許寶玉 李孝坤 郝曉茹 賈言言 王坤龍

(1.河南理工大學(xué)直驅(qū)電梯產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,焦作 454000;2.河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,焦作 454000)

1 引 言

電磁作動(dòng)器具有無(wú)接觸摩擦、無(wú)需潤(rùn)滑、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于振動(dòng)主動(dòng)控制、電磁懸浮以及非接觸高精度定位系統(tǒng)等領(lǐng)域[1]。D.A.Weeks等人設(shè)計(jì)的適用于車(chē)輛主動(dòng)懸架上的直線電磁作動(dòng)器[2]，由于采用了齒輪齒條進(jìn)行運(yùn)動(dòng)變換，降低了響應(yīng)速度且反向存在沖擊現(xiàn)象；Y-B Kim和W-G Hwang等人設(shè)計(jì)了用于車(chē)輛主動(dòng)懸架上的電磁減振器，可使車(chē)輛具有良好的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能[3]；學(xué)者對(duì)螺線管作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面研究較多；朱美玲等人將自行研制的電磁式作動(dòng)器[4]用于轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的振動(dòng)主動(dòng)控制中，使系統(tǒng)的振動(dòng)烈度減小了50%～80%；其它還有江蘇大學(xué)的串接式高能電磁作動(dòng)器[5]；于鎖清等人對(duì)電磁作動(dòng)器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[6]，為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制策略提供了依據(jù)。以上電磁作動(dòng)器均存在推力密度小，工作電流大，安匝數(shù)較大等現(xiàn)象。為提高電磁作動(dòng)器的綜合性能，本文利用磁性耦合原理，嘗試將永磁體引入到電磁作動(dòng)器中，提出了一種新型單向電永磁作動(dòng)器，并采用有限元軟件對(duì)其鐵芯結(jié)構(gòu)、銜鐵位移及鐵芯傾斜角度等進(jìn)行分析研究以及對(duì)其主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，驗(yàn)證新型電永磁作動(dòng)器的可行性及其特性，為新型電永磁作動(dòng)器設(shè)計(jì)及輕量化研究提供理論依據(jù)。

2 單向電永磁作動(dòng)器工作原理

圖1為單向電永磁作動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。主磁體2為高矯頑力的永磁材料(釹鐵硼N38),鑲嵌在鐵芯9與磁軛3之間，極性如圖中所示；材料為工業(yè)純鐵的鐵芯6與磁軛固定為一體，為降低工業(yè)純鐵飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，鐵芯6與鐵芯9留有0.3mm的氣隙，勵(lì)磁線圈4并列纏繞在鐵芯6上；開(kāi)始工作時(shí)，銜鐵在重力(mg)和彈簧回復(fù)力(f)作用下保持平衡，當(dāng)勵(lì)磁線圈通入直流電后，鐵芯6的極性如圖所示，形成主磁體及磁化鐵芯N極、鐵芯9、銜鐵1、磁軛3、主磁體及磁化鐵芯S極的磁回路，銜鐵在磁場(chǎng)吸力、自重(F1與mg矢量和)和彈簧回復(fù)力(f)共同作用下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)控制勵(lì)磁電流的大小可調(diào)節(jié)銜鐵所受的磁場(chǎng)吸力；勵(lì)磁線圈無(wú)電流時(shí)，主磁體絕大部分磁通量經(jīng)鐵芯、磁軛、主磁體S極，形成閉合磁回路，銜鐵返回平衡位置。

當(dāng)勵(lì)磁線圈有電流激勵(lì)時(shí)，忽略漏磁等因素，銜鐵受到的磁場(chǎng)吸力為

F1=FN+μ0AN2i2/4δ2

(1)

式中：FN——永磁體對(duì)銜鐵吸力，N；μ0——真空磁導(dǎo)率，4π×10-7H/m；A——鐵芯極面積，mm2；N——線圈匝數(shù)；i——?jiǎng)?lì)磁電流，A；δ——?dú)庀?，mm。(圖1中s為銜鐵的位移，α為兩鐵芯接觸傾斜角)。

1—銜鐵；2—主磁體；3—磁軛；4—?jiǎng)?lì)磁線圈；5—聯(lián)接螺栓；6—鐵芯一；7—線圈窗口；8—不銹鋼固定板；9—鐵芯二圖1 單向電永磁作動(dòng)器結(jié)構(gòu)受力圖Fig.1 Force diagram of single-direction electro-permanent magnetic actuator

3 單向電永磁作動(dòng)器性能參數(shù)計(jì)算

永磁材料磁性能的穩(wěn)定性直接影響單向電永磁作動(dòng)器工作可靠性，影響永磁體穩(wěn)定性的因素主要包括溫度、時(shí)效、化學(xué)、機(jī)械作用等[7～10]，其中溫度對(duì)材料的穩(wěn)定性影響最顯著[11～13]，溫度升高導(dǎo)致永磁體的矯頑力HC及最大磁能積BHm降低[14],見(jiàn)表1。

表1 不同溫度下N38型NdFeB稀土永磁體的磁性能

單向電永磁作動(dòng)器的永磁體磁性能受勵(lì)磁線圈溫升影響，為確保作動(dòng)器工作可靠性，線圈溫升的上限值需低于永磁體退磁溫度。勵(lì)磁線圈通入24V直流電后，因線圈電阻Rxq的存在使其溫度上升，線圈的阻值及溫升可由下式確定[15]。

(2)

(3)

式中:rx——導(dǎo)線的電阻率，Ω·m；N——線圈匝數(shù)；Dw——線圈外徑，m；dz——鐵芯柱寬度，m；qx——導(dǎo)線的截面積，m2；KT——線圈散熱系數(shù)，(9.5～12.7)W/m2·℃；ft——線圈填充系數(shù)；bxq——線圈厚度，m；hxq——線圈高度，m；I——線圈電流，A。

線圈激磁安匝數(shù)IN可引用直流電磁鐵設(shè)計(jì)公式(4)

(4)

式中：C3——磁壓降系數(shù)，0.15～0.35；B0——等效氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度，(0.25～0.6)T；μ0——空氣磁導(dǎo)率，4π×10-7H/m；δc——銜鐵的初始行程，m。

以永磁體磁性能大幅度下降時(shí)的溫度(80℃)為基準(zhǔn)，基于上述理論公式，確定單向電永磁作動(dòng)器基本參數(shù),見(jiàn)表2。

表2 單向電永磁作動(dòng)器基本參數(shù)

按公式(5)計(jì)算線圈總散熱功率

(5)

式中：Ps——線圈總散熱功率，W；Pcd——線圈通過(guò)導(dǎo)熱所散發(fā)熱量的功率，W；Pdl——線圈通過(guò)對(duì)流所散發(fā)熱量的功率，W；Pfs——線圈通過(guò)熱輻射所散發(fā)熱量的功率，W；S——線圈的散熱面積,mm2?？烧J(rèn)為線圈散發(fā)的熱量基本正比于線圈的溫升[16]，故在線圈窗口與磁軛之間預(yù)留散熱通道，以降低線圈計(jì)算溫升48℃使永磁體保持高磁性能。

4 單向電永磁作動(dòng)器性能分析及優(yōu)化

4.1 磁場(chǎng)分布

單向電永磁作動(dòng)器選用31mm×23mm×30mm矩形狀永磁體，采用四面體單元對(duì)整體結(jié)構(gòu)離散，建立其二維靜態(tài)磁場(chǎng)有限元模型，如圖2所示。其中，四面體網(wǎng)格棱長(zhǎng)的最大值設(shè)定為2mm，同時(shí)為保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，在單向電永磁作動(dòng)器的周?chē)⒘丝諝獍?/p>

圖2 單向電永磁作動(dòng)器有限元模型Fig.2 Finite element model of single-direction electro-permanent magnetic actuator

單向電永磁作動(dòng)器兩鐵芯傾角α為80°且作動(dòng)銜鐵距鐵芯1mm時(shí)，勵(lì)磁線圈通入0.78A(0A)額定電流后，其磁通量分布情況如圖3所示。

(a)兩鐵芯傾角為80°且線圈有激勵(lì)時(shí)磁通量分布 (b)兩鐵芯傾角為80°且線圈無(wú)激勵(lì)時(shí)磁通量分布圖3 單向電永磁作動(dòng)器磁通量分布矢量圖Fig.3 Distribution of magnetic flux of single-direction electro-permanent magnetic actuator

由圖3可見(jiàn)，單向電永磁作動(dòng)器線圈有電流激勵(lì)時(shí)，永磁體與磁化鐵芯的磁通耦合成同向磁路，磁場(chǎng)相互疊加；無(wú)電流激勵(lì)時(shí)，永磁體的磁通在作動(dòng)器內(nèi)部形成了封閉磁回路，有少量磁通穿過(guò)作動(dòng)銜鐵，對(duì)銜鐵產(chǎn)生的電磁力僅為50N，且鐵芯飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度低于2.158T。因線圈維持電流很小，無(wú)電流激勵(lì)時(shí)，磁化鐵芯相應(yīng)的剩磁較小，銜鐵容易釋放，保證了作動(dòng)器的靈敏性。

4.2 電磁力的影響因素及性能分析

電永磁作動(dòng)器的電磁吸力與線圈匝數(shù)、電流及永磁體尺寸正相關(guān)，為使推力密度最大化，有必要研究?jī)设F芯相對(duì)面的結(jié)構(gòu)形式對(duì)電磁吸力的影響。圖4為鐵芯結(jié)構(gòu)不同時(shí)，在0.78A，1mm條件下單向電永磁作動(dòng)器磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖。

圖4 鐵芯結(jié)構(gòu)不同時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖
Fig.4 Distribution of magnetic flux density in the actuator with different structure of iron core

圖4顯示，單向電永磁作動(dòng)器的兩鐵芯傾斜角α為50°時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度小于130°時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；兩鐵芯相對(duì)面為平面時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度最小，鐵芯為傾角的作動(dòng)器磁路中的磁密優(yōu)于齒形結(jié)構(gòu)，且均小于鐵芯飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，導(dǎo)磁率良好。鐵芯傾斜角的改變帶來(lái)磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的同時(shí)也將會(huì)影響到電磁吸力的增減，圖5為單向電永磁作動(dòng)器對(duì)銜鐵的電磁吸力隨鐵芯角度的變化曲線，圖中鐵芯傾斜角α(°)為橫坐標(biāo)，電磁吸力F(N)為縱坐標(biāo)。

圖5所示，鐵芯的傾斜角小于50°時(shí)，隨著角度增加電磁吸力變大；傾斜角大于50°時(shí)，電磁吸力隨角度增加而減??；傾斜角為50°時(shí)電磁吸力達(dá)到最大值3071N。

圖5 電磁吸力隨鐵芯角度變化曲線Fig.5 Variation of electromagnetic attractive force to inclined angles of iron core

當(dāng)勵(lì)磁線圈通入恒定電流0.78A，作動(dòng)銜鐵距鐵芯相對(duì)位置(位移)發(fā)生改變時(shí)，銜鐵所受電磁吸力隨位移變化曲線見(jiàn)圖6所示，位移S(mm)為橫坐標(biāo)，電磁吸力F(N)為縱坐標(biāo)。

(a) 位移小于2mm電磁吸力隨位移變化曲線 (b) 位移大于2mm電磁吸力隨位移變化曲線圖6 不同位移對(duì)應(yīng)電磁吸力特性曲線Fig.6 Variation of electromagnetic attractive force to displacement of armature

從圖6可以看出，鐵芯結(jié)構(gòu)不同的單向電永磁作動(dòng)器，銜鐵受到的電磁吸力隨位移的增大均呈遞減的趨勢(shì)；銜鐵在距鐵芯2mm范圍內(nèi)動(dòng)作時(shí)，兩鐵芯為傾斜角結(jié)構(gòu)的作動(dòng)器對(duì)銜鐵的電磁吸力優(yōu)于齒形及平面結(jié)構(gòu)，且在1mm處兩鐵芯為傾斜角結(jié)構(gòu)的作動(dòng)器對(duì)銜鐵產(chǎn)生的電磁吸力約為無(wú)永磁(傳統(tǒng))作動(dòng)器的3倍；超出2mm時(shí)，兩鐵芯相對(duì)面為平面結(jié)構(gòu)的作動(dòng)器較兩鐵芯為齒形及傾斜角結(jié)構(gòu)的作動(dòng)器產(chǎn)生的電磁力大，在8mm處單向電永磁作動(dòng)器較傳統(tǒng)電磁作動(dòng)器的電磁力提高了36.4%，而兩鐵芯為傾斜角的作動(dòng)器與傳統(tǒng)電磁作動(dòng)器相比僅提高了25%。.永磁體的引入，提高了單向電磁作動(dòng)器的推力密度，然而勵(lì)磁線圈無(wú)電流激勵(lì)時(shí)，其對(duì)銜鐵也存在一定的磁吸力，圖7為勵(lì)磁線圈無(wú)電流激勵(lì)時(shí)，單向電永磁作動(dòng)器中永磁體對(duì)銜鐵的吸力與位移的關(guān)系，圖中橫坐標(biāo)表示位移s(mm)，縱坐標(biāo)表示吸力F(N)。

圖7 吸力隨銜鐵位移變化曲線(線圈無(wú)電流)Fig.7 Variation of electromagnetic attractive force to displacement of armature (no coil current)

為減輕彈簧的額外負(fù)載及提高新型單向電永磁作動(dòng)器的靈敏度，要求線圈無(wú)電流激勵(lì)時(shí)，永磁體對(duì)銜鐵的吸力越小越好，由圖7分析可知，兩鐵芯傾斜角為50°的單向電永磁作動(dòng)器的動(dòng)態(tài)性能最好，兩鐵芯相對(duì)面為齒形結(jié)構(gòu)的作動(dòng)器次之，兩鐵芯呈平行面的作動(dòng)器最差。

以上主要分析了不同鐵芯結(jié)構(gòu)及銜鐵距鐵芯相對(duì)位移對(duì)電磁吸力的影響，綜合評(píng)價(jià)得出，兩鐵芯傾斜角為50°的新型單向電永磁作動(dòng)器性能最優(yōu)。在滿(mǎn)足鐵芯飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度及散熱良好的情況下，改變勵(lì)磁線圈的電流，基于非線性擬合得出作動(dòng)銜鐵受到的電磁吸力，以X軸代表電流I(A)的大小，Y軸代表位移s(mm)的變化情況，得出Z軸電磁吸力F(N)變化趨勢(shì)，見(jiàn)圖8。

由圖8可以看出，兩鐵芯傾斜角為50°的單向電永磁作動(dòng)器對(duì)作動(dòng)銜鐵的電磁吸力隨著電流的變大及位移的減小而增大，反之，電磁吸力減小；在一定范圍內(nèi)電磁吸力與電流、電磁吸力與位移呈線性關(guān)系。電流在1.5A、位移(1～3)mm條件下，電磁吸力增加幅度較大，距鐵芯距離為8mm時(shí)，電磁吸力增加幅度相對(duì)緩慢。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新型單向電永磁作動(dòng)器并對(duì)其主要參數(shù)進(jìn)行了研究以及對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。采用有限元法分析了線圈有、無(wú)激勵(lì)時(shí)電永磁作動(dòng)器磁通量分布情況，表明了所設(shè)計(jì)的單向電永磁作動(dòng)器工作的可靠性；通過(guò)分析對(duì)比不同鐵芯結(jié)構(gòu)對(duì)電磁吸力的影響，得出兩鐵芯呈50°傾斜角結(jié)構(gòu)的單向電永磁作動(dòng)器力學(xué)性能最優(yōu)，且在同等條件下其對(duì)作動(dòng)銜鐵的電磁吸力約為無(wú)永磁作動(dòng)器的3倍。隨著作動(dòng)銜鐵位移的增加，其所受電磁吸力雖大幅度減小，但在最大位移處對(duì)銜鐵的電磁吸力與單向電磁作動(dòng)器相比提高了25%；此外，因永磁體的存在降低了勵(lì)磁線圈的電能消耗。本文提出的單向電永磁作動(dòng)器的設(shè)計(jì)理論和方法對(duì)新型大推力密度、低電流作動(dòng)器的研發(fā)具有一定的理論與實(shí)際意義。