基于动力学分析的电织针电机模型选择与分析

范良志，周向阳，毕文武，张　楠

基于动力学分析的电织针电机模型选择与分析

范良志，周向阳，毕文武，张楠

（武汉纺织大学 机电工程学院，湖北武汉 430073）

本文对针织机械中三角凸轮驱动织针进行了针织运动动力学分析，给出了一种基于直线电机驱动原理的电织针的设计要求：（1）电织针往复运动行程20mm；（2）往复运动频率60Hz；（3）电织针的最大加速度达到大约29个重力加速度。永磁体面对面安装动圈式直线电机结构有能力满足这一设计要求，合理的电织针驱动电流密度与电织针散热设计是进一步提高电织针动力学性能，同时也是提高针织织机性能指标最有效的方法。

电织针；直线电机；三角凸轮；针织

1　引言

无论哪一种针织工艺，最后都表现为织针按照指定的节拍和位置，做上下往复运动，实现成圈、集圈、浮线等编织工艺。经典的织针驱动原理在突出的性能与可靠性指标之外，也表现出了明显的缺点，特别是高能耗。织机的驱动能量大部分用于三角-织针，以及织针-织针，织针-针槽之间的摩擦发热，从而对加工精度、织针材料、润滑等诸多方面提出了很高的要求。对于高档的电脑提花织机来说，需要增加一套电子-机械选针传动装置，动作部件多，总体数量庞大，很大程度上增加了高性能织机的可靠性保障难度[1~6]。

本文将直线电机技术引入到针织机械的核心机构之中，将传统针织织针设计为一台直线电机，即直线电机驱动织针（简称电织针）[7]，如图1，研究一种与现有各类针织机械不同的织针运动原理与关键部件，织针运动完全电动化，能够从工作原理上最大程度上减少运动部件的数量，同时实现织针轨迹的可编程，用软件对应三角（凸轮）跑道，实现各种织针工位要求，不再需要三角（凸轮）驱动或者含有机电动作的电子选针器等控制机构，从而达到简化机构设计，消除摩擦，提高系统动态性能指标的目的。

图1　提花针织驱动原理与电织针驱动原理示意图

2　针织织针的性能指标要求

以广泛运用的针织大圆机为参照[8]，当前常见的高性能针织大圆机针号通常为E16针～E32[9]，即每英寸16根织针或32根织针，相当于0.79～1.59mm厚度；竖直行程范围20mm左右；织针钩针需要能够承受最高2.9～3kg的循环载荷；上下往复频率约30Hz，织针寿命约3～6个月（7*24小时工作制）。

上述性能指标对电织针直线电机模型的选择与设计提出了苛刻的要求，集中体现在两个方面：（1）1mm左右厚度的苛刻几何尺度限制；（2）具备大约20mm往复运动行程，不小于30Hz往复频率的动态性能要求。在本文的研究中，往复频率进一步调升为大约60Hz，大致相当于将当前最好的圆纬织机工作效率提高一倍。

2.1织针动力学分析

按照典型的三功位提花选针工艺要求[10]，电织针需要能够在三个不同位置，即高位、中位、零位实现指定规则的时间-位移轨迹，以达成成圈、集圈、浮线三种功能，对应于直线电机应有三个停止位置，即最大行程（20mm位置）、中间行程（10mm位置）、保持零位不动（0mm位置）。与针织工艺控制要求相对应，相当于直线电机能够及时实现三个不同的位置控制，对应位置控制要求，理想的速度-时间曲线表现为方波形式，如图2所示：

图2 理想的织针运行速度-时间曲线

显然方波图形的速度曲线无法实现，考虑电磁力驱动能力有最大极限，不妨首先按照较为简洁的Bang-Bang控制方案[11~12]，即以驱动电磁力-时间图形为方波形式，对应速度曲线为梯形加减速曲线，实际对应了存在有柔性冲击存在的最快运动方式。

2.2直线电机的基本机电参数分析

按照磁场来源来分，直线电机分为永磁电机和感应电机；按照电源来分，直线电机分为直流电机和交流电机；对永磁电机来说，可以分为动磁式电机和动圈式电机；对感应电机来说，可以分为鼠笼式电机和绕线式电机；按电机初级的分布形式，可以分为双边型电机和单边型电机等[13]。

按照牛顿第二定律与机电系统传动基本方程，电织针次级动子的加速度为：

考虑到电织针比较苛刻的厚度限制与散热条件限制，采用电励磁方式很难获得较高磁场强度，因此，电织针所采用的电机模型必然采用永磁电机模型。当前永磁体能够提供的最大表面剩磁大约仅为1T[14]，电织针气隙中磁感应强度主要取决于永磁体厚度与气隙厚度的比值。

2.3电织针中永磁体的工作点

图3　电织针直线电机模型的八种布置形式

不难看出，无背铁存在条件下，动磁式直线电机结构布置与动圈式布置完全等价。无论哪一种结构形式，最终都可以简化为等效磁路模型[15]，如图4：

图4　电织针等效磁路

超薄强力磁铁的制造与装配存在一定困难，已商品化的强力磁铁通常都不小于0.5mm；考虑稀土类磁铁的最佳工作点位置范围，不妨选取Br/2为电织针工作点（即电织针内部空载磁场磁感应强度）永磁体的厚度大约等于电织针直线电机有效气隙的厚度0.5mm，对应的磁感应强度约0.5T左右。

2.4电织针中的电流密度

2.5电织针电机模型选择的可行性分析

相当于大约30个重力加速度，能够满足电织针设计要求，所选择的电机模型可行。尽管如此，考虑到电流密度的参数来源于PCB板设计标准，仅仅只能作为参考，实际电流密度仍需要单独进行理论与试验分析；在此基础之上，决定合适的散热设计方案，保障电织针的性能指标与可靠性。

３　结论及展望

电织针电机模型优先选择无背铁铁心永磁体面对面安装动圈式结构，电织针厚度大约1mm，驱动电流大约1.5A，采用剩磁强度约1T的永磁体，磁体厚度约0.5mm，基于这样基本参数的电织针有能力达到大约20mm往复行程，60Hz往复运动频率的运动学要求。下一步的研究将重点围绕两个方面展开。首先，确认电织针内部磁场分布；由于无背铁铁心永磁体面对面安装动圈式结构的直线电机，在拓扑结构与几何形状上都比较简单，有可能给出气隙磁密的解析解。其次，建立对应的电织针内部发热与散热模型，合理的散热设计是提高电织针性能最有效的途径。

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Dynamics Based Electric Motor Model Selection for Electric-Knitting-Needle Design

FAN Liang-zhi, ZHOU Xiang-yang, BI Wen-wu, ZHANG Nan

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

This paper studies the dynamics of knitting needles regarding mechanical Cam-Driving and put forward a set off reference requirements for Linear-Motor-Driving knitting needle design, which includes: 1). back-and-forth range is 20mm, 2).back-and-forth frequency is 60Hz, 3). maximum acceleration is no less than 29G. It is found that the face-to-face magnet based flat linear motor would satisfy recommended requirements. It’s the most efficient way to adopt appropriate driving current density and heat design schema to improve the dynamic performance of knitting needles, thus better knitting machine performance could be achieved.

Electric Knitting Needle; Linear Motor; Cam; Knitting

TP183

A

1009－5160(2011)03－0070－04

范志良(1976-)，男，副教授，研究方向：超薄直线电机.

国家自然科学基金项目资助（50805109）.