開關(guān)磁阻平面電動機(jī)設(shè)計(jì)與仿真
馬春燕，王振民，李更新，陳燕
(太原理工大學(xué)，山西太原030024)
摘要：隨著半導(dǎo)體及精密加工技術(shù)的快速發(fā)展，對平面定位、加工和裝配機(jī)械的要求越來越高。設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)新穎的開關(guān)磁阻平面電動機(jī)，采用直接驅(qū)動方式，省去了傳統(tǒng)平面電動機(jī)中復(fù)雜的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)。在對開關(guān)磁阻平面電動機(jī)運(yùn)動機(jī)理分析與研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和具體參數(shù)。并在Ansoft xwell 3D環(huán)境下進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了理論分析和計(jì)算結(jié)果的正確性，為開關(guān)磁阻平面電動機(jī)的進(jìn)一步研究奠定了理論基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻平面電動機(jī)；直接驅(qū)動；Maxwell 3D仿真
中圖分類號：TM352 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)07—0015—03
0引 言
半導(dǎo)體技術(shù)及精密加工制造領(lǐng)域，如IC芯片加工、定位、裝配機(jī)械以及機(jī)器人驅(qū)動裝置，都需要高速度、高精度的平面定位與運(yùn)動控制。而傳統(tǒng)的平面加工裝置由兩套直線電動機(jī)(上下兩層)組成，從本質(zhì)上沒有擺脫“低維運(yùn)動機(jī)構(gòu)疊加形成高維運(yùn)動機(jī)構(gòu)”的模式。對于底層的直線電動機(jī)而言，仍然要承載上層直線電動機(jī)及其相關(guān)機(jī)械部件的總質(zhì)量，從而嚴(yán)重影響了定位精度[1]。為此，本文依據(jù)磁阻最小原理，設(shè)計(jì)了直驅(qū)式開關(guān)磁阻平面電動機(jī)，確定了結(jié)構(gòu)參數(shù)，并在Ansort Maxwell 3D環(huán)境下進(jìn)行了仿真研究，繪制了位移與電磁力、位移與電磁推力的關(guān)系曲線，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)理論的正確性。
1基本結(jié)構(gòu)
開關(guān)磁阻平面電動機(jī)(以下簡稱SRPM)由旋轉(zhuǎn)式開關(guān)磁阻電動機(jī)演變而來。將開關(guān)磁阻電動機(jī)延徑向剖開，并向x和y兩個方向延展，就形成了SRPM的雛形。旋轉(zhuǎn)式開關(guān)磁阻電動機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子即為SRPM的動子和定子。SRPM的動子和定子均由鐵磁材料構(gòu)成，動子上安裝集中繞組，而定子無需繞組，也不需要永磁體。
SRPM由動子、定子、位置檢測裝置和支撐部件組成，如圖1所示[1]。
1.1定子結(jié)構(gòu)
定子由多個形狀相同的定子塊互相插接而成，并用環(huán)氧膠粘接在一起。每一個定子塊由硅鋼片疊裝而成，硅鋼片的疊裝厚度與齒寬相同，這樣，在x和y方向上形成多條相同的磁路通道。定子的疊片形狀及形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)如圖2所示。
1．2動子結(jié)構(gòu)
動子由兩套三相動子線圈組成，為了減小x與y方向上的磁路耦合作用，六個相同的動子線圈相互垂直地固定在動子臺架上，一套負(fù)責(zé)x方向的運(yùn)動，另一套負(fù)責(zé)y方向的運(yùn)動。動子的結(jié)構(gòu)及布置情況如圖3所示。
2 SPRM電磁特性及運(yùn)動特性
2.1電磁特性
SPRM第k相的電壓平衡方程式為：
等式右端第一項(xiàng)為電阻壓降；第二項(xiàng)是電流變化產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢；第三項(xiàng)由動子位置變化產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢(稱為運(yùn)動電動勢)。
六個線圈中的自感可以用一階傅立葉級數(shù)表示為：
2.2運(yùn)動特性
SPRM動子臺架的平面運(yùn)動是由x和y方向上直線運(yùn)動合成的。當(dāng)給某一方向的繞組(x或y方向)通電時，磁儲能為：
式(6)表明電磁力的大小取決于相電流的大小和動子的位移，方向與z軸相反。若電流不變，那么，電磁力與位移成正弦變化規(guī)律。由式(6)可知，
3 SRPM的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
SRPM的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括：定子齒寬 |
