一种用于电织针的超薄直线电机磁路与结构设计方案的有限元分析

范良志，张 楠，毕文武

（武汉纺织大学 机电工程学院，湖北 武汉 430073）

一种用于电织针的超薄直线电机磁路与结构设计方案的有限元分析

范良志，张 楠，毕文武

（武汉纺织大学 机电工程学院，湖北 武汉 430073）

针对一种超薄永磁直线同步电机，在苛刻的尺寸约束条件下重点针对初级导线的布置、永磁的体积确定及布置方式进行研究，最后借助有限元分析软件AN SYS进行仿真，仿真结果能较好的满足电机的约束条件。分析计算表明，设计方案可行，为进一步开展电机的实际试制工作打下了良好的理论基础。

永磁直线同步电机；电机结构；有限元；AN SYS

1 引言

随着纺织工艺水平的不断提高，对纺织机械的效率、响应速度、控制的繁简程度均提出了更高的要求。永磁直线同步电机是一种新颖电机，近年来在纺织机械领域的发展较快。与利用旋转电机和中间转换装置产生直线运动相比，永磁直线同步电机因采用直接驱动，具有反应速度快、灵敏度高、随动性好等优点，不存在反向间隙带来的非线性影响，还能简化装置，节省空间，减小系统惯性，降低整个系统成本。因此关于永磁直线同步电机在纺织领域的应用研究越来越多。

本文通过对永磁直线同步电机总体结构，初级、次级设计的研究，获得了一套完整的设计方案，并通过ANSYS仿真软件进行仿真，验证了结果的可行性。

2 永磁直线同步电机的总体结构

目前常用针织机械机最大往复行程通常大约为15～20mm，最高往复工作频率30Hz，定位精度要求0.5 mm既可，可随最大行程要求进行适当调整，织针头部能够提供的最大拉力不小于10N，实际能承受的最大拉力约30N左右。

综合考虑载流导线布线工艺手段及最大承载电流能力要求，同时也限于已有各种永磁体的最大表面剩磁提供能力（见下文），课题组采用采用双边推力、动磁式设计的总体结构（见图1）。

图1 总体结构图

3 初级结构

初级由硅钢片和导体铜箔组成。美国学者Davis等人[1，2]采用化学蚀刻、电镀的方法制造电枢的导体。与其方法类似，课题组选用0.35mm单层硅钢片（磁导率1000），在其上面通过聚酰亚胺粘接剂（厚度10um）将铜箔固定。每层铜箔构成一相线路，三层叠加构造出三相驱动绕组。铜箔的厚度通常有18μ m、35μ m、55μ m和70μ m四种，本文选用厚度为σ=18μ m、宽度为w=1mm的铜箔做载流线，其最大承载电流强度为2A。这样铜箔的截面积A=σw=0.018× 1=0.018mm2。取样铜箔长度为L=1m，则该段铜箔的电阻为：

其中：R为铜箔电阻，单位为Ω；ρ为电阻系数，单位为Ωmm2/m；L为铜箔取样长度，单位mm；A为铜箔的截面积，单位m2；W为铜箔宽度，单位mm；σ为铜箔厚度，单位μ m。针对动磁式直线电机的方案，铜箔载流线采用 “几”字型（见图2）按照间隔ε=10μ m进行布置电枢线圈的布置。

图2 “几”字型布线

设气隙磁感应强度为B，电枢导体宽度为L，电流强度为I，对应每单股电流所承受的电磁力为F=BIL 。取B=1T，I=1A，L=0.005m，则F=0.005N。按双边推力模式，最大电磁力30N分布于单面需要有15N，对应于15/0.005=3000股电流。

4 次极结构

在永磁电机中，永磁体的性能对电机性能的影响无疑是非常大的。在本文进行永磁直线同步电机设计中，采用扁平形矩形薄片磁极。

对于永磁同步直线电机，假设其外磁路中每极总磁位降为F，每极气隙磁位降为Fδ,则有：

其中：ks为外磁路饱和系数；kδ为气隙系数；δ为气隙长度；Hδ为气隙内的磁场强度。根据磁路的欧姆定律，由永磁体和外磁路组成的闭合磁路满足：

其中：H为永磁体产生的磁场强度；hm为永磁体厚度；Φδ为主磁通；σ为漏磁系数；Φ m为永磁体向外磁路提供的磁通。即：

其中：B为永磁体产生的磁密；Bδ为气隙磁密；Sδ为每极气隙的面积；Sm为永磁体的面积；μ 0为真空磁导率。将式(4)中两方程相乘得：

其中：Vδ为气隙体积；Vm为永磁体体积；Sm 为永磁体面积；hm为永磁体厚度。

由式(6)可知,永磁体的体积取决于B和H的乘积,当工作点设计在最大磁能积点时,永磁体的体积最小。利用式(6) (7) (8)可粗略估算出永磁体的尺寸。本文次级是采用0.5mm×0.5mm×0.5mm烧结小磁体（可直接采购的最小体积钕铁硼强力磁体）粘结、拼接固塑成规格为60mm×0.5mm×5mm矩形薄片，外表面用环氧树脂加强厚度10um。

经查资料[4]，[5]可知，永磁体工作点在回复线上，对于常温下的钕铁硼永磁材料，其退磁曲线基本为直线，因此回复线与退磁曲线基本重合。可以近似描述为：

式中：B是永磁体中的磁感应强度，单位为T；H是永磁体中的磁场强度，单位为A/m；Mr是永磁体的剩余磁化强度，单位为A/m；Br为永磁体的剩磁向量，单位为T；μ 0是真空磁导率，其值为4π× 10-7N/A2。

5 有限元分析

有限元分析法在电磁计算中广泛应用，有限元商业化软件也不断推陈出新，它所具有的服务对象明确、操作简单、通用性强、能够最大限度减轻求解方程中繁琐的工作量等鲜明特点使它被越来越多的工程设计、科学研究和教学工作者所使用。文中有限元分析部分使用的是ANSOFT公司的ANSYS有限元分析软件[6，7]。图3 为直线电机的有限元模型。初步选定磁体为烧结钕铁硼稀土磁铁（Hc=700kA/m，Br=1.0T）和相同的硅钢片导磁率（1000），磁铁厚度设置为0.5mm，宽度4mm，动子厚度均设置为0.4mm，采用二维静态磁场有限元分析得到：

图3 气隙磁场强度

在气隙位置处的磁感应强度能够接近大约0.5T值，磁感应强度较高。能够满足设计的需要。存在的问题在于,硅钢片内的磁场强度过高，接近于饱和，而且硅钢外部存在强度不大一定程度的漏磁。在动子做往复运动的过程之中，将影响到相邻织针的推力输出，需要通过对驱动电流的合理控制，消除相邻织针电磁耦合的影响。考虑到有限元计算的可靠性与有效性依赖于模型本身的设计选择与物性参数选择，本文的后续工作还需要结合样机试制试验数据的对比来进行。

6 结论

本文主要研究了永磁直线同步电机的结构设计。采用铜箔粘贴及化学蚀刻工艺在初级上布置电枢线路；采用小磁体粘结工艺进行次级磁铁的布置，经ANSYS仿真得到了较为理想的结果。由于此类超薄永磁直线同步电机的深入研究和大规模的应该在国内还尚属起步阶段，科技水平和资金因素限制该技术的发展。但是，随着电机技术的发展，上述问题会被逐渐解决，超薄电机具有广阔的发展前景。

[1] M.V.Shutov, E.E.Sandozx, D.L.Howard, et al.. Miniature Linear Motor, Proceedings of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers(SPIE)[J]. 2003, Vol.4878:32-37

[2] M.V.Shutov, E.E.Sandoz, D.L.Howard, et al.. A Microfabricated Electromagnetic Linear Synchronous Motor, Snesors and Actuators A Physical[J]. Vol.121, 2005:566-575

[3] 叶云岳.直线电机原理与应用[M].北京:机械工业出版社, 2000.

[4] 王秀和.永磁电机[M].北京：中国电力出版社, 2007.

[5] 唐任远.现代永磁电机[M].北京:机械工业出版社, 1997.

[6] 孙明礼.ANSYS 10.0电磁学有限元分析实例指导教程[Z]. 2007.

[7] 刘豪.基于ANSYS的无槽永磁直线同步电动机磁场分析[J]．煤矿机电, 2009.3.

Finite-element Analysis for Ultra-thin Linear Motor Used for Electrical Needle Magnetic and Structural Design

FANG Liang-zhi, ZHANG Nan, BI Wen-wu

(Dept. of Electrical and Mechanical Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China)

This paper studies on an ultra-thin permanent magnet linear synchronous motor, in harsh constraints conditions of size; focused on the arrangement of the primary conductor, size of permanent magnet and layout manner. At last, get help from finite element analysis software ANSYS to simulation, the simulation results can be meet the electrical constraints perfectly. Study shows that the design scheme is feasible; and laid a good foundation for further actual works.

PMLSM; Motor structure; FEM; ANSYS

TP37

A

1009－5160(2010)04－0001－03

范良志 (1976-)，男，副教授，研究方向：数控技术、机器人技术、新型电脑针织数字化设备.

国家自然科学基金项目（50805109）.