單鵬飛，王漢豐，方曉強，楊素香

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

直線電機因無需附加裝置將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，具有結(jié)構(gòu)簡單、反應(yīng)速度快、靈敏度高、跟蹤效果好、定位精度高、組合靈活等優(yōu)點[1]，被廣泛應(yīng)用于民用產(chǎn)品的各種橫向或垂直運動的機械設(shè)備中和武器裝備中，如軍用靶場、軍用仿真系統(tǒng)、軍用戰(zhàn)斗武器等。在特定的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)備中，需根據(jù)項目特殊需求研制特種配套的新型直線電機。某系統(tǒng)動力部件需求一款直徑Φ7 mm、壽命長、可靠性高的微型單相圓筒型電機，且要求運動部件具有抗軸向20 000 g沖擊力的能力。

圓筒型直線電機按運動部件可分為動圈式和動磁式兩種結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[2]闡述了結(jié)構(gòu)的不同及優(yōu)缺點，雖然動磁式直線電機存在單邊推力較大的缺點，但與動圈式相比，動磁式具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、安裝方便、推力大、可靠性高等優(yōu)點[3]。文獻(xiàn)[4]中介紹的動磁式直線電機結(jié)構(gòu)為常規(guī)結(jié)構(gòu)，由定子和動子兩部分組成，其中，定子通常由線圈和外鐵心(定子磁軛)組成，動子通常由磁鋼和內(nèi)鐵心(動子磁軛)組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[4]。

圖1 動磁式直線電機常規(guī)結(jié)構(gòu)示意圖

針對系統(tǒng)特殊的應(yīng)用需求，本文設(shè)計了一款動子抗強沖擊結(jié)構(gòu)的總裝式圓筒型微型直線電動機。首先，針對產(chǎn)品的動子強沖擊要求，對比分析了不同磁鋼結(jié)構(gòu)的直線電機特點，結(jié)合與整機的一體化設(shè)計特點，開展帶軸動子抗沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計，并建立了有限元模型分析抗沖擊力效果；其次，針對產(chǎn)品的小體積高可靠性特點，從結(jié)構(gòu)、材料、工藝、強度復(fù)核復(fù)算等方面考慮，開展定子可靠性結(jié)構(gòu)設(shè)計；最后試制了樣機進行抗沖擊結(jié)構(gòu)的實驗驗證。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

直線電機按動子類型主要分為動磁式和動圈式。動圈式是指電機繞組位于動子、磁鋼位于定子；動磁式結(jié)構(gòu)相反，繞組位于定子，磁鋼位于動子。本項目電機要求體積小，若繞組位于動子，引出線在結(jié)構(gòu)上不易安裝固定，容易損壞，可靠性不高。因此，選擇動磁型直線電機方案。

動磁型直線電機按永磁體充磁方式又分為徑向式、軸向式、Halbach式。Halbach式與軸向式性能近似相等，二者均大于徑向式；又因為Halbach式永磁體需不同充磁方式的三塊永磁體，既增加了工藝的復(fù)雜性，又降低了動子的抗沖擊力。因此，最終動子磁鋼選擇軸向充磁方案。

直徑Φ7 mm的圓筒型直線電機為某型號驅(qū)動系統(tǒng)定制的組裝式電機，為防止定子、動子碰撞、摩擦，在兩者之間采用軸承支撐。因體積有限，無法采用直線滾珠軸承，故軸承采用復(fù)合材料PEEK加工而成。該材料強度高，且具有自潤滑作用，既起到支撐作用又具有強沖擊緩沖結(jié)構(gòu)作用；同時，便于右側(cè)滑動軸承與機殼裝配到位后，配打銷孔，使定子部件具有強抗沖擊性和可靠性的特點。電機總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電機總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 定子結(jié)構(gòu)設(shè)計

定子總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。定子采用無齒槽雙繞組結(jié)構(gòu)，定子機殼采用0.5 mm厚的磁性合金，因電機體積小，定子繞組無設(shè)置繞線支架的空間，繞組和機殼之間采用環(huán)氧澆注為一體的結(jié)構(gòu)。為了增加線圈與機殼之間的軸向承載能力，在機殼內(nèi)圓車亂螺紋，提高環(huán)氧的附著力。同時，尾端軸承(非用戶接口端軸承)和用戶接口還可以對環(huán)氧澆注后的繞組軸向進一步起到約束效果。繞組、環(huán)氧和機殼固化為一體后，既增加了軸向抗沖擊能力，也增加了徑向抗沖擊能力，可彌補機殼厚度的不足。

圖3 定子結(jié)構(gòu)圖

由于電機體積小，性能指標(biāo)要求高，定子繞組無設(shè)置繞線支架的空間，給繞組的繞制和后續(xù)加工帶來的很大的困難，為了保證繞制過程、壓裝過程和環(huán)氧澆注過程中繞組無松散現(xiàn)象，設(shè)計專用芯軸夾具，以機殼內(nèi)孔、繞組內(nèi)孔作為定位，貫穿繞線、壓裝和環(huán)氧澆注三個過程，最后脫模成形。芯軸材料擬采用聚四氟乙烯棒(加工后需進行脫模處理)。

1.3 動子結(jié)構(gòu)設(shè)計

動子整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。動子采用軸向充磁的動磁式結(jié)構(gòu)，永磁體為圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，永磁材料為機械強度較高的燒結(jié)釹鐵硼，磁鋼、磁軛與芯軸之間采用膠粘固定，并在轉(zhuǎn)軸上設(shè)計臺階結(jié)構(gòu)(圖5(a)所示)，提高初次沖擊時的承載能力。為防止反彈作用力，在無臺階一側(cè)將轉(zhuǎn)軸和磁軛進行激光焊接加固(圖5(b)所示)。在磁鋼外圈繞一層玻璃纖維，進一步提高磁鋼的抗撞擊能力。轉(zhuǎn)軸采用高強度無磁不銹鋼17-4PH 0Cr17Ni4Cu4Nb，增加橫向沖擊時的剛度。

圖4 動子結(jié)構(gòu)圖

圖5 動子加固結(jié)構(gòu)示意圖

2 動子結(jié)構(gòu)機械強度校核

2.1 有限元模型建立

通過以上的緩沖抗沖擊結(jié)構(gòu)分析知，基于機械分析軟件ANSYS Mechanical，建立有限元模型，對整個動子和滑動軸承進行強度校核，如圖6所示。該型直線電機分別受軸向20 000 g和徑向3 500 g沖擊，通過有限元分別分析兩種沖擊下電機動子的應(yīng)力應(yīng)變狀況，驗證該結(jié)構(gòu)強度是否滿足要求。

圖6 有限元模型圖

2.2 有限元模型的邊界條件與加載

受軸向20 000 g沖擊時，電機動子相對定子向左側(cè)位移，轉(zhuǎn)軸左側(cè)端面撞擊安裝端面，限制其進一步位移，其加載及邊界條件如圖7所示。徑向3 500 g沖擊時，兩處軸承限制動子徑向位移，其加載及邊界條件如8所示。軸向、徑向兩種沖擊同時作用時,其加載及邊界條件如圖9所示。

圖7 軸向加載及邊界條件圖

圖8 徑向加載及邊界條件圖

圖9 徑向、軸向同時加載及邊界條件圖

2.3 仿真結(jié)果

軸向承受20 000 g沖擊時，最大位移為0.005 mm，發(fā)生于轉(zhuǎn)軸尾端(非撞擊端)，如圖10所示。其最大等效應(yīng)力約為83.6 MPa，位于受沖擊一側(cè)轉(zhuǎn)軸端部，如圖11所示。

圖10 軸向沖擊位移圖

圖11 軸向沖擊等效應(yīng)力圖

徑向3 500 g沖擊時，動子的等效應(yīng)力，徑向位移及剪切應(yīng)力如圖12～圖14所示。其最大徑向位移0.001 7 mm，位于轉(zhuǎn)軸端部；最大等效應(yīng)力約為52.5 MPa，位于軸承與轉(zhuǎn)軸配合位置；最大剪切應(yīng)力約為26.6 MPa，同樣位于最大等效應(yīng)力處。

圖12 徑向沖擊位移圖

圖13 徑向沖擊等效應(yīng)力圖

圖14 徑向沖擊剪切應(yīng)力圖

軸向、徑向兩種沖擊同時作用時，其動子的等效應(yīng)力，徑向位移及剪切應(yīng)力如圖15～圖17所示。其最大等效位移0.005 mm，位于轉(zhuǎn)軸靠靜右側(cè)軸承處，主要為軸向位移；最大等效應(yīng)力約為101.4 MPa，位于磁鋼與轉(zhuǎn)軸配合位置；最大剪切應(yīng)力約為51.4 MPa。

圖15 軸向、徑向沖擊同時作用時的位移圖

圖16 軸向、徑向沖擊同時作用時的等效應(yīng)力圖

圖17 軸向、徑向沖擊同時作用時的剪切應(yīng)力

轉(zhuǎn)軸材料為17-4PH 0Cr17Ni4Cu4Nb高強度無磁不銹鋼，屈服強度大于650 MPa，當(dāng)動子在兩種沖擊同時作用下，最大等效應(yīng)力約為101.4 MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服強度，最大剪切強度為51.4 MPa，小于其抗剪切強度，最大徑向位移0.005 mm，遠(yuǎn)小于動、定子間隙。有限元模擬結(jié)果表明，該動子結(jié)構(gòu)滿足軸向20 000 g、徑向3 500 g兩種沖擊的強度要求。

3 試驗測試

通過以上設(shè)計研究，研制的圓筒型動磁式直線電機樣機如圖18所示。樣機為半組裝式結(jié)構(gòu)，通過試驗支撐底座裝配起來，氣隙均勻，電機運行可靠，試驗底座與整機銜接結(jié)構(gòu)類似。直線電機試驗檢測過程中，工作狀態(tài)平穩(wěn)，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

圖18 樣機實物圖

將樣機交由南京理工大學(xué)進行模擬沖擊試驗，如圖19所示，利用重錘試驗對樣機進行了軸向20 000 g和徑向3 500 g的沖擊試驗。軸向和徑向各重錘沖擊1次，試驗結(jié)束后，電機動子處于自由運轉(zhuǎn)狀態(tài)，經(jīng)復(fù)測，性能滿足要求；經(jīng)拆解，電機內(nèi)各零部件無損傷，驗證了動子抗沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

圖19 現(xiàn)場沖擊試驗?zāi)M測試

4 結(jié) 語

本文針對某特殊驅(qū)動系統(tǒng)用微小型圓筒型直線電機的需求，設(shè)計并制造了樣機?；谛◇w積的特點，結(jié)合無刷空心杯電機定子結(jié)構(gòu)，采用機殼與線圈澆環(huán)氧一體化設(shè)計；基于動子抗沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，分析了各零件的結(jié)構(gòu)及銜接方式，基于ANSYS Mechanical應(yīng)力分析軟件建立了樣機的有限元模型，對沖擊進行仿真計算。最后，經(jīng)過樣機的現(xiàn)場沖擊模擬測試，進一步驗證了結(jié)構(gòu)方案設(shè)計可行，為微型直線電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了可借鑒思路。