Structure Design of a Novel DC Linear Motor with Great Thrust Force
Li Liyi Liu Hongyu Liu Baoting
(Harbin Institute of Technology,Harbin 150001)
【Abstract】 With the increasingly development of aeronautics and aerospace,the question which substitute electrical mechanism for hydraulic mechanism in various aircraft of aeronautics and aerospace is put forward,for the purpose to overcome the shortcomings existed in hydraulic mechanism,such as volume and weight,complicated structure,high cost and poor reliability.This paper tries to seek a novel DC linear permanent motor which has multilayer-airgap and plate armature with slot,and well solve the problem that this kind of motor required high proportion of thrust-force to volume.
【Keywords】 slot linear motor multilayer-airgap plate armature
1 引 言
目前，飞行器的主飞行控制动力一般由液压系统提供。随着现代控制技术的应用和发展，传统的液压动力系统的不足之处便暴露出来。
(1) 对工作环境有一定的要求，污染的液压油会使阀门及液压执行机构堵塞，甚至会损伤元件，使系统发生障碍。
(2) 液压元件的公差要求严格，制造成本高。
(3) 由于液压伺服系统分析的复杂性，缺乏并难于获得设计的基本程序。
(4) 就处理小信号的数学运算、误差的检测和放大、测试与补偿、自动化与实现远距离传输等功能而言，液压系统不如电气系统那样灵活、线性好、准确和便宜。
因此，用直线电动机取代液压机构的设想被提出来。目前，直线电机以结构简单、定位精度高、反应速度快、灵敏度高及随动性好等优点，在一些小型火箭等飞机器上已经开始使用这种电机作为控制系统的执行机构。在大型火箭上，用大推力直线电动机取代传统液压机构的探索、研究工作正逐步展开。研究的关键是提高直线电动机的推力，减小体积和重量。
本文所研究的直线电机是永磁式直流直线电机，具有4层气隙，5组磁极。为了产生足够高的气隙磁密以达到对电机推力指标的要求，该电机采用了电枢开槽式结构。使电机推力基本不随其运动位置变化而变化，该电机动圈长出定子多于一个行程的距离。为了能够实现多气隙结构，该电机采用了平板式结构。
2 多层气隙结构原理
对于直流直线电动机，不管开槽与否，其推力都可以按下面公式计算：
(1)
式中：Bg—气隙磁密；
l—单个导体的长度；
i—电枢电流。
设l′为气隙表面的总长度，则式(1)也可以写成
(2)
式中：Φ—总的气隙磁通(Wb)；
A—电动机线负荷(A/m)。
由式(2)可见，要想提高直线电动机的推力，可以从Φ和A两个方面入手。
2.1 对增加A的讨论
A是电机的线负荷，即沿电机运动方向单位距离中的安匝数。对线负荷的选择主要从电枢反应对磁钢的去磁作用与电机发热两个方面考虑。一般小型电机的线负荷为20～80kA/m。
对于有槽电机，导体置于槽中，总安匝数是导体中电流密度与电机总槽数的乘积。由于槽宽与齿距的比例一定，在导体中电流密度一定的前提下槽深与线负荷近似成正比。
在设计直流电动机时，选择小齿距可以削弱力矩(推力)波动。开槽的短行程的直流直线电动机对齿距要求更小，至少应使行程在齿距的4～5倍以上。另一方面，槽深与槽宽的比例不能太大，否则槽漏磁及齿磁压降将明显增加，影响电机性能。所以槽深也不会太长。这样，这种直线电动机的线负荷就被限制在某一范围以内。
2.2 对增加Φ的讨论
总的气隙磁通Φ是气隙磁密Bg与总的气隙面积的乘积，受到永磁材料剩余磁密和导磁材料磁导率的限制，Bg也不会无限制地增长。一般电机的气隙磁密在0.8T以下。因此，要想提高Φ就要从提高总的气隙面积入手。
对于一般的圆筒型直流直线电动机而言，其横截面如图1所示。圆筒型直流直线电动机气隙面积为πDL，D为气隙处的直径，L为直线电动机轴向长度。可见，如果增加L，电机体积将以相同的比例随之增加；如果增加D，电机体积将以二次幂的速度增加。
图1 圆柱形截面直流直线电动机结构示意图
由图1可见，在电枢铁心部分有一部分空间(图中虚线和轴之间的部分)利用率很低，即不需要它导磁，也不需要它承担机械载荷。如果对这部分空间加以利用，就会在不增加电动机原来体积的前提下增加电动机推力。也就是假想大的电机里面套一个小电机，共同产生水平推力，形成一种多层圆筒型直线电动机。但是这种结构电机的动子支撑问题很难实现，因此也不可行。
一般的平板型直线电机的结构如图2a所示。对于 种结构，如果不改变结构形式增加气隙面积,可以通过增加电机轴向及横向尺寸来实现。但是，这种方法也将使得电机体积按相同比例增加。
(a) 平板形单层电枢直线电动机结构原理
(b) 平板形双层电枢直线电动机结构原理
图2 平板型直线电动机结构
采用图2b所示的多层气隙结构可以在体积增加比较小的前提下大幅增加气隙面积。电机中每一组三个磁极中，上下两块尺寸一致，中间一块厚度基本上是两侧磁钢的2倍。磁极按磁场方向相对放置。即每块磁钢的磁场方向总与相邻的磁钢相反。这样，磁力线的分布如图2b所示。对于中间磁钢的磁路，只在磁钢、气隙、电枢轭部和齿部有磁压降，由于没有定子轭，这样就大大减少了电机体积。由此可见，这种增加气隙层数，也就是增加磁钢和电枢动子层数的方法可以有效地减少电机体积，降低电机重量，同时增加电机的推力。作者对这种新型结构的电机进行了磁场分析和计算，并研制了原理样机。电机的结构示意图如图3所示。
(a) 主视图
(b) 俯视图
图3 电机结构示意图
3 电机主要部件
采用平面多层式结构在体积有限增加的前提下大大增加了气隙的表面积，电机的推力有了大幅的提高。但同时由于磁路及装配方面限制的原因，电机外壳及内部结构件都成为平板式结构，这给电机整体结构刚度及装配精度的提高带来一定困难。
在电机加工和装配过程中，如何保持各层气隙和长度的均匀，以及电机两端板上直线轴承孔的同轴成为保证电机性能的关键。
3.1 磁极
从图2b可见，在中间层磁极部分，磁力线直接从磁钢的上下表面穿进穿出，有效地减少了电机尺寸。但是这样一来，就给中间层磁钢的固定带来一些困难。在电机工作时，虽然除了产生水平推力外，由于结构和磁路的对称，原则上在垂直动子运动方向的合力为零，但对于磁钢的某一部分，垂直于运动方向的磁拉力是存在的。另外，由于机械加工误差的存在不可能使电机结构绝对对称，因此也有垂直方向的分力产生。总之，磁钢将会受到各
方向的力。
为此，本文采取四周粘接的方法，来有效地固定磁钢。如图4所示，为提高磁钢保持架的强度，采用不锈钢板，用线切割的方法加工出一些与磁钢相同形状的槽，使用高强度树脂胶把磁钢四个侧面与磁钢保持架粘接在一起。这样，当磁钢受到垂直方向的磁拉力时，该力表现为磁钢与保持架表面的剪切力。经过计算树脂胶的粘接力足以克服此剪切力，并且，由磁拉力引起的保持架的挠度变形也在允许范围之内，结构的可靠性得以保证。
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