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直線(xiàn)電機(jī)產(chǎn)生推力波動(dòng)的原因及改善方案

一、直線(xiàn)電機(jī)產(chǎn)生的推力波動(dòng)危害

　　直線(xiàn)電機(jī)產(chǎn)生的推力波動(dòng)是其應(yīng)用方面的主要缺陷之一。推力波動(dòng)會(huì)引起震動(dòng)和噪聲，在低速運(yùn)行時(shí)，電機(jī)可能發(fā)生共振，運(yùn)行特性惡化。

　　紋波擾動(dòng)、摩擦擾動(dòng)、負(fù)載阻力變化、端部效應(yīng)、負(fù)載阻力變化、電流時(shí)滯諧波、磁阻推力波動(dòng)等都是直線(xiàn)電機(jī)產(chǎn)生推力波動(dòng)的重要因素。因此，對(duì)直線(xiàn)電機(jī)的推力波動(dòng)特性進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)試時(shí)非常重要的。

直線(xiàn)電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置。直線(xiàn)電機(jī)對(duì)外輸出的量主要是推力，這也是直線(xiàn)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)的重要的不同點(diǎn)之一。推力對(duì)于直線(xiàn)電機(jī)的重要性可以與力矩對(duì)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的重要性相媲美。由于直線(xiàn)電機(jī)的理論、設(shè)計(jì)、制造和負(fù)載及干擾等諸多方面的原因，直線(xiàn)電機(jī)必然存在推力波動(dòng)。推力波動(dòng)能夠反映直線(xiàn)電機(jī)的運(yùn)行是否平穩(wěn)，因此，推力波動(dòng)是直線(xiàn)電機(jī)檢測(cè)的關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)，下面本文主要介紹推力波動(dòng)測(cè)試方法。

1.常規(guī)直線(xiàn)電機(jī)推力波動(dòng)測(cè)試方法

常見(jiàn)的推力波動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是使用由滾珠絲杠和直線(xiàn)電機(jī)分別拖動(dòng)的拖板，共軸對(duì)拖來(lái)測(cè)試推力波動(dòng)。這種旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過(guò)滾珠絲杠連接直線(xiàn)電機(jī)的方法，使機(jī)械連接機(jī)構(gòu)的干擾也不可避免的進(jìn)入了波動(dòng)的檢測(cè)結(jié)果中，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果往往與預(yù)期的有可觀的偏差。

2.新型直線(xiàn)電機(jī)推力波動(dòng)測(cè)試解決方案

新型波動(dòng)測(cè)試解決方案是同一導(dǎo)軌上采用兩個(gè)同型號(hào)直線(xiàn)電機(jī)互為負(fù)載，通過(guò)對(duì)合適條件下所采集的推力信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終得到被測(cè)直線(xiàn)電機(jī)的推力特性。

由于被測(cè)直線(xiàn)電機(jī)與陪試直線(xiàn)電機(jī)的電氣性能和機(jī)械性能相同，此方法避免了旋轉(zhuǎn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)引入的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，而且用簡(jiǎn)單的連接裝置替代滾珠絲杠，提升了傳遞效率。通過(guò)運(yùn)用合適的控制檢測(cè)方法，使兩個(gè)電機(jī)疊加后的波動(dòng)處于相同相位下，進(jìn)而得到被測(cè)電機(jī)的推力波動(dòng)。

檢測(cè)系統(tǒng)主要由被測(cè)直線(xiàn)電機(jī)、陪試直線(xiàn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、位置速度檢測(cè)裝置、力特性檢測(cè)裝置以及數(shù)據(jù)采集處理模塊組成，試驗(yàn)中通過(guò)固定與連接機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)兩個(gè)直線(xiàn)電機(jī)到達(dá)待測(cè)位置(合適的相對(duì)位置，推力呈現(xiàn)比較明顯的正弦波形)，在直線(xiàn)電機(jī)的電樞中通電，陪試電機(jī)設(shè)定為速度環(huán)模式，拉動(dòng)被測(cè)電機(jī)運(yùn)行一段距離。通過(guò)力傳感器就可以計(jì)算對(duì)應(yīng)的位置和速度條件下直線(xiàn)電機(jī)所對(duì)應(yīng)的推力，此時(shí)推力波動(dòng)為兩個(gè)直線(xiàn)電機(jī)推力的疊加。通過(guò)對(duì)采集的推力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可以得到被測(cè)直線(xiàn)電機(jī)的推力波形，從而求得推力平均值以及推力波動(dòng)百分比。

推力波動(dòng)的抑制方法減小推力波動(dòng)的電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)中常用的抑制推力波動(dòng)的措施有：

 

1，斜槽（斜磁）技術(shù)

 

通過(guò)傾斜動(dòng)子槽或定子永磁體，可以減小相對(duì)于定子的磁阻變化，從而有效地減小齒槽推力波動(dòng) !

 

2，改變動(dòng)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

 

3，改進(jìn)定子磁極的設(shè)計(jì)

 

通過(guò)合理調(diào)整磁極間的相對(duì)位置，使永磁塊在定子磁極中成不對(duì)稱(chēng)排布，均能消除或減小波動(dòng)推力的諧波成分；

 

4，減小推力波動(dòng)的控制策略；

 

理論上電動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以減小甚至*消除! 但實(shí)際中由于優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的局限性，加工手段、成本、及應(yīng)用環(huán)境的制約，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的 直線(xiàn)電機(jī) 仍存在推力波動(dòng)，需采用相應(yīng)的控制技術(shù)來(lái)進(jìn)一步提高其推力性能 ! 目前常用的措施有：

 

改善功率逆變器的性能

 

優(yōu)化動(dòng)子電流波形

 

實(shí)現(xiàn)對(duì)推力的閉環(huán)控制

 

速度外環(huán)的控制策略

 

但在高精度微進(jìn)給的數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，除了直接針對(duì)推力波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償和控制外，還在直線(xiàn)伺服系統(tǒng)的速度外環(huán)采取一些有效的控制策略來(lái)抑制推力波動(dòng)對(duì)速度伺服性能的影響 !