CN106685178B - 一种基于永磁同步直线电机的粘弹阻尼结构及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于永磁同步直线电机的粘弹阻尼结构及其应用，其特征是：在永磁同步直线电机的背铁上设置有粘弹阻尼条；在动子上，并与粘弹阻尼条相对应的位置上设置有标有刻度的阻尼调节螺栓；在阻尼调节螺栓的螺杆底部设置有剪切面积为A′s的压块。本发明能降低永磁同步直线电机的推力波动，从而能提高永磁同步直线电机的定位精度，使得永磁同步直线电机在精密加工技术中得到更加广泛的应用。
Description
技术领域
本发明涉及永磁同步直线电机领域，具体是采用粘弹阻尼抑制永磁同步直线电机推力波动的方法。
背景技术
永磁同步直线电机(permanent magnet synchronous linear motor)具有结构简单、大推力、损耗低、定位精度高等优点，在少切削力精密数控机床中得到了广泛的应用。但是，由于PMSLM定子开断产生的端部效应以及谐波分量的存在，使得PMSLM存在推力波动大的缺点，在要求高精密的机床加工时，推力波动导致工件表面划痕，尺寸不合要求等加工质量问题，另外还会造成振动和机器噪声，影响定位精度。
目前国内外的学者普遍从两个角度来抑制推力波动：空间谐波和时间谐波。其中空间谐波是指改变和优化电机内部结构，如采用斜极，分数槽，改变永磁体排列方式和充磁方式等方法来抑制推力波动；时间谐波是指采用控制策略使得输入的三相电更加接近正弦，如根据建立的推力波动与电机速度、位置的数学模型设计前馈补偿器，在不同运动速度下补偿推力波动。上述两种方法都存在着各自的弊端：斜极，分数槽主要通过降低齿槽效应来降低推力波动，其抑制无铁芯的PMSLM效果不明显，改变永磁体排列方式主要通过极弧系数的选择来确定最优排列，可以降低谐波系数，但是造成次极利用率降低，改变充磁方式是为了使得磁通密度接近正弦，但是由于充磁技术的原因，存在技术难题；而通过前馈补偿只能抑制逆变器死区时间所引起的5次和7次谐波电流，其他原因产生的谐波电流抑制不明显。
发明内容
本发明为了解决现有技术中PMLSM推力波动大的缺陷，提供一种基于永磁同步直线电机的粘弹阻尼结构及其应用，以期能降低永磁同步直线电机的推力波动，从而能提高永磁同步直线电机的定位精度，使得永磁同步直线电机在精密加工技术中得到更加广泛的应用。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明一种基于永磁同步直线电机的粘弹阻尼结构，所述永磁同步直线电机包括：背铁、导轨和动子；其特点是，在所述永磁同步直线电机的背铁上设置有粘弹阻尼条；在所述动子上，并与所述粘弹阻尼条相对应的位置上设置有标有刻度的阻尼调节螺栓；在所述阻尼调节螺栓的螺杆底部设置有接触面积为As′的压块；
以所述压块作用在所述粘弹阻尼条上所产生的压紧力形成对所述动子在所述导轨上运动时所产生的推力波动的抑制结构。
本发明一种基于粘弹阻尼的永磁同步直线电机推力波动的抑制方法的特点是按如下步骤进行：
步骤1、利用式(1)表征所述永磁同步直线电机的推力F：
式(1)中，I为电流幅值，N为线圈匝数，L为线圈有效长度，u0为空气磁导率，mi为磁场空间频率，并有：mi＝(2i-1)π/τ；i＝1,2…；τ为永磁体极距，Mi为与空间磁场相关的系数，并有：
Br为永磁体剩余磁化强度，p为永磁体宽度；δ为气隙，h1为永磁体高度，h2为线圈高度；ω为电流频率，t为时间，Xa1和Xa2表示A相系数、Xb1和Xb2表示B相系数、Xc1和Xc2表示C相系数，并有：Xa1＝[cosmid-cosmi(D-d)-1]、Xa2＝[sinmi(D-d)-sinmid-sinmiD]、/>
D为一个线圈的宽度，d为单边线圈的宽度；k1和k1表示频率系数，并有：/>
步骤2、由所述永磁同步直线电机的推力F作为粘弹阻尼器的激励，得到如式(2)所示的粘弹阻尼器的阻尼力f的计算表达式：
式(2)中，G0为粘弹阻尼条的弹性系数，G1为粘弹阻尼条的阻尼系数；As为所述粘弹阻尼器中压块与粘弹阻尼条的接触面积，h′为所述粘弹阻尼条压紧时的厚度；x1a、x2a、x3a和x4a表示所述永磁同步直线电机的A相推力作用于粘弹阻尼条所产生的阻尼力系数，x1b、x2b、x3b、x4b表示所述永磁同步直线电机的B相推力作用于粘弹阻尼条所产生的阻尼力系数，x1c、x2c、x3c、x4c表示所述永磁同步直线电机的C相推力作用于粘弹阻尼条所产生的阻尼力系数，并有：
式(3)至式(6)中，q分别等于a、b、c；
步骤3：令
为Fi，利用推力F和粘弹阻尼力f相加得到如式(7)所示的所述永磁同步直线电机在粘弹阻尼器作用后的推力F1表达式：
步骤4：在相同的时间段内，分别利用式(1)作出所述永磁同步直线电机在粘弹阻尼器作用前的推力F的曲线图，利用式(7)作出所述永磁同步直线电机在粘弹阻尼器作用后的推力F1的曲线图，调节粘弹阻尼器中压块与粘弹阻尼条的接触面积As和粘弹阻尼条压紧时的厚度h′的大小，并对两幅推力曲线图进行比较，当推力F1曲线的波动小于F曲线的波动时，得到所需的接触面积As′和厚度h″；
步骤5、选取符合安装条件的粘弹阻尼条并粘贴在所述永磁同步直线电机的背铁上；
步骤6、在所述永磁同步直线电机的动子上，并与所述粘弹阻尼条相对应的位置上设置有标有刻度的阻尼调节螺栓；在所述阻尼调节螺栓的底部设置有接触面积为As′的压块；
步骤7、通过调节所述阻尼调节螺栓的松紧度，使得所述压块作用在所述粘弹阻尼条后的厚度为h″并产生压紧力，从而抑制所述动子在所述导轨上运动时所产生的推力波动。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明结合所述永磁同步直线电机的结构和运动特点设计了粘弹阻尼器来抑制推力波动，利用粘弹阻尼器产生的粘弹阻尼力抑制电机运行时产生的推力波动，无需改动电机内部结构，解决了改变电机结构带来的加工难度大、电机空间使用不合理等技术问题。
2、本发明采用粘弹阻尼力抑制永磁同步直线电机推力波动的技术手段，从式(1)表征的永磁同步直线电机的推力表达式可以确定推力波动的主要频率，而永磁同步直线电机的推力作为粘弹阻尼器的激励，则在推力激励下的粘弹阻尼力与永磁同步直线电机推力的方向相反频率相同，两者相加后可降低相应波动频率段的幅值，达到抑制推力波动的目的。
3、本发明粘弹阻尼器的阻尼调节螺栓上标有刻度，根据步骤4得出的粘弹阻尼条工作时的厚度h″，具体实施时通过调节螺栓可以准确将厚度设置为h″，使抑制推力波动的效果更加精确有效。
4、本发明根据粘弹阻尼的减振缓冲的特点，设计应用于抑制永磁同步直线电机推力波动的粘弹阻尼器，不但可以有效的降低推力波动，而且与现有技术中通过空间谐波和时间谐波角度抑制推力波动相比，本发明更提供了一种从外部安装机械结构来抑制推力波动的新思想。
附图说明
图1为本发明中粘弹阻尼***示意图；
图2为本发明中粘弹阻尼器截面示意图；
图3为现有技术中PMSLM层分析模型示意图；
图4为本发明中PMSLM推力曲线图；
图中标号：1为粘弹阻尼条；2为阻尼调节螺栓；3为背铁；4为导轨；5为动子；6为永磁同步直线电机；V为动子5的运动方向；7为压块。
具体实施方式
本实施例中，一种抑制永磁同步直线电机推力波动的粘弹阻尼结构如图1所示，永磁同步直线电机6包括：背铁3、导轨4和动子5；在永磁同步直线电机6的背铁3上设置有粘弹阻尼条1；在动子5上，并与粘弹阻尼条1相对应的位置上设置有标有刻度的阻尼调节螺栓2；在阻尼调节螺栓2的螺杆底部设置有接触面积为As′的压块7；粘弹阻尼器的截面图如图2所示。以压块7作用在粘弹阻尼条1上所产生的压紧力形成对动子5在导轨4上运动时所产生的推力波动的抑制结构。
本实施例中，一种基于粘弹阻尼的永磁同步直线电机推力波动的抑制方法是按如下步骤进行：
步骤1、对电机永磁体的励磁作用分析，用M(x)表征其等效磁化强度空间分布函数：
式(1)中，u0为空气磁导率，Br为永磁体剩余磁化强度，τ为极距；mi为磁场空间频率，并有：mi＝(2i-1)π/τ；i＝1,2…；p为永磁体宽度。
对电机层分析做如下假设：忽略Z方向磁场变化；电机背铁磁导率无穷大；永磁体均匀磁化。电机层分析示意图如图3所示，根据麦克斯韦方程组建立气隙区域I和永磁体区域II的泊松方程：
式(2)中，AI AII分别为气隙区域和永磁体区域的矢量磁位，其边界条件为：
由
求得气隙区域y轴磁通密度分布函数By1：
如图3所示，电机A相绕组的感应电动势Ea可以表征为：
式(5)中，V为电机运动速度。
同理可以计算B相、C相感应电动势Eb、Ec，比A相感应电动势分别滞后2π/3、4π/3。
假设A相电流的初始相位角为零，三相对称正弦交流电流可以表示为：
则由公式
可以表征永磁同步直线电机(6)的推力F：/>
式(7)中，I为电流幅值，N为线圈匝数，L为线圈有效长度，Mi为与空间磁场相关的系数，并有：
δ为气隙，h1为永磁体高度，h2为线圈高度；ω为电流频率，t为时间，Xa1和Xa2表示A相系数、Xb1和Xb2表示B相系数、Xc1和Xc2表示C相系数，并有：
Xa1＝[cosmid-cosmi(D-d)-1]、Xa2＝[sinmi(D-d)-sinmid-sinmiD]、
k1和k1表示频率系数，并有：
步骤2、采用Kelvin模型对粘弹阻尼力进行分析，在频率ω′的正弦激励下其粘弹阻尼力可以表示为：
式(8)中u为在正弦激励下粘弹阻尼的形变量，
为形变量u的导数。
由式(7)的形式知推力F为正余弦函数相加的形式，所以可由永磁同步直线电机6的推力F作为粘弹阻尼器的激励，此时的激励频率即为电流频率ω，得到如式(9)所示的粘弹阻尼器的阻尼力f的计算表达式：
式(9)中，G0粘弹阻尼条1的弹性系数，G1粘弹阻尼条1的阻尼系数；As为粘弹阻尼器中压块7与粘弹阻尼条1的接触面积，h′为粘弹阻尼条1压紧时的厚度；x1a、x2a、x3a和x4a表示永磁同步直线电机的A相推力作用于粘弹阻尼条所产生的阻尼力系数，x1b、x2b、x3b、x4b表示永磁同步直线电机的B相推力作用于粘弹阻尼条所产生的阻尼力系数，x1c、x2c、x3c、x4c表示永磁同步直线电机的C相推力作用于粘弹阻尼条所产生的阻尼力系数，并有：
式(9)至式(13)中，q分别等于a、b、c；
步骤3：令
为Fi，利用推力F和粘弹阻尼力f相加得到如式(14)所示的永磁同步直线电机6在粘弹阻尼器作用后的推力F1表达式：/>
步骤4：表1给出了永磁同步直线电机设计参数，其中电机为7级6线圈结构，粘弹阻尼条采用丁基橡胶材料。
表1 永磁同步直线电机设计参数
| 参数 | 数值/mm |
| 永磁体宽P | 15 |
| 永磁体高h1 | 3 |
| 线圈匝数N | 100 |
| 线圈高度h2 | 5 |
| 线圈单边宽度d | 7 |
| 一个线圈宽度D | 22 |
| 极距τ | 19 |
| 气隙δ | 2 |
由表1所述参数，及粘弹阻尼材料丁基橡胶相关性质，采用解析法在相同的时间段内，分别利用式(7)作出永磁同步直线电机6在粘弹阻尼器作用前的推力F的曲线图，利用式(14)作出永磁同步直线电机6在粘弹阻尼器作用后的推力F1的曲线图，调节粘弹阻尼器中压块7与粘弹阻尼条1的接触面积As和粘弹阻尼条1压紧时的厚度h′的大小，并对两幅推力曲线图进行比较，当推力F1曲线的波动明显小于F曲线的波动时，此时得到的接触面积As′和厚度h″即为所需要的值；推力曲线图如图4所示
步骤5、选取符合安装条件的粘弹阻尼条1并粘贴在永磁同步直线电机6的背铁3上；
步骤6、在永磁同步直线电机6的动子5上，并与粘弹阻尼条1相对应的位置上设置有标有刻度的阻尼调节螺栓2；在阻尼调节螺栓2的底部设置有接触面积为As′的压块7；
步骤7、通过调节阻尼调节螺栓2的松紧度，使得压块7作用在粘弹阻尼条1后的厚度为h″并产生压紧力，从而抑制动子5在导轨4上运动时所产生的推力波动。
Claims (1)
1.一种基于永磁同步直线电机的粘弹阻尼结构的抑制方法，所述永磁同步直线电机(6)包括：背铁(3)、导轨(4)和动子(5)；其特征是，在所述永磁同步直线电机(6)的背铁(3)上设置有粘弹阻尼条(1)；在所述动子(5)上，并与所述粘弹阻尼条(1)相对应的位置上设置有标有刻度的阻尼调节螺栓(2)；在所述阻尼调节螺栓(2)的螺杆底部设置有接触面积为As′的压块(7)；
以所述压块(7)作用在所述粘弹阻尼条(1)上所产生的压紧力形成对所述动子(5)在所述导轨(4)上运动时所产生的推力波动的抑制结构；所述抑制方法是按如下步骤进行：
步骤1、利用式(1)表征所述永磁同步直线电机(6)的推力F：
式(1)中，I为电流幅值，N为线圈匝数，L为线圈有效长度，u0为空气磁导率，mi为磁场空间频率，并有：mi＝(2i-1)πτ；i＝1,2…；τ为永磁体极距，Mi为与空间磁场相关的系数，并有：
Br为永磁体剩余磁化强度，p为永磁体宽度；δ为气隙，h1为永磁体高度，h2为线圈高度；ω为电流频率，t为时间，Xa1和Xa2表示A相系数、Xb1和Xb2表示B相系数、Xc1和Xc2表示C相系数，并有：Xa1＝[cosmid-cosmi(D-d)-1]、Xa2＝[sinmi(D-d)-sinmid-sinmiD]、/>
D为一个线圈的宽度，d为单边线圈的宽度；k1和k1表示频率系数，并有：/>
步骤2、由所述永磁同步直线电机(6)的推力F作为粘弹阻尼器的激励，得到如式(2)所示的粘弹阻尼器的阻尼力f的计算表达式：
式(2)中，G0为粘弹阻尼条(1)的弹性系数，G1为粘弹阻尼条(1)的阻尼系数；As为所述粘弹阻尼器中压块(7)与粘弹阻尼条(1)的接触面积，h′为所述粘弹阻尼条(1)压紧时的厚度；x1a、x2a、x3a和x4a表示所述永磁同步直线电机的A相推力作用于粘弹阻尼条所产生的阻尼力系数，x1b、x2b、x3b、x4b表示所述永磁同步直线电机的B相推力作用于粘弹阻尼条所产生的阻尼力系数，x1c、x2c、x3c、x4c表示所述永磁同步直线电机的C相推力作用于粘弹阻尼条所产生的阻尼力系数，并有：
式(3)至式(6)中，q分别等于a、b、c；
步骤3：令
为Fi，利用推力F和粘弹阻尼力f相加得到如式(7)所示的所述永磁同步直线电机(6)在粘弹阻尼器作用后的推力F1表达式：
步骤4：在相同的时间段内，分别利用式(1)作出所述永磁同步直线电机(6)在粘弹阻尼器作用前的推力F的曲线图，利用式(7)作出所述永磁同步直线电机(6)在粘弹阻尼器作用后的推力F1的曲线图，调节粘弹阻尼器中压块(7)与粘弹阻尼条(1)的接触面积As和粘弹阻尼条(1)压紧时的厚度h′的大小，并对两幅推力曲线图进行比较，当推力F1曲线的波动小于F曲线的波动时，得到所需的接触面积As′和厚度h″；
步骤5、选取符合安装条件的粘弹阻尼条(1)并粘贴在所述永磁同步直线电机(6)的背铁(3)上；
步骤6、在所述永磁同步直线电机(6)的动子(5)上，并与所述粘弹阻尼条(1)相对应的位置上设置有标有刻度的阻尼调节螺栓(2)；在所述阻尼调节螺栓(2)的底部设置有接触面积为As′的压块(7)；
步骤7、通过调节所述阻尼调节螺栓(2)的松紧度，使得所述压块(7)作用在所述粘弹阻尼条(1)后的厚度为h″并产生压紧力，从而抑制所述动子(5)在导轨(4)上运动时所产生的推力波动。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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