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速度控制开关磁阻直线电机及其应用

作者: 来源: 发布时间:2018/2/11 16:12:47  点击数:448
1 引言
应厂家要求,进行了速度控制开关磁阻直线电机的开发。在服装机械中 ,直刀式裁剪机的需求较大,其结构是,一旋转电机通过一套曲轴连杆机构带动一刀片作直 线往复运动。该结构主要存在零件加工精度高、偏心机构振动噪声大等缺点。因此,开发适 合此类机械的直线电机,具有很大的市场前景。
2 设计原理与方案
该电机定子、振子导磁材料均采用硅钢片(这是厂家的愿望)。其组成原理[1,2]如图1所示。c1,c2为硅钢片叠成的磁轭,其上绕有激磁线圈l1,l2,振子r与 磁轭的单边间隙为δ.当l1,l2任一线圈通电激磁时,磁场对振子r产生的电磁吸力,大小[3]为:



式中,uδ为气隙磁位降,gδ为气隙磁导.当开关k1,k2交替闭合时,l1,l2 交替通电激磁,产生方向交变的电磁力,使振子r上下往复运动。
3 开关控制方案
开关k1、k2的开合由触发信号q1、q2通过驱动电路g1、g2来控制[2]。问题是q1、q2如何换向,才能使效率最高。
在以前的直线振荡电机中[2],q1、q2由自激振荡器来产生,其恒定的振荡频率很 难与系统固有机械频率一致,因系统机械频率还跟不确定的负载有关,当二者频率不一致时,效率往往难以提高。若q1、q2的换向由振子位置决定[4],当振子运动到上下至 点时,q1、q2换向,但负载不同,上下至点位置也不同。
本人认为,最佳方案一是,q1、q2的换向由振子速度来控制,且换向后q1、q2的相位关系由 换向前的速度方向决定。这样既可使机械、电气频率一致,又能使q1、q2的相位与机械相位 一致,二是,换向点应选在振子速度近零点而不是零点,这样可提高振子振动频率。为实现 上述要求,在振子的非轴伸端固定一永磁体,在附近定子上固定一测速线圈,当振子运动时 ,线圈中就能感应出与速度成正比的电压信号。此电压信号通过控制电路来产生触发信号q1 、q2,达到速控换向的效果。本人设计的控制电路主要由4个运放、3个与非门等元件构成, 为防止电机启动时发生相位自锁,启动时,q1、q2先由自激振荡电路产生,再自动切换到由 速度来控制。

4 样机试制
4.1 电机结构[1,2]

本样机采用图2所示结构,上下磁轭上绕有激磁线圈,隔磁块,起防止两 磁轭间形成磁回路及支撑作用。振子铁心由圆形硅钢片叠成,与磁轭2极面保持均匀气隙。 减振块,可减少振动,且其回弹力有助换向,两轴承为粉末冶金含油轴承。轴端粘合一永磁体,其上下运动时,在测速线圈中感应出随速度变化的信号,通过控制线路控制两激磁线圈 的通断,伸出的轴联接刀片。


4.2 机械参数设计[3]


式中,bδ为气隙磁密,其值与位置x有关,0<x<h(见图1),可在0.05~0.07t间选取,s为气隙极弧面积,s=lx,l为极弧弧长,μ0为空气 磁导率。 
开始设计时,先预定铁心尺寸,再由式(4)校算振子在不同位置的电磁力,使其满足负载的要求,若不满足,则调整尽寸。再算出整个磁路总的磁压降,即为所需的励磁安匝,进而确 定线圈匝数及线径。
4.3实验数据
根据zcd40型直刀裁剪机负载需要,设计制造上述直线电机,对样机与原 单相电容运转电机进行对比试验。空载时,样机的输入功率为47w,原电机为33w。用样机代 替原电机带裁剪机,裁厚度同为4cm的帆布,与原机进行对比试验,结果如表1所示。



5 结论

直线电机,单独运行时,其效率不如普通电机。但在某些应用领域,如直刀裁剪机上,显示了其明显的优点:整体效率有所提高;省掉了曲柄连杆、滑块等机构, 整体成本下降;刀架振动噪声有明显的降低,可提高产品档次。
参考文献:
[1]叶云岳.直线驱动装置与系统[m].冶金工业出版社,2000.
[2]s.a.nasar,i.boldea.linear motion electric machi-nes[m].a wiley-intersecience publication,1982.
[3]钱家骊.电磁吸力公式的讨论[j].电工技术杂志,2001,[1]. 
[4]王宏华.开关型磁阻电动机调速控制技术[m].机械工业出版社,1998.

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