖2 不同空氣隙長度時機械特性

2 不同次級材料對圓管型直線電動機性能的影響

圓管型直線電動機次級的制作在結(jié)構(gòu)上形成管狀，導磁部分為鋼元(管)，也可以做成迭片次級鐵心。在確定這種次級的電阻時，表面電阻系數(shù)Pr定義為

式中，ρ—次級材料的電阻系數(shù);d—次級板的厚度。

僅考慮次級材料對圓管型直線電動機特性的影響，暫不考慮電動機的端部效應(yīng)，由推力公式(2)可以看出，在一定范圍內(nèi)，品質(zhì)因數(shù)越大，推力F越大，從而電機的性能就越好。品質(zhì)因數(shù)的表達式為

式中，Xm—激磁電抗;r2—次級電阻;g—空氣隙實際長度。由式(3)和式(4)可得

由式(5)可以看出，較低的電阻率提高了品質(zhì)因數(shù)，使電機的性能得到了改善，同時也減小了次級的損耗。但低的電阻率會使端部效應(yīng)行波衰減較慢，使輸出減小。因此，要合理的設(shè)計品質(zhì)因數(shù)與次級電阻率之間的關(guān)系，這是改善該電動機性能的有效途徑［3］。

次級的材料一般有兩種型式:一種采用單一材料，通常為鐵磁材料;另一種是采用鐵磁材料和導電材料的結(jié)合。電動機的機械特性曲線與不同導磁和導電性能的次級材料有直接的關(guān)系。其中，次級材料不同時的直線電動機的機械特性曲線如圖3所示。縱坐標表示直線電動機的電磁推力，橫坐標表示直線電動機的滑差率。

圖3 次級材料不同時的直線電動機的機械特性曲線

從圖3可以看出，在特定條件下，不管次級是由單一材料制成還是復(fù)合材料制成，要想得到較大的電磁推力則次級導電率必須要高。針對這幾種材料，鐵磁材料的導磁率高、可降低激磁電流，但也存在缺點，即初級與次級之間具有較大的單邊磁拉力。非鐵磁性材料只作導電功能，可以在一定程度上降低單邊磁拉力，但也存在不足，即穿過氣隙這一段磁路的導磁率較低并且還會產(chǎn)生較大的激磁電流。因此，從上述兩種類型的次級材料對電機機械特性的影響可以看出，對于圓管型直線電動機來說，次級采用由鐵磁和非鐵磁兩種材料組合制成，可以得到較高的導磁率和良好的機械性能。

3 不同次級厚度對圓管型直線電動機性能的影響

次級材料的厚度對圓管型直線電動機的性能起著重要的作用。從式(5)可以看出，次級材料越厚，則品質(zhì)因數(shù)越大。對于非鐵磁性材料的次級來說，次級材料較厚會導致電磁氣隙較大，這是不希望的。所以，對于非磁性材料的次級，其厚度必須要較小，但是也要有足夠的強度，以承受出現(xiàn)在次級上的各種力的作用。而在鐵磁材料的次級中，電磁氣隙的大小與材料的厚度無關(guān)。但較厚的次級會導致起動電流較大。因此，也要根據(jù)起動電流的限制來選擇次級厚度，而不是僅從增大品質(zhì)因數(shù)來考慮［3］。

本文通過試驗進一步分析了次級材料厚度對圓管型直線電動機性能的影響。實驗對象為井下勘探震源用三相圓管型直線電動機，要求起動推力大于等于60kg。在試驗中圓管型直線電動機的次級材料選用銅-鋼復(fù)合材料，導電部分采用銅管(材料為黃銅H62)固包在35號圓鋼上。測量次級銅皮厚度分別為0．25cm、0．2cm、0．15cm、0．1cm、0．05cm時，相應(yīng)的圓管型直線電動機推力的大小。表1為試驗圓管型直線電動機的技術(shù)參數(shù);表2對試驗所得數(shù)據(jù)進行了比較。

表1 圓管型直線電動機技術(shù)參數(shù)

表2 圓管型直線電動機不同次級厚度實驗數(shù)據(jù)比較

根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)，可繪制特性曲線圖。圓管型直線電動機的工作特性曲線如圖4所示。

圖4 圓管型直線電動機的工作特性曲線

從實驗數(shù)據(jù)可以看出，次級厚度對電磁推力有很大的影響，在一定范圍內(nèi)次級厚度增加，電磁推力也隨之增加;起動時的氣隙磁密是減小的，這是由于次級銅皮厚度增加導致電動機的有效氣隙增加，從而使磁阻增加、氣隙磁密減小;初級電流I1和次級電流I21也相應(yīng)上升，在電機線圈匝數(shù)不變的情況下，磁勢F0的增加必然會導致電流的上升;功率因數(shù)和效率則影響不大，隨著次級厚度的增加功率因數(shù)略有增加，而效率則略有減少。在實驗數(shù)據(jù)中，當次級厚度取0．25cm時電磁推力Fst最大，但此時初級電流I1也比較大，在電動機導線截面積一定的情況下，電流I1升高會增加導線的熱負荷，因此是不可取的。由前分析知對于本項目使用的圓管型直線電動機來說，選取次級厚度為0．2cm時是最合理的設(shè)計。

4 結(jié)語

文章針對不同次級材料與次級厚度對圓管型直線電動機性能的影響進行了分析，具體討論了次級材料和次級銅皮厚度的變化對圓管型直線電動機起動推力的影響。分析結(jié)果表明，對于圓管型直線電機來說，要想得到較大的電磁推力則次級導電率必須要高，當次級采用由鐵磁和非鐵磁兩種材料組合制成時，可以得到較高的導磁率，此時電動機的機械性能較好。通過對該電動機的設(shè)計、制造與試驗數(shù)據(jù)的比較分析可以看出，當次級銅皮厚度在0．05～0．25cm之間時，隨著次級銅皮厚度的增加電磁推力也隨之增加。從文中也可以看出，品質(zhì)因數(shù)是用來衡量直線電動機性能好壞的一個重要指標，次級的材料和厚度都對品質(zhì)因數(shù)有相當大的影響。較低的電阻率和較厚的次級厚度都可提高品質(zhì)因數(shù)，使電機的性能得到改善。但低的電阻率會使端部效應(yīng)行波衰減較慢，使輸出減小，而較厚的次級厚度會導致起動電流較大。因此在設(shè)計直線電動機時，要合理的設(shè)計品質(zhì)因數(shù)與次級電阻率之間的關(guān)系，同時也要顧及到起動電流的限制，而不是單從增大品質(zhì)因數(shù)來考慮。

［1］彭威，李偉力，程樹康，等．次級對直線感應(yīng)電動機性能的影響［J］．電機與控制學報，2008，(1)．

［2］閻治安，王康，肖竟平，等．深井勘探用直線電動機實驗研究［J］．防爆電機，2014，(1)．

［3］劉朝輝，上官璇峰，劉豪，等．圓管型直線感應(yīng)電動機特性研究［J］．微電機，2007，(8)．

［4］葉云岳．直線電機原理與應(yīng)用［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2000．

［5］李紅濤，沈稼豐，陳文彪．圓管型直線感應(yīng)電動機的起動推力與電機性能的計算與分析［J］．防爆電機，2008，(2)．

［6］鄭福龍．圓管型直線永磁電動機的設(shè)計研究［D］．哈爾濱:哈爾濱理工大學，2011．

［7］裴榮成．圓管型直線電動機的研究［D］．沈陽:沈陽工業(yè)大學，2007．

聲明

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《防爆電機》編輯部

Performance Analysis on Cylindrical Linear Motor When Changing Secondary Parameter

Ji Mingyue，Yan Zhi'an，and Feng Baowen
(Xijing University，Xi'an 710123，China)

In this paper，the influence of different secondary material and difference thickness of secondary copper sheet on performance of the cylindrical linear motor are analyzed．Mechanical characteristic problems of cylindrical linear motor with different secondary material are proposed，conclusion of higher permeability and better mechanical performance of the motor is drawn when secondary material is made from the combination of both ferromagnetic and nonferromagnetic material．By comparatively analyzing the design and test of different secondary copper sheet thickness，it is indicated that secondary thickness has considerable impact on starting thrust of cylindrical linear motor．It provides reliable reference for determining reasonable secondary size when designing the motor．

Linear motor;secondary;material;copper sheet thickness;starting thrust

10．3969/J．ISSN．1008-7281．2015．05．02

TM359．4

A

1008-7281(2015)05-0004-004

季明月 女 1989年生;碩士研究生，研究方向為微特電機的設(shè)計與控制．

2015-07-06