U型无铁芯直线电机的振动模态计算研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 31 日 作者简介：赖玉强（1990-），男，汉族，广东茂名人，大学本科，中级工程师，主要从事锂电设备行业、直线电机研发、磁悬浮输送线的开发于研究，致力于打造更加先进锂电生产设备。-203-U 型无铁芯直线电机的振动模态计算研究 赖玉强 惠州市艾美珈磁电技术股份有限公司，广东 惠州 516000 摘要：摘要：随着我国工业等领域的飞速发展，产品升级速度越来越快，其中直线电机尤其是 U 型无铁芯直线电机可以直接将电力能源转化为直线运动机械能，无需设置中介传递结构，大幅度减少了直线电机长时间运转状态下的机械磨损问题，且满足高精度和快速定位等应用需求，可在各领域中被广泛应用，有异常广阔的发展前景。但是在U 型无铁芯直线电机运转过程中，如果无法有效解决和预测评估振动问题，则会严重影响直线电机运行安全性、稳定性。基于此，本文针对 U 型无铁芯直线电机的振动模态进行计算研讨，希望能够助力直线电机设计水平优化升级。关键词：关键词：U 型；无铁芯；直线电机；振动；模态计算 中图分类号：中图分类号：TM359.4 0 引言 在现代工业发展进程中，直线电机的应用广泛性极强，例如新能源领域、医疗器材、化妆品行业等，对于直线电机的应用要求和功率密度要求显著提升，如果在直线电机设计阶段直接提高设备功率密度，很有可能会造成直线电机运转噪声过大，浮动值增加，不利于直线电机的应用和传输。对此，需针对 U 型无铁芯直线电机的振动模态进行研究探讨，分析电机振动原因特性，推动直线电机设计水平的提高。1 直线电机的主要工作原理及电机振动分析 1.1 直线电机的主要工作原理 直线电机也被称为线性电机、线性马达等，可以直接将电能转化为直线运动机械能，也可以直接将其视作旋转电机径向剖开后所展开的平面设备。直线电机与旋转电机在工作原理控制能力方面基本一致，但是直线电机的结构及运行原理却要求更高。直线电机尤其是无铁芯直线电机可以直接划分为定子和动子两大部分。定子主要涵盖了背铁和永磁体，而动子无需应用铁芯进行支撑，只需要将线圈置入永磁体凹槽内，并在动子外部涂抹环氧树脂材料，实现粘结效果。此次研究中所探讨的 U 型无铁芯直线电机（图 1）的核心要素在于动子部分无需设置铁芯线圈，电机刚度更好，推力密度要求相对较低，此类无铁芯直线电机需要将动子线圈固定在轨道线上，并应用背铁对永磁体进行固定，当电机线圈通电后，永磁体与线圈之间会进一步产生交变磁场，从而分解为横纵两个方向的电磁力。该技术当前可以被应用于磁悬浮等多个领域中，精度更高，运行稳定性更强1。图 1 无铁芯直线电机机构模型 1.2 直线电机振动分析 从直线电机电磁波运转特点不难发现，在电机运动过程中，动子线圈的位置也会发生一定变化，进而导致气隙磁导率也会出现异常变化情况，生成电磁振动，这一振动恰恰是直线电机运行过程中无法避免的要素。由于边端效应以及永磁体磁势和动子线圈磁势聚集落点在于气隙，所以磁导率不同，磁密波形也会出现谐波分量或畸变情况，且在运转状态下直线电机的动子位置可能会随着时间延长而发生位移，从而造成磁场变化和电机转矩波动情况，久而久之会加上直线电机的振动幅度。除了以上电磁振动原因之外，直线电机发生振动中国科技期刊数据库 工业 A-204-问题也可能受机械振动和空气动力学振动因素影响。其中机械振动主要指的是直线电机内部轴承以及其他结构安装水平不当或运行期间结构不平衡而引发机械振动。但总体看来，引发 U 型无铁芯直线电机振动的最主要原因仍旧在于电磁振动元素，需要针对永磁体和气隙、磁场波形等进行振动模态分析计算2。2 U 型无铁芯直线电机的振动模型与计算 2.1 无线电机振动模型 搭建 U 型无铁芯直线电机振动模型之前，需全面了解直线电机系统的振动特点，也就是原有直线电机振动频率和振动引发的形变程度等等，实施模态分析的目标在于，如果当前直线电机没有载荷和阻尼影响，如何求解直线电机自由振动矢量程度。磁通矢量见图 2：图 2 磁通矢量 可建立单自由度振动模型，将 U 型无铁芯直线电机的动子线圈以及与之配套的支撑结构、滑动轨道等作为振动模型变量要素，将原有直线电机结构进行简化连接，随后可搭建有限元分析模型，对 U 型无铁芯直线电机振动模态实施简化计算。为提高计算分析的精准度和工作效率，可以将直线电机原有系统架构中并不会直接造成电机振动的零部件进行省略或直接将其划归为一个整体实施统筹，将其转化为约束和边界条件，随后可进行振动模态仿真分析，可对 U 型无铁芯直线电机的有限元模型进行网格划分，使得最终计算结果精准度更高。2.2 无线电机振动模态计算 2.2.1 直线电机自由模态 可以率先在 U 型无铁芯直线电机不受外界作用力和约束条件状态下进行自由模态分析与计算，可应用COMSOL 仿真分析，建立固体力学模型，该模型需满足位移、应力、形变计算需求，并根据无铁芯直线电机整体结构搭建计算模块，从而分析选择特征频率板块，将其应用于计算直线电机模型的特征频率和模态。如果完全处于自由状态下，对直线电机的固体力学模块不施加额外约束和作用力，只通过对直线电机内部各类材料结构零部件进行设置，可分别获得多阶模态，且模态会呈现一定变形情况（图 3）。从自由模态变形结果可以发现，如不施加额外约束力和作用力，那么直线电机所产生的振动模态变化，也是该电机材料和结构所稳定的特性并不会因其他因素影响而发生较大变化，但是动子线圈和滑动支架的特征频率如果与自由模态下电机结构特征频率（表 1）为同一数量级，也可能会在后续工作状态下产生共振问题3。图 3 自由模态变形情况 表 1 自由模态下电机结构特征频率 模态阶数 动子线圈（Hz）滑动支架（Hz）1 阶 2099.2 1656.3 2 阶 3156.3 4337.2 3 阶 4036.4 4867.5 4 阶 5348.1 8179.6 2.2.2 直线电机瞬时动态 直线电机的瞬时动态则指的是进行振动模态计算时，增加不同结构材料的特性和内部结构连接情况，同时将直线电机应用场景中的约束、载荷因素纳入其中，可选择固体力学模块，并在此基础之上增加磁场和电流，形成瞬时磁固耦合计算场域。需要将 U 型无铁芯直线电机的背铁固定于底座之上，让其能够与永磁体进行表面耦合，从而约束直线电机系统整体自由度水平。例如实施单自由度计算和瞬时动态振动特点分析时，要综合考虑直线电机运转过程中的牵引力传递、磁密（图 4）、波动等诸多因素，可将牵引力划分为横向和纵向两个维度的分力，平衡施加给动子线圈，中国科技期刊数据库 工业 A-205-从而落实仿真计算。如图 5、图 6 所示，当直线电机动子线圈承担横向电磁力作用时，电机整体结构和系统会发生形变差异，如果电磁力振动频率逐渐增高，形变水平也会进一步增加，如果直线电机的动子线圈只受到纵向电磁力影响，那么在直线电机运转时，即使受到与其运动方向相垂直的作用力也会引发振动问题，且不同阶层模态频率的振动水平基本相似。图 4 磁密分布 图 5 横向电磁力的振动模态 图 6 纵向电磁力的振动模态 2.2.3 磁固耦合计算 磁固耦合计算需考虑直线电机运转过程中动子线圈的移动会在电磁牵引力影响下产生位移，而通路电流线圈与永磁体也会产生磁场之间的牵引力，出现磁固耦合，这一问题也是直线电机共振的主要因素之一。所以，针对直线电机系统结构以及振动模态计算时，要充分考虑动子线圈通电产热之后所产生的形变问题，同时也要增加线圈以及滑动支架的作用力形变，可按照直线电机运转功 1 秒状态下动子线圈滑动支架的应力，分析得知支架与轨道连接部位形变影响最为严重，也有可能导致电机在运行过程中受滑动支架和轨道接触形变影响而造成振动加强问题。3 U 型无铁芯直线电机优化设计及应用效果 3.1 优化设计元素 U 型无铁芯直线电机振动模态计算完成后，需要在此基础之上结合直线电机运行特点作出优化设计。直线电机结构类型相对较多，其中永磁直线同步电机是当前行业领域的关注重点，而无铁芯结构无需考量齿槽效应，且动子质量更轻，有高动态响应等综合优势，适用于半导体设备、医疗器械、包装机械等诸多行业领域。此类直线电机结构简单，体积更小，运行可靠性更高。相比于水平运动系统而言，此类垂直运行系统的能量更高，适用于精度较大的运行领域。但不容忽视的是，此类直线电机存在推力密度低和振动影响大的弊端缺陷，对此可以结合 U 型无铁芯直线电机振动模态计算结果，实施电机结构参数优化。例如可以对永磁体长度、背铁厚度、线圈截面形状等进行综合确定，实验期间可保持其他变量不变，对永磁体高度、背铁厚度及线圈截面形状进行参数动态调整，从而获得最优数值。实现多变量全局优化时，同样需要考虑材料消耗，如果直接应用传统类型的寻优算法，会在一定程度上造成资源浪费和结果精度不高，因此可以引入遗传算法，实现有限元模型搭建和直线电机参数全局优化4。另一方面，可以对 U 型无铁芯直线电机进行动态加载和优化控制，综合运用力平衡技术和间接谐振方法，着重消除直线电机振动负面影响。通过间接谐振技术，可无需采取直接应对手段，能够应用弹性元件之间的串联，达到良好谐振效果，但也要保障弹性元件与直线电机动力输出部分的稳定连接。例如，可以应用 ELMO 综合驱动器通过双回路、PTP 多元化控制方中国科技期刊数据库 工业 A-206-法，增设多项反馈器，对直线电机进行控制机制和相序控制。应用力平衡技术时，可以在直线电机内部中心位置与测力装置中心线进行重合，增加导轨滑块，让其承担线圈及连接件的重力影响。此时直线电机线圈只会产生重力，搭配单侧导轨滑块，能够减少因作用力不共向而引发的弯矩和振动影响，保障直线电机线圈运转和通电后的流畅性，极大减少了元部件摩擦损耗问题。除此之外，也可以搭配同步电机位置检测技术，应用智能化控制系统对电机实现可控调节，及时捕捉分析直线电机运转过程中的动作频率和速度情况，优先应用精准度更高的位置传感器，例如霍尔元件等等，让其处于直线电机磁场之中，霍尔元件中半导体电流会受磁场影响而发生偏转，逐渐累积输出霍尔电势，进而确定电机位置，实现同步检测和高精度位置检测。3.2 应用效果 笔者始终致力于直线电机开发设计及磁悬浮项目开发、设计，多年来累计开发 30 余款有铁芯和无铁芯直线电机，参与主导多个磁悬浮高速线项目开发，可被应用于锂电设备的生产、搬运、点胶、焊接、贴膜等多项作业流程。其中，如图 5 所示，U 型无铁芯直线电机研究成果有重要应用优势，针对直线电机振动问题进行精准计算，重复精度为0.005mm，该直线电机的核心技术在于动子为磁悬浮和电磁推动，无需拖链约束，且运行速度大于 2m/s，加速度大于 40m/s2，长度可根据实际需求，自由定制甚至可以大于 100m，最大负载为 5kg。该结构的动子数量可以实现自由定制且能够多动子联动，设置独立 ID 进行异步控制，自由程度更高，模块效果明显，二次开发接口简洁大方，可直接进行图形化参数调节。从 U 型无铁芯直线电机未来应用前景方面看，此类电机性价比更高，应用性更强，容易上手和调试，后续维修养护相对简单便捷，交互简便，同时支持二次开发和图形化业务逻辑设置，有效降低了外部 PLC编程难度，在现场应用过程中仍需提升工程实施能力。未来我国工业领域越发呈现出高速化、高精度生产态势，越来越多国内生产线的应用需求显著增长，此类技术有极为广阔的市场应用空间和市场容纳量，且与 U型无铁芯直线电机相配套的锂电等领域需求量更大，有极为广阔的市场机会，对此可以从直线电机振动模态计算、客户界面优化、成本提高和模块化量产等革新等角度入手，全面减少 U 型无铁芯直线电机所面临的风险和威胁，搭建更为广阔的市场应用前景。图 7 U 型无铁芯直线电机设计案例 4 结论 总而言之，在我国当前工业发展的迅猛前景下，电机设备成为了不同行业领域运转动力的核心要素，电机可以直接将电能转化为运动机械能，对此电机运行过程中的振动问题是直接影响电机系统高性能、高质量、高精度发展的重中之重。本文针对 U 型无铁芯直线电机的振动模态进行专题研究与分析，首先论述了直线电机的主要工作原理以及引发直线电机振动的主要因素，随后重点探讨了如何建立 U 型无铁芯直线电机的振动模型和模态计算，最后探讨了 U 型无铁芯直线电机优化设计及应用效果，结合笔者多年工作经验和研究成果进行案例分析和概述，此类无铁芯直线电机未来有极为广阔的应用前景和市场空间，希望本文研讨的振动模态计算方法和 U 型无铁芯直线电机未来发展前景能够为电机共振问题的解决起到一定参考借鉴作用。中国科技期刊数据库 工业 A-207-参考文献 1岳非弘,李争,王群京.U 型无铁芯直线电机的振动模态计算与分析J.日用电器,2018(11):117-122.2徐港辉,祝长生.电机定子振动模态频率分裂特性分析J.振动工程学报,2023,36(4):953-962.3邹琳,陶凡,徐汉斌,刘健,闫豫龙.用于流致振动发电的直线电机设计及优化J.科学技术与工程,2022,22(23):10102-10108.4 王 群 京,郑 耀 达,刘 先 增.基 于 结 构 参 数 优 化 的 电 机 振 动 噪 声 的 抑 制 研 究 J.电 气 工 程 学报,2023,18(2):16-25.