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無刷電磁彈射器中電磁力的仿真計算

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.zgdlzj.com瀏覽數:3285


 摘要:設計了一個基于無刷直流直線電機的電磁彈射器模型.采用二維場仿真方法計算了模型的電磁力靜態特性曲線,分析了結構參數如氣隙長度,磁鋼厚度,鐵磁材料特性等對電磁力特性的影響。該分析對模型的設計具有重要的指導意義。

1前言

   電磁發射技術的基本工作原理是將通電電樞置于直線加速器或其他類似的磁場中,利用作用在電樞上的電磁力,使攜帶電樞的物體獲得連續向前的加速度,從而達到發射的目的。電磁彈射是指被發射的物體不啟用自身的動力裝置,而以電磁力為加速手段,靠發射器賦予的起動力獲得足夠的運動能量實施起飛的一種發射方式。近年來該項技術的發展在國際上備受關注。

   從電機理論的角度出發,已經進行研究的電磁發射器的物理模型主要有普通直流電機型,感應電機型,同步電機型,磁阻電機型等等。從電機本體和驅動控制的角度來看,無刷直流電機是驅動電機發展的主潮流,尤其是在速度和位置伺服控制的領域,它擁有比其它電機更優異的性能。為此,本文提出了一種基于無刷直流直線電機原理的電磁彈射器模型設計方案,進行了模型設計,并采用仿真分析的方法計算了電磁力和定位力特性。

2無刷型電磁彈射器的原理

 圖1旋轉無刷直流電動機原理框圖

 圖2 無刷直流直線電機原理示意圖

一臺普通的旋轉無刷直流電機的原理框圖如圖1所示。如果把該臺電機轉子的旋轉運動轉化為直線運動,到一個雙邊無刷直流直線電機的結構,如圖圖2所示。由于無刷直流電機的主極采用永磁結構,因此對應的直線電機要采用雙邊結構,以抵消徑向單邊磁拉力的影響。

從結構上看,形成主極磁場的永磁磁鋼即可以放在定子上,也可以放在動子上,這兩種方法各有優缺點,如下表所示。

   綜合看來,應當是以動子上裝配磁鋼、定子上放置繞組方案為好。

3電磁彈射器的模型設計

   設計一個上述原理的電磁彈射器模型,難點主要在于:用合適的空問和工作方式把普通無刷直流電機的旋轉運動轉化成直線運動;把實現的直線運動傳遞到被加速物體上。

   在一臺普通的無刷直流電機中,轉子采用表面磁鋼結構,機械運動從轉子軸伸端傳遞出去。變成雙邊結構的直線電機剖面示意圖,如圖3所示。圖中電機采用短磁極長電樞方案,直線電機的動子即旋轉電機的轉子部分,直線電機的定子則由多個旋轉電機的定子組成。為了保證磁路、電路參數和機械結構的對稱性。應保證如下設計原則:

 (1)雙邊的結構相同,包括齒、槽尺寸,氣隙長度等;

 (2)動子正好取一個單元電機的尺寸,定子則正好取多個單元電機的尺寸,這些單元電機的定子繞組依次串聯。

 圖3無刷型電磁射器結構示意圖

 圖4 電磁彈射器的截面圖

為了便于把動子的直線運動傳遞到被加速物體上,彈射器模型采用圓筒型結構是不合適的,因為圓筒型結構中

動子和定子鐵心必然是同軸安裝方式,機械運動只能從動子兩端傳出。由于采用了長定子電樞結  構,這種方式必然會增加模型運動方向的長度,使模型體積龐大。

   采用矩形結構設計的彈射器模型橫截面如圖4所示。這種結構克服了圓筒型結構截面為封閉式的缺點,它的上下左右四個方位中,左右兩個用于定子和動子的電磁耦合。上下兩個方位用于支撐和把運動傳遞到發射支架上。

為了實現動子的支撐和運動傳遞,采用了一種特殊的單邊帶法蘭的單列向心球滾動軸承。這種結構限定了動子x、y方向的自由度,動子只能在z方向上作直線運動,實現了模型的設計目的。

4電磁力的仿真計算

   根據麥克斯韋爾的觀點,作用在媒質任意區域上的體積力可以歸結為這一區域表面所受的張力。磁場中的張力就是沿B線方向的縱拉力和垂直于B線的側壓力,在均勻各向同性的媒質中,在單位面積上張力的大小都等于積儲于單位體積內的能量,即 。這樣,對分界面進行電磁力面密度,的面積分,就可以求得分界面上的電磁力。

   動子上產生的電磁推力的計算示意圖如圖5所示。在所設計的模型中,磁路結構是關于動子中心線對稱的,而且如果忽略端部效應,電磁力在動子表面沿著軸向處處均勻,因此對應圖中面積為ds單元產生的電磁力為

      (1)式中:l一動子x方向上的長度。

   總的電磁力即為  (2)

   由于磁路結構是對稱的,為了減小計算面積,提高計算精度,實際計算中只選取了一半場域,如圖6所示。模

型的邊界條件為    (3)

              

圖5電磁力的計算方法                   圖6仿真計算模型

   靜態力特性是指在定子繞組通電狀態不變的情況下,動子所受到的電磁推力與x方向動子位置的變化關系。對應某一種通電狀態,得到相應的電磁力靜態特性曲線如圖7所示,電磁力的幅值約為363N。

   圖7電磁力靜態特勝曲線

5結構參數的影響

   對電磁力特性影響最大的是結構參數:如氣隙長度、磁鋼厚度、材料特性、通電方式等。通過對這些影響的分析,可以得到對應所設計模型的最優參數。

5 .l磁鋼厚度的影響

電磁推力幅值的大小與氣隙磁密的平方成正比,而氣隙磁密的大小與磁鋼厚度密切相關。磁鋼越厚,氣隙磁密的數值越大;但由于鐵心存在飽和特性,當磁鋼厚到一定程度以后,氣隙磁密的增加幅度會越來越小。這時再增加磁鋼厚度,模型的體積會更龐大,造價會更高,但力能指標卻沒有明顯提高。因此,存在一個比較優化的磁鋼厚度值。對應不同磁鋼厚度時的電磁力幅值特性曲線如圖8所示。從圖中可以看出,取磁鋼厚度為6mm左右是比較理想的。

           磁鋼厚度/mm

   圖8不同磁鋼厚度時的電磁力幅值曲線

5.2氣隙長度的影響

在電磁彈射器模型的設計參數中,對性能指標影響最大的是氣隙長度。氣隙長度增大,則氣隙磁密要按照近似的指數規律下降,電磁力的幅值也要大幅度下降;隨之帶來的好處是定位力幅值也大幅度下降.同時結構不對稱的影響也會減小,對機械安裝的精度要求也要下降。反之,若氣隙長度減小,電磁力的幅值要大幅度增大;但對機械安裝的精度要求也更嚴格。對應不同氣隙長度時的電磁力幅值特性曲線如圖9所示。從特性曲線和機械工藝兩方面考慮,氣隙長度l—1.5mm應當是比較理想的。  

    圖9不同氣隙長度時的電磁力幅值曲線

5.3鐵磁材料的影響

   由于采用了普通的導磁材料,因而鐵心中的磁壓降不能忽略不計。實際仿真計算時輸入了材料的磁化曲線數據。如果采用好的鐵磁材料,鐵心的磁導率會更高,磁壓降會更?。畾庀洞琶軙龃?,電磁力幅值也要增大。對應不同鐵心磁導率時的電磁力幅值特性曲線如圖10所示。

 圖10不同捆對磁導率時的電磁力幅值特性

    曲線中,電磁力幅值的極限值就是當采用理想鐵磁材料(鐵心的磁導率為無窮大)時的電磁力幅值為429N。與圖7中曲線對應的電磁力幅值363N相比,電磁力幅值下降的百分率為15.4%。因此,采用性能更好的導磁材料米提高模型的材料利用率,其效果還是比較可觀的。

6結論

   (1)基于無刷直流直線電機原理的電磁彈射器在作用原理、控制方式、動態特性等方面具有一定的優勢。

   (2)其工作方式可以是動磁極,也可以是動鐵心和繞組。在行程較短的場合,動鐵心和繞組是比較適宜的;在電磁彈射器模型中,采用動磁極的方案比較有利,雖然這會給位置檢測帶來一定的不便。

   (3)結梅參數對電磁力的靜態和動態有很大的影響,所作的仿真分析結果對電磁彈射器模型的設計具有重要的指導意義。

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