磁极组合式永磁丝杠的结构分析与优化

为改善永磁丝杠复杂的螺旋形磁极加工制造难度,对螺旋磁极结构进行改进替代。应用有限元法(Finite Element Method,FEM)对推力和转矩静特性进行仿真,证明丝杠磁极为斜环、螺母磁极为螺旋结构和丝杠磁极为螺旋结构、螺母磁极为斜环的两种永磁丝杠结构能够实现平稳传动。由于结构中仍部分存在螺旋结构,故进行实用化改进。方案一是将直环离散的若干圆弧形磁极块阶梯式组合排列;方案二是采用半斜环磁极组合结构。结果表明,后者组合磁极块数更少,在保证运动系统平稳传动的同时,具有更大的推力和转矩。同双螺旋永磁丝杠相比,推力误差和转矩误差仅分别为3.981%和0.583%,故而为替代螺旋磁极的一种较为理想的方案。此外,提出了极距比K的概念,得出K=0.3时,单位磁极产生的电磁推力和转矩最大,磁极利用率最高。在此基础上,将半斜环磁极结构采用Halbach阵列优化,峰值推力和转矩可分别提升42.3%和36.3%,且存在最优辅配比λ=0.4。

永磁丝杠推力及其影响因素研究

针对永磁丝杠的丝杠和螺母之间不存在机械接触,两者依靠永磁体磁场的耦合实现丝杠旋转运动与螺母直线运动之间的运动变换等问题,对永磁丝杠的传动原理、传动比及推力进行理论分析,推导出传动比和推力与磁极节距、磁极对数、磁极宽度及丝杠直径等结构参数之间的关系式,提出磁极宽度、磁极对数和丝杠直径3者的约束条件。通过有限元仿真,对磁极节距、气隙长度、磁极厚度及轭铁厚度等因素对推力的影响进行研究。结果表明,气隙长度对推力的影响最大,且随着气隙长度增大,推力近乎线性减小。推力随磁极节增大以近似抛物线的关系变化,且在磁极节距8 mm时推力达到最大值。丝杠和螺母的磁极厚度变化对推力的影响基本相同,即磁极厚度越大推力越大;但在磁极厚度≤5 mm时推力变化较快,当磁极厚度超过5 mm后推力变化趋于平缓。丝杠和螺母轭铁厚度的变化对推力没有影响。

具有极间隙的新型永磁式丝杠仿真研究

为解决实际工程应用中加工精度或装配误差等因素导致的磁极间存在间隙或其他绝缘性材料形成间隔的问题,设计了一种具有极间隙的新型永磁式丝杠结构。提出了极距比的概念,应用有限元仿真技术,研究了极距比及直径、节距对最优极距比的影响。结果显示:峰值推力和峰值转矩随极距比的增大而减小;存在最优极距比为0.3,使得输出推力密度与转矩密度较大的同时,比推力和比转矩最大,磁能利用率最高;改变丝杠直径和节距,最优极距比不变。