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永磁直线电机的性能介绍

作者/出处: 网络 发布时间: 2018-09-26

永磁直线电机具有结构简单、体积小、无电励、效率高、单位推力大等优点。随着稀土永磁材料、电磁场数值计算与分析、智能控制理论及计算机技术的不断发展,永磁直线电机的发展越来越快,已成为学术研究和开发应用的热点。直线电机已广泛应用于城轨交通、物流传输、高速、高精度数控机床、微电子及半导体等行业。永磁直线电机将引领直线电机的发展潮流。

永磁直线电机种类较多,结构多样。目前的研究主要以交流永磁直线电机为多,其中,又较多地集中在有铁心永磁直线电机方面。对于该电机,人们主要是研究如何减少磁阻力口](包含端部力和齿槽力)及其产生的推力波动8]影响。由于目前永磁旋转电机尚无成熟的测试设备和试验方法,故针对永磁直线电机的实验设备和实验方法的研究就更加显得滞后。显然直线电机的试验平台对直线电机及其驱动器的研制是十分重要的一环。

目前,国产单边式有铁芯自然冷永磁同步直线电机ZST-1-075,ZST-3-200,ZST-4-150型样机已自主开发成功,为将系列直线电机与国外同类直线电机作性能对比,为此开发了永磁同步直线电机试验平台,通过该平台实现了重复定位精度、伺服刚度、速度跟踪、反电势测试和推力、电流与气隙等测试。试验表明,国产系列化永磁同步直线电机的性能已接近国外同类产品的水平。

永磁同步直线电机试验平台

永磁同步直线电机试验平台主要包括基座、被测电机、直线导轨、光栅尺、压力传感器、限位开关、负载、驱动器和上位机等。该平台原理图如图1所示。该试验平台可进行多项永磁同步直线电机试验,如加载试验、气隙、相电流和推力关系试验、速度跟踪试验、重复定位精度试验、伺服刚度试验和反电势试验等。

永磁同步直线电机相关试验

本文利用永磁同步直线电机试验平台,完成了对永磁同步直线电机的电流与推力、重复定位精度、伺服风度等的试验。

1、不同气隙时,推力与相电流的关系

图2给出了国产永磁同步直线电机ZST-1-075的电机气隙与推力、相电流的试验曲线。图2中气隙d为直线电机的动子(定子)表面到磁钢的垂直距离;推力F为直线电机所产生的水平推力;相电流是动子线圈的相电流。由图2可知,I和F呈正比例关系,即I越大,直线电机产生的F也越大。而d越大,直线电机产生的推力反而小,当d=2mm时,电机产生的推力最小。

2、重复定位精度试验

定位精度指伺服系统的位置环精度,即位置反馈跟踪位置给定的最小误差;重复定位精度是伺服系统多次往返于某个给定位置的平均误差。定位精度和重复定位精度是评价伺服系统定位能力的重要性能指标。通过对ZST-4-150型永磁同步直线电机(如图3所示)的重复定位精度试验,本文给出了直线电机正向及反向各5次定位的精度数据,如表1所示。表l的数据表明,在0~600mm范围内,直线电机的重复定位精度平均误差小于10m。

3、伺服刚度试验

伺服刚度是伺服系统在初始给定负载达到稳态后,突然去掉负载,系统再次达到稳态时离开初始位置的误差。这是评价伺服系统抗扰能力的重要性能指标。ZST-4-150型永磁同步直线电机的伺服刚度试验数据如表2所示。由表2可知,该系统的伺服刚度相对于其空载情况下,变化小于8μm,说明其具有较好的抗扰性能。

4、国产电机与进口电机性能对比试验

为分析国产ZST-4-150型直线电机的性能,本文采用科尔摩根驱动器分别对科尔摩根IC44-150-A3型直线电机和国产ZST-4-150型直线电机在多种给定速度下(驱动器参数及负载条件相同)的速度、电流跟踪和反电势进行对比试验,试验结果如图4、5所示。

图4(a)和图4(b)为低速(25mm/s)时,2种直线电机的速度、电流跟踪试验对比曲线;图4(c)和图4(d)为中速(150mm/s)时,2种直线电机的速度、电流跟踪试验对比曲线。

图5(a)为低速(10mm/s)时,2种直线电机的反电势对比试验曲线;图5(b)为中速(60mm/s)时,2种直线电机的反电势对比试验曲线。从图4、5的试验曲线图中可得出如下结论:(1)国产ZST-4-150型直线电机与科尔摩根IC44-150-A3型直线电机的低速速度跟踪曲线和电流曲线的波动变化已很接近,中速电流曲线的波动甚至比后者还稍小一些,这说明两者的推力波动已十分接近。

(2)从反电势对比曲线可发现,低速时国产ZST-4-150型直线电机曲线噪音稍大,中速时两者差别不大,说明国产ZST-4-150型直线电机本体研制水平基本达到同类科尔摩根直线电机水平。

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