藍(lán)益鵬,李增樂(lè)

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

0 引 言

在傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)裝置是“旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)+滾珠絲杠”的配合方式，由于存在中間傳動(dòng)裝置的，大大的限制了數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)裝置的速度、精度和效率。相比之下，直線電機(jī)的傳動(dòng)性能更加優(yōu)越，將直線電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，既可以實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，還省去中間傳動(dòng)裝置，具有高動(dòng)態(tài)響應(yīng)，高精度，噪音低，行程長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但是直線同步電機(jī)有法向力的存在對(duì)系統(tǒng)的導(dǎo)軌影響和摩擦損耗會(huì)影響機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的精度[1-2]。

磁懸浮技術(shù)與直線電機(jī)相結(jié)合應(yīng)用于高精度直線驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床的研究,目前主要以電磁鐵實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給平臺(tái)的懸浮，以達(dá)到無(wú)摩擦進(jìn)給，但是結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，成本昂貴[3]。因此，直線磁懸浮電動(dòng)機(jī)作為數(shù)控機(jī)床直線驅(qū)動(dòng)的裝置則有著重要意義。利用直線電機(jī)的法向力使電機(jī)實(shí)現(xiàn)懸浮，直線磁懸浮同步電動(dòng)機(jī)具有直線同步電動(dòng)機(jī)響應(yīng)速度快、定位精度高、零傳動(dòng)進(jìn)給等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)根本上消除了數(shù)控機(jī)床摩擦問(wèn)題?？刂茟腋「叨确€(wěn)定，選用電勵(lì)磁直線磁懸浮電動(dòng)機(jī)和混合勵(lì)磁直線磁懸浮同步電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置。

在本研究中，分析混合勵(lì)磁直線磁懸浮同步電動(dòng)機(jī)(Hybrid Excitation Linear Maglev Synchronous Motor， HSLMSM)的特性。HELMSM的物理特性是混合激勵(lì)，它結(jié)合了永磁體的高能量密度和易于實(shí)現(xiàn)的電激勵(lì)的可控性。HSLMSM具有提高懸浮氣隙高度、降低平臺(tái)總重量和顯著改善熱條件等優(yōu)點(diǎn)[5]。HELMSM的有效氣隙很大，它包括具有高性能的永磁體高度和定子的大槽。此外，由于該裝置是一個(gè)三維(3-D)模型，泄漏通量表現(xiàn)出復(fù)雜的行為，需要對(duì)三維電磁場(chǎng)計(jì)算進(jìn)行詳細(xì)的研究。因此，采用三維有限元法(FEM)計(jì)算懸浮力和推力，以避免計(jì)算誤差[6]。并驗(yàn)證HELMSM在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用的可行性。

1 HELMSM 結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型

1.1 HELMSM的基本結(jié)構(gòu)

HELMSM由定子和動(dòng)子構(gòu)成。定子部分與基座相連，而動(dòng)子與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是一體。定子槽形為開(kāi)口形，便于安放勵(lì)磁繞組，槽口用金屬槽楔固緊，每個(gè)槽中安放兩組線圈，兩組線圈反方向纏繞在相鄰的兩個(gè)大齒上，永磁體以及弧形導(dǎo)磁金屬塊安裝在大齒上，大齒中心即為磁極的中心。動(dòng)子由動(dòng)子鐵心結(jié)構(gòu)和采用單層迭繞的三相繞組構(gòu)成。圖1顯示了進(jìn)給平臺(tái)三維結(jié)構(gòu)圖，圖2為HELMSM的獨(dú)立結(jié)構(gòu)。

圖1 進(jìn)給平臺(tái)三維結(jié)構(gòu)圖

圖2 混合勵(lì)磁直線磁懸浮同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

該電機(jī)由安裝在定子上的高性能永磁體對(duì)動(dòng)子產(chǎn)生的吸引力實(shí)現(xiàn)懸浮。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的懸浮，必須通過(guò)永磁體周圍的直流勵(lì)磁線圈來(lái)調(diào)節(jié)永磁體的磁通量。

動(dòng)子的鐵心都是硅鋼片疊加而成，以減少渦流的影響。永磁體的選擇規(guī)格是為了允許在額定氣隙中無(wú)需任何額外電力的情況下使得進(jìn)給平臺(tái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮。為保證HELMSM的設(shè)計(jì)合理和最佳，選用的永磁材料為N35SH，其計(jì)算剩磁密度1.15T，計(jì)算矯頑力為882kA/m，相對(duì)回復(fù)磁導(dǎo)率為1.04[7]。表1列出了HELMSM的基本設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 HELMSM基本參數(shù)

1.2 HELMSM的電磁力數(shù)學(xué)模型

在一定的假設(shè)條件下，建立HELMSM的數(shù)學(xué)模型，電磁推力和懸浮力方程。

采用id=0的控制策略，由電壓方程和磁鏈方程推導(dǎo)出電磁推力和懸浮力的經(jīng)驗(yàn)公式分別為[8]

(1)

(2)

式中,Fx、Fy為電磁推力與懸浮力；id、iq分別為電樞直軸電流和電樞交軸電流；if為磁極勵(lì)磁電流；ψpm為永磁體磁鏈；Lmd為定子在直軸的互感；g為氣隙高度，Lq為電樞繞組交軸自感。

一般情況下，if，iq在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時(shí),Lmdif和Lqiq比ψpm小得多，因此，式(1)和式(2)可簡(jiǎn)化為

(3)

(4)

電磁推力Fx主要與交軸電流iq有關(guān)，法向吸磁力Fy主要與勵(lì)磁電流if有關(guān)。調(diào)節(jié)iq能夠控制電磁推力，調(diào)節(jié)if能夠控制法向吸磁力。

2 HELMSM的磁場(chǎng)三維有限元分析

由于二維(2-D)有限元分析模型僅僅描述了電動(dòng)機(jī)的中心截面，不能表達(dá)漏磁的復(fù)雜行為，為了研究電動(dòng)機(jī)的基本特性更為準(zhǔn)確[9-10]，采用三維有限元分析方法對(duì)HELMSM的磁場(chǎng)分布和電磁力進(jìn)行分析。在三維有限元計(jì)算中，采用了商用有限元軟件“ANSYS-Maxwell”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的基本數(shù)據(jù)畫(huà)出電動(dòng)機(jī)的三維模型，三維模型的計(jì)算網(wǎng)格如圖3所示。模型由351256個(gè)四面體單元組成。

圖3 三維有限元模型及計(jì)算網(wǎng)格

計(jì)算時(shí)間和可達(dá)到的誤差極限是三維仿真的重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。為了獲得較小誤差的有用結(jié)果，電動(dòng)機(jī)的氣隙必須至少分為3層。圖4顯示了當(dāng)氣隙高度為2mm時(shí)，無(wú)電樞電流和無(wú)直流勵(lì)磁電流時(shí)，定子和動(dòng)子鐵心中的磁通矢量分布。在側(cè)面有一個(gè)大的漏磁通與動(dòng)子的鐵心相連。這種橫向通量可能導(dǎo)致二維有限元計(jì)算中出現(xiàn)誤差[6]。

圖4 磁通矢量分布

圖5為直流勵(lì)磁電流為0A時(shí)，動(dòng)子鐵心、定子鐵心和永磁體的三維法向氣隙磁通密度分布，動(dòng)子中心處的法向磁通密度約為0.64T，側(cè)邊處的法向磁通密度約為0.25T。

圖5 氣隙磁通密度分布

圖6顯示了3個(gè)不同直流勵(lì)磁電流值(0A、+10A和-10A)的氣隙磁通密度分布。由于該電動(dòng)機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，氣隙磁通密度分布為非正弦分布，包含大量諧波含量。如圖所示，磁通密度的大小隨直流勵(lì)磁電流的方向而減弱或增強(qiáng)。磁通密度的最大值為0.87T，最小為0.54T。

圖6 不同直流電流的氣隙磁通密度

為了調(diào)整HELMSM的磁通控制水平，磁通控制系數(shù)α為[11]

(5)

式中，F(xiàn)Y0為無(wú)直流電流產(chǎn)生磁場(chǎng)時(shí)的懸浮力， 是施加直流時(shí)的磁通密度。

圖7 懸浮力與直流勵(lì)磁關(guān)系圖

圖7說(shuō)明了懸浮力控制能力與直流勵(lì)磁的關(guān)系。從圖7可以看出，在直流電流變化較小的情況下，可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)寬的磁通控制范圍。當(dāng)施加±10 A的變化時(shí)，磁通控制(無(wú)負(fù)載)在磁通增強(qiáng)模式(高懸浮)下的范圍約為59.9%。在弱磁模式下(低懸浮力至-58.3%。此外，圖中還顯示了模型的直流勵(lì)磁電流在±10A范圍內(nèi)基本保持線性電動(dòng)機(jī)磁路未達(dá)到飽和，電動(dòng)機(jī)的磁通控制能力良好。懸浮力和勵(lì)磁電流基本保持線性關(guān)系，驗(yàn)證了懸浮力表達(dá)式的正確性。

圖8為電磁推力與交軸電流變化的曲線，從圖中可以看出兩者基本保持線性關(guān)系，驗(yàn)證了電磁推力表達(dá)式的正確性。

圖8 電磁推力隨交軸電流變化曲線

3 結(jié) 論

(1)研究了HELMSM的基本結(jié)構(gòu)，并對(duì)其運(yùn)行原理進(jìn)行論述，給出了HELMSM在d-q坐標(biāo)系中的電磁推力和懸浮力的解析表達(dá)式。

(2)搭建了HELMSM的三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有限元模型，并進(jìn)行有限元計(jì)算，分析了電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)分布以及電磁推力和懸浮力的特性分析，驗(yàn)證了if，ig在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時(shí)，電磁推力和懸浮力的解析表達(dá)式的正確性。

(3)電磁推力和懸浮力，調(diào)節(jié)范圍廣，控制相對(duì)簡(jiǎn)單，更適于數(shù)控機(jī)床的零摩擦進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，為數(shù)控機(jī)床的磁懸浮直接進(jìn)給技術(shù)的研究提供了科學(xué)依據(jù)。