直线振动电机非线性电磁特性有限元仿真研究

近年来，直线电机由于特有的技术优势，成为电机的研究热点之一。越来越多的研究人员投入到相关领域，并且有大量文献陆续发表出来。其中，直线振动电机是利用方向交变的电磁力(或电磁力和弹簧力配合)产生往复直线运动的驱动机构，同传统旋转电机相比，由于没有从旋转运动到直线运动的转换机构，具有结构简单、体积小等优点，被广泛应用于小型空气压缩机、电磁阀、搅拌机等电磁机构中。直线振动电机从结构来划分，有动圈式、动铁式、动磁式等，其中某些动圈式和动磁式直线振动电机的电磁力特性接近线性，在线性负载使用场合时，上述线性出力的直线振动电机得到了较好的应用，但在非线性附载使用场合，线性出力特性的直线振动电机同负载特性难以匹配，影响效率的进一步提高。而且某些动圈式和动磁式直线振动电机中采用永久磁铁作为激励源或动子，永磁材料长期使用后的磁特性变化也会影响到工作性能，也是一部分直线振动电机的研究必须解决的技术难点。本文研究了一种动铁式直线振动电机，具有非线性的电磁力特性，特别适合于非线性负载的使用场合，运动部件采用硅钢叠片结构，没有永磁材料磁特性变化带来的技术问题，特别适合于需要长使用寿命的工作环境。

2 电机结构和工作原理

本文研究的动铁式直线振动电机结构简图如图1所示。图中振动电机由电机动子、电机定子、线圈和弹簧等部件构成。其工作原理如图2所示，图2(a)中电机动子在运动位置的上限端，线圈通直流电流，线圈电流产生的磁通流经的路径如图2(a)所示，根据磁路特性，磁吸力作用的结果是使磁路中的磁阻最小，电机动子受到向下的电磁力开始运动，并压缩弹簧储能。当达到图2(b)所示的位置时，磁路中磁阻达到最小，磁路中的磁通达到最大值，但是由于左右磁路对称，动子受到的向下的电磁力为零。此时断掉线圈电流，动子在弹簧单一力作用下运动至图2(c)所示的最下端，然后开始反向运动。运动至图2(d)位置时，线圈通电流产生向下电磁力大于弹簧力，动子开始减速，当动子反向运动至图2(a)所示位置时开始下一个运动循环。由上述直线振动电机的工作原理可知，电机动子在线圈电流和弹簧的共同作用下，作直线往返运动，线圈施加的控制电压波形如图3所示，线圈电压为矩形方波。

3 静态电磁力仿真模型

静态电磁力特性是指直线振动电机绕组中通恒定的直流电流，动子处于恒定位置，动子受到的电磁力一位移特性。静态电磁力特性是直线振动电机最基本的特性，是电机动态分析和优化设计的基础。本文采用有限元方法仿真分析直线振动电机的静态特性，得到电机的电磁力数值结果、磁力线分布和磁密分布。由图1看出，动铁式直线振动电机为圆周对称结构，因此可采用二维有限元模型来进行静态电磁力特性仿真分析。将计算区域取为电机及周围的部分空气区域，在忽略铁心涡流损耗、磁滞损耗的情况下，矢量磁位A表示的二维电磁场方程如式(1)所示：

式中，A和J分别表示矢量磁位A和电流密度J的z轴方向分量，即A=Ak，J=Jk，μ是磁导率。根据麦克斯韦应力式，磁力F由式(2)，式(3)获得：

式中，B为磁感应强度，μ0为真空磁导率，n为受力面的法向量，A为受力面积。

采用二维有限元模型进行直线振动电机静特性仿真，其仿真模型的网格划分如图4和图5所示，基于结构对称性，二维模型只建了主磁路1／2截面部分，主磁路包括电机定子、动子、工作气隙和线圈。从图中可以看出在不同位置处(动子处于对称位置和顶部位置)有限元网格的划分情况，在此特别指出的是当动子位置不同时，工作气隙的网格剖分差别较大，但共同的一点是，工作气隙涉及到电磁力的正确求解，因此在整个有限元模型中剖分最密。

4 静态电磁力仿真结果

采用二维轴对称有限元仿真模型对直线振动电机进行电磁特性仿真，获得的磁力线分布情况如图6所示。图6(a)所示为动子在对称平衡位置时磁力线分布情况，线圈激磁电流为0.4 A，此时动子所受电磁力为0。图6(b)所示为动子在位移16 mm时磁力线分布情况，线圈激磁电流也为0.4 A，此时动子所受向下电磁力为21 N。

图中动子静态电磁力特性曲线F=f(x，i)如图7所示，图中示出了动子在不同位置不同电流下的电磁力。从图7中可知在动子位移10 mm处受到的电磁力最大，此时动子位置如图6(c)所示，即动子刚进入定子的空心圆柱气隙磁场中。从图7中可知在动子位移0 mm处受到的电磁力最小，接近于零，此时动子处于对称平衡位置，如图6(a)所示。当动子继续向下运动时，在-x位置处，动子受到向上的电磁力，其大小与在x位置处的电磁力大小相等。从图7可知，动子在整个行程中其电磁力具有非单调和非线性的特点。

直线振动电机的静态电磁力实验装置主要用于反映动子在恒定电流下，电磁力与位移之间的关系。为了对电磁力特性仿真结果进行试验验证，设计了静态电磁力测试装置，将动子与压力传感器固定，使用螺杆调节动子的位置，测量电磁力使用量程100 N的CZL-1B力传感器，测量位移使用量程25 mm的WDL-25直滑式导电塑料位移传感器。静态电磁力仿真和实验结果如图8所示，通过实验结果和仿真结果的比较可知仿真结果的正确性。

5 结 语

随着对直线振动电机研究的深入，适宜非线性负载应用场合的直线振动电机的研究越来越受到关注。以动铁式直线振动电机为研究对象，其电磁力特性具有非线性特点，对该电机进行了静态电磁力特性二维有限元仿真和实验研究，给出了电机的有限元模型、磁力线分布和电磁力仿真和实验结果，为接下来的电机动态电磁力特性研究和结构优化设计提供了基础。