永磁弧形导轨电动机的永磁体设计与电磁场分析

0 引 言

目前，常规电动机有连续旋转运动的各类交、直流电动机，断续旋转运动的步进、伺服电动机，以及直线运动的直线电动机。但是在实际应用中，也存在很多仅需要在某一特定的角度范围内绕轴心线往复摆动，不必360°驱动负载旋转的场合，如卫星辐射仪扫描镜、陀螺仪稳定平台、天线扫瞄系统、机器人关节、机载炮塔和冲压成型等［1－2］。此种场合下，一般采用旋转运动的电动机与机械或电子传动机构相结合的方式来实现。这样，不仅系统复杂，而且降低了可靠性，牺牲了效率和控制精度［2］。虽然步进和伺服电动机也可断续地实现在有限角度内往复摆动，但是步进电动机由电脉冲信号开环控制，速度较慢、效率不高，负载过大易出现丢步或堵转;伺服电动机由编码器脉冲信号闭环控制，虽然精度高、响应快，但是价格昂贵，在大负载工况下尤为突出。因此难以广泛应用于仅在特定的角度范围内往复摆动的工况下。

国外已经成功将弧形永磁同步电动机应用于直接驱动大型天文望远镜，如欧洲南方天文台的VLT望远镜、日本国家天文台的Subaru望远镜和西班牙的GTC望远镜［3－4］。国内相关机构也进行了一些理论分析和仿真研究［5－7］，取得了一些成果，但是对于电磁力的提升以及往复运动的快速响应性研究还有进一步研究的空间。

为此，本文提出一种新型永磁弧形导轨电动机，能够直接实现在某一特定的角度范围内绕轴心线作弧形轨迹往复运动，具有结构简单、工作可靠、效率高等特点，广泛应用于需要在有限角度内对负载进行直接驱动控制的环境中。并对比分析永磁弧形导轨电机永磁体的不同充磁方式和螺线管线圈的不同通电方式，得到提升其电磁力和动态响应性能的方法。

1 结构与原理

永磁弧形导轨电动机的结构如图1所示，它主要由螺线管、夹紧板、永磁体、滚轮、导轨、线圈和支架等组成。其中，线圈缠绕在螺线管上(图中为了简化，仅列出左中右三个线圈)。永磁体通过夹紧板和滚轮固定在一起，组成滑动组件，放置于导轨上。

图1 永磁弧形导轨电动机的结构

图2是永磁弧形导轨电动机的工作原理，首先输入电压信号ui通过放大器处理后，加载到螺线管的线圈。当线圈通电后，根据安培定则(也称右手螺旋定则)，螺线管一端被磁化为N极，另一端被磁化为S极［8］，其外部磁场与条形磁铁的磁场相似。因此，由于通电螺线管周围磁场的作用，根据同极相斥、异极相吸的原理，永磁体将被吸引过去，从而使滑动组件在恒定的磁场中受到电磁力Fd作用而沿着圆弧形导轨产生沿圆弧导轨的运动，进而带动负载一起沿圆周方向运动。

图2 永磁弧形导轨电机工作原理

滑动组件通过角度传感器检测位置误差，之后转换成电压信号，从而补偿到输入信号ui，将其作为纠偏电压ue，通过放大器处理后，加载到螺线管线圈，从而保证永磁体滑动组件保持在所需要的准确位置。滑动组件在磁场中所受到的电磁力的大小和方向，完全取决于线圈中的控制电流i的大小与方向。这样由线圈电流励磁，从而减小了磁回路中的涡流影响。并且系统通过闭环控制，使本文提出的电机的控制精度也得到了提高。

2 建模仿真

为了得到最优化的永磁体磁化方向，通过图1的结构建立如图3所示的有限元仿真分析模型，采用Ansoft/Maxwell仿真分析软件进行仿真分析。模型中的永磁体剩磁 Br=1.25 T，矫顽力 Hc=923 kA/m，永磁体长、宽和高度分别为20 mm、20 mm和46 mm。

由于有限元分析模型左右对称，因此仅分析滑动组件沿顺时针偏转的情况。针对螺线管线圈，对比分析如表1所示的三种通电方案。

图3 仿真模型

表1 三种不同的通电方案

永磁体的磁化方向分别选取沿外磁场磁力线方向、轴向、倾斜、混合以及横向方向。对于倾斜磁化方向，选取了典型的 45°磁化方向［9］;对于混合磁化，选取了两块永磁体上下放置，对于上部永磁体做横向磁化处理，对于下部永磁体做轴向磁化处理，并且选取了典型比例l/L=2/3。

本次仿真分析永磁体均处于零度偏转角，即位于底部中央。采用Ansoft/Maxwell仿真分析软件进行仿真分析后，得到了在通电方案一下的永磁体不同磁化方向磁力线分布图，如图4所示。从图4可以看出，沿外磁场磁力线方向磁化时的磁力线比其他磁化方式更加均匀和密集。从图5可以看出，通电方案二与通电方案三在沿外磁场磁力线方向磁化下的磁力线比方案一更加均匀和密集，其中方案三沿外磁场磁力线方向磁化时的磁力线最为均匀和密集。

图4 方案一不同磁化方向磁力线分布

图5 方案二和方案三外磁场方向磁力线分布

永磁弧形导轨电机的螺线管线圈与永磁体之间的电磁力可以经过安培力计算而得(假设水平向右为X轴正向，竖直向下为Y轴正向)。在通电方案一下，永磁体不同磁化方向的Y向电磁力对比如表2和图6所示。

表2 通电方案一永磁体不同磁化方向的Y向电磁力

图6 通电方案一永磁体不同磁化方向的电磁力

从表2与图6可以得到，永磁体沿外磁场磁力线方向磁化时Y向电磁力比其他磁化方式都大，与轴向磁化相比，沿磁力线方向产生的Y向电磁力提高了近40%，为最优化选择。

不同的通电方案下，永磁体不同磁化方向的X向电磁力如表3和图7所示。

表3 不同通电方案永磁体不同磁化方向的X向电磁力/N

图7 不同通电方案永磁体不同磁化方向的X向电磁力

由表3和图7可知，对于永磁体轴向磁化，方案三较方案二X向电磁力增加62.5%;对于永磁体沿外磁场磁力线方向磁化，方案三较方案二X向电磁力增加70.3%;特别是，方案三的沿外磁场磁力线方向磁化时X向的电磁力是方案二的轴向磁化时电磁力的2.5倍。由此可见，对于左中右三个线圈分别通入不同大小的电流，永磁弧形导轨电机滑动组件受到的X向电磁力为最大，其向上摆动的趋势最大，动态响应速度也将更快。

3 结 论

通过对永磁弧形导轨电机永磁体充磁技术和螺线管线圈通电方式的研究，发现沿外磁场磁力线方向磁化时Y向电磁力比其他磁化方式都大，与轴向磁化相比，沿磁力线方向产生的Y向电磁力提高了近40%，为最优化选择;通电方案三较方案二X向电磁力增加62.5%;对于永磁体沿外磁场磁力线方向磁化，方案三较方案二X向电磁力增加70.3%;特别是，方案三的沿外磁场磁力线方向磁化时X向的电磁力是方案二的轴向磁化时电磁力的2.5倍。由此可见，对于左中右三个线圈分别通入不同大小的电流，永磁弧形导轨电机滑动组件受到的电磁力为最大，其向上摆动的趋势也最大，动态响应速度也将更快。此结论对从事电机设计开发的研究人员来说具有一定意义。