改变次级参数时圆管型直线电动机的性能分析

季明月，阎治安，冯宝文

(西京学院，陕西西安 710123)

改变次级参数时圆管型直线电动机的性能分析

季明月，阎治安，冯宝文

(西京学院，陕西西安 710123)

针对不同的次级材料及次级铜皮厚度对圆管型直线电动机性能的影响进行了分析。提出了不同次级材料下圆管型直线电动机的机械特性问题，得出了次级材料采用由铁磁与非铁磁两种材料组合制成时，电动机的导磁率较高和机械性能较好的结论。通过对不同次级铜皮厚度的设计与试验比较分析，表明次级厚度对圆管型直线电动机的起动推力有相当大的影响，为电动机设计时确定合理的次级尺寸提供了可靠的依据。

直线电动机;次级;材料;铜皮厚度;起动推力

0 引言

直线电动机顾名思义就是能够直接做直线运动的电动机，它不需要由旋转运动转化为直线运动的中间传动机构，结构简单，伺服性好，体积较小，有着广泛的应用前景。其结构型式可分为平面型、圆管型(或管型)、圆弧形、圆盘型4种［1］。而圆管型直线电动机是直线电动机的一种特殊形式，可以看成是以平面型直线电动机为前提，沿纵轴轴线方向卷曲成圆管型所得。虽然圆管型直线电动机的性能比平面型直线电动机要差一点，但是由于它采用集中式绕组，所以具备制造方便、成本低、便于安装等优点。当前，在工农业生产以及技术改造中需要行程较短的间歇往复运动场合下，都可以考虑应用。因此对圆管型直线电动机的研究尤为重要。

圆管型直线电动机在结构上主要由初级和次级两大部分组成，其中次级可以做成多种型式，可以和旋转电机一样做成绕线型或鼠笼型。但为了制造方便往往和平面型直线电机一样用非磁性金属层作为主要导电部分，有时亦可以做成鼠笼型的，但难于做成绕线型。在结构上次级形成管状，导磁部分为钢管，也可以做成迭片次级铁心，但迭片结构比较复杂，所以很少采用。次级的制造材料分为两种:一种是把非磁性导电金属管包在次级铁心的外面，这种形式称为复合次级;另一种型式是直接用钢元或钢管做成次级。此时，钢元既作为导电材料，又作为导磁材料，这种型式称为钢次级。钢次级兼有导电、导磁双重作用，优点是导磁率高，可减小激磁电流，缺点是初级与次级之间存在很大的磁拉力，而圆管结构很好地弥补了这个缺点，且成本较低，在小功率电机中可以推广应用。对于单一材料的电动机来说，次级的厚度及材料的性质对直线电动机的性能起着重要的作用。本文对圆管型直线电动机不同的次级材料和厚度对推力的影响进行了比较分析，从而选取出最佳的次级材料和次级尺寸，这具有很大的使用价值和应用意义。

1 圆管型直线电动机机械特性分析

直线电动机的机械特性是产生的推力F和运行速度V之间的关系曲线。因此推力F是直线电动机的重要性能指标。一般直线电动机产生的推力可以在不同转差率s时解等效电路图来求得。它的运行速度V和同步速度V1之间有如下关系

由推力公式(2)可以看出，影响推力F大小的因素有多种，然而考虑到极距的改变非常有限，且电源输出频率f不变的情况下，次级的材料、几何尺寸、空气隙的长度，将对直线电动机的机械特性曲线产生影响，不同次级材料时机械特性曲线如图1所示，不同空气隙长度时机械特性曲线如图2所示。

式中，Fst—起动力(N);ρ—次级电阻率(Ω·cm); N—线圈匝数;Is—初级电流(A);f—电源输出频率(Hz);τ—极距(m);t—次级壁厚(cm);A—电机作用面积(m2);s—滑差率;G—品质因数［2］。

图1所示是次级尺寸不变，而次级导电板用不同材料如紫铜、铝和钢时电动机的机械特性曲线。因为各种材料的导电率不同，因此次级导电层的电阻就不同，影响到电动机产生的最大推力值和产生最大推力值时的滑差率 Sm也不同。图2所示的电动机的尺寸和材料不变，仅改变空气隙的长度影响到激磁电流的大小及初级和次级间的耦合程度，因此气隙大时电动机的出力就比较低。

图1 不同次级材料时机械特性

图2 不同空气隙长度时机械特性

2 不同次级材料对圆管型直线电动机性能的影响

圆管型直线电动机次级的制作在结构上形成管状，导磁部分为钢元(管)，也可以做成迭片次级铁心。在确定这种次级的电阻时，表面电阻系数Pr定义为

式中，ρ—次级材料的电阻系数;d—次级板的厚度。

仅考虑次级材料对圆管型直线电动机特性的影响，暂不考虑电动机的端部效应，由推力公式(2)可以看出，在一定范围内，品质因数越大，推力F越大，从而电机的性能就越好。品质因数的表达式为

式中，Xm—激磁电抗;r2—次级电阻;g—空气隙实际长度。由式(3)和式(4)可得

由式(5)可以看出，较低的电阻率提高了品质因数，使电机的性能得到了改善，同时也减小了次级的损耗。但低的电阻率会使端部效应行波衰减较慢，使输出减小。因此，要合理的设计品质因数与次级电阻率之间的关系，这是改善该电动机性能的有效途径［3］。

次级的材料一般有两种型式:一种采用单一材料，通常为铁磁材料;另一种是采用铁磁材料和导电材料的结合。电动机的机械特性曲线与不同导磁和导电性能的次级材料有直接的关系。其中，次级材料不同时的直线电动机的机械特性曲线如图3所示。纵坐标表示直线电动机的电磁推力，横坐标表示直线电动机的滑差率。

图3 次级材料不同时的直线电动机的机械特性曲线

从图3可以看出，在特定条件下，不管次级是由单一材料制成还是复合材料制成，要想得到较大的电磁推力则次级导电率必须要高。针对这几种材料，铁磁材料的导磁率高、可降低激磁电流，但也存在缺点，即初级与次级之间具有较大的单边磁拉力。非铁磁性材料只作导电功能，可以在一定程度上降低单边磁拉力，但也存在不足，即穿过气隙这一段磁路的导磁率较低并且还会产生较大的激磁电流。因此，从上述两种类型的次级材料对电机机械特性的影响可以看出，对于圆管型直线电动机来说，次级采用由铁磁和非铁磁两种材料组合制成，可以得到较高的导磁率和良好的机械性能。

3 不同次级厚度对圆管型直线电动机性能的影响

次级材料的厚度对圆管型直线电动机的性能起着重要的作用。从式(5)可以看出，次级材料越厚，则品质因数越大。对于非铁磁性材料的次级来说，次级材料较厚会导致电磁气隙较大，这是不希望的。所以，对于非磁性材料的次级，其厚度必须要较小，但是也要有足够的强度，以承受出现在次级上的各种力的作用。而在铁磁材料的次级中，电磁气隙的大小与材料的厚度无关。但较厚的次级会导致起动电流较大。因此，也要根据起动电流的限制来选择次级厚度，而不是仅从增大品质因数来考虑［3］。

本文通过试验进一步分析了次级材料厚度对圆管型直线电动机性能的影响。实验对象为井下勘探震源用三相圆管型直线电动机，要求起动推力大于等于60kg。在试验中圆管型直线电动机的次级材料选用铜-钢复合材料，导电部分采用铜管(材料为黄铜H62)固包在35号圆钢上。测量次级铜皮厚度分别为0．25cm、0．2cm、0．15cm、0．1cm、0．05cm时，相应的圆管型直线电动机推力的大小。表1为试验圆管型直线电动机的技术参数;表2对试验所得数据进行了比较。

表1 圆管型直线电动机技术参数

表2 圆管型直线电动机不同次级厚度实验数据比较

根据实验所得数据，可绘制特性曲线图。圆管型直线电动机的工作特性曲线如图4所示。

图4 圆管型直线电动机的工作特性曲线

从实验数据可以看出，次级厚度对电磁推力有很大的影响，在一定范围内次级厚度增加，电磁推力也随之增加;起动时的气隙磁密是减小的，这是由于次级铜皮厚度增加导致电动机的有效气隙增加，从而使磁阻增加、气隙磁密减小;初级电流I1和次级电流I21也相应上升，在电机线圈匝数不变的情况下，磁势F0的增加必然会导致电流的上升;功率因数和效率则影响不大，随着次级厚度的增加功率因数略有增加，而效率则略有减少。在实验数据中，当次级厚度取0．25cm时电磁推力Fst最大，但此时初级电流I1也比较大，在电动机导线截面积一定的情况下，电流I1升高会增加导线的热负荷，因此是不可取的。由前分析知对于本项目使用的圆管型直线电动机来说，选取次级厚度为0．2cm时是最合理的设计。

4 结语

文章针对不同次级材料与次级厚度对圆管型直线电动机性能的影响进行了分析，具体讨论了次级材料和次级铜皮厚度的变化对圆管型直线电动机起动推力的影响。分析结果表明，对于圆管型直线电机来说，要想得到较大的电磁推力则次级导电率必须要高，当次级采用由铁磁和非铁磁两种材料组合制成时，可以得到较高的导磁率，此时电动机的机械性能较好。通过对该电动机的设计、制造与试验数据的比较分析可以看出，当次级铜皮厚度在0．05～0．25cm之间时，随着次级铜皮厚度的增加电磁推力也随之增加。从文中也可以看出，品质因数是用来衡量直线电动机性能好坏的一个重要指标，次级的材料和厚度都对品质因数有相当大的影响。较低的电阻率和较厚的次级厚度都可提高品质因数，使电机的性能得到改善。但低的电阻率会使端部效应行波衰减较慢，使输出减小，而较厚的次级厚度会导致起动电流较大。因此在设计直线电动机时，要合理的设计品质因数与次级电阻率之间的关系，同时也要顾及到起动电流的限制，而不是单从增大品质因数来考虑。

［1］彭威，李伟力，程树康，等．次级对直线感应电动机性能的影响［J］．电机与控制学报，2008，(1)．

［2］阎治安，王康，肖竟平，等．深井勘探用直线电动机实验研究［J］．防爆电机，2014，(1)．

［3］刘朝辉，上官璇峰，刘豪，等．圆管型直线感应电动机特性研究［J］．微电机，2007，(8)．

［4］叶云岳．直线电机原理与应用［M］．北京:机械工业出版社，2000．

［5］李红涛，沈稼丰，陈文彪．圆管型直线感应电动机的起动推力与电机性能的计算与分析［J］．防爆电机，2008，(2)．

［6］郑福龙．圆管型直线永磁电动机的设计研究［D］．哈尔滨:哈尔滨理工大学，2011．

［7］裴荣成．圆管型直线电动机的研究［D］．沈阳:沈阳工业大学，2007．

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《防爆电机》编辑部

Performance Analysis on Cylindrical Linear Motor When Changing Secondary Parameter

Ji Mingyue，Yan Zhi'an，and Feng Baowen
(Xijing University，Xi'an 710123，China)

In this paper，the influence of different secondary material and difference thickness of secondary copper sheet on performance of the cylindrical linear motor are analyzed．Mechanical characteristic problems of cylindrical linear motor with different secondary material are proposed，conclusion of higher permeability and better mechanical performance of the motor is drawn when secondary material is made from the combination of both ferromagnetic and nonferromagnetic material．By comparatively analyzing the design and test of different secondary copper sheet thickness，it is indicated that secondary thickness has considerable impact on starting thrust of cylindrical linear motor．It provides reliable reference for determining reasonable secondary size when designing the motor．

Linear motor;secondary;material;copper sheet thickness;starting thrust

10．3969/J．ISSN．1008-7281．2015．05．02

TM359．4

A

1008-7281(2015)05-0004-004

季明月 女 1989年生;硕士研究生，研究方向为微特电机的设计与控制．

2015-07-06