音圈電機(jī)的電磁場(chǎng)計(jì)算與分析
鄒繼斌，王騫
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001)
摘要：介紹了音圈電機(jī)的結(jié)構(gòu)；以電磁場(chǎng)計(jì)算為基礎(chǔ)，分析了磁路和電路參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響；根據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)了一臺(tái)樣機(jī)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了利用數(shù)值計(jì)算進(jìn)行音圈電機(jī)設(shè)計(jì)的有效性。
0引 言
音圈電機(jī)是一種將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線位移的直流伺服電機(jī)。以音國(guó)電機(jī)為動(dòng)力的直線定位系統(tǒng)具有整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)速度快、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)器、激光微調(diào)機(jī)、六自由度機(jī)器人手臂等高新技術(shù)設(shè)備中。
評(píng)價(jià)音圈電機(jī)的指標(biāo)包括出力大小和“力一位移”曲線的平滑度。在音圈電機(jī)設(shè)計(jì)中，需要合理確定各個(gè)尺寸和電磁參數(shù)，以得到理想的出力和“力一位移”曲線。盡管音圈電機(jī)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但是設(shè)計(jì)方法有其特殊性，目前關(guān)于該電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算的參考文獻(xiàn)仍較少，僅有國(guó)外的產(chǎn)品介紹可供參考。音圈電機(jī)的出力和“力一位移”曲線的計(jì)算應(yīng)以電磁場(chǎng)計(jì)算為基礎(chǔ)。本文在對(duì)該電機(jī)結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)電機(jī)內(nèi)的電磁場(chǎng)進(jìn)行了分析和計(jì)算。在電機(jī)體積一定的條件下，以提高出力為目標(biāo)，分析了磁路和電路參數(shù)的影晌，并設(shè)計(jì)了一臺(tái)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)計(jì)算相吻合。
1音圈電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理
音圈電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖l所示，主要由定子和動(dòng)子組成。其中定子包括外磁軛、環(huán)形磁鋼、隔磁環(huán)和內(nèi)磁軛，動(dòng)子由音圈繞組和繞組支架組成。
音圈電機(jī)的工作原理與電動(dòng)式揚(yáng)聲器類似，即在磁場(chǎng)中放入一環(huán)形繞組，繞組通電后產(chǎn)生電磁力，帶動(dòng)負(fù)載作直線運(yùn)動(dòng)；改變電流的強(qiáng)弱和極性，即可改變電磁力的大小和方向。
繞組所受到的電磁力：
F=NBil (1)
式中：F——繞組受到的電磁力；
N——線圈的總匝數(shù)；
B——?dú)庀洞琶埽?/DIV>
i——線圈流過(guò)的電流；
l——線圈平均每匝的長(zhǎng)度。
式(1)表明：電機(jī)的出力主要取決于氣隙磁場(chǎng)的強(qiáng)弱、線圈的安匝數(shù)以及線圈每匝的長(zhǎng)度。由于各參數(shù)互相關(guān)聯(lián)，所以必須合理設(shè)計(jì)各參數(shù)，才能使電機(jī)具有****的性能。具體來(lái)說(shuō)，音圈電機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下幾個(gè)基本原則：
(1)在電機(jī)體積給定的情況下，應(yīng)盡可能增加氣隙磁密與線圈總長(zhǎng)度的乘積，以提高單位電流產(chǎn)生的磁推力。
(2)減小漏磁，降低磁路的飽和程度，從而減小電機(jī)的體積。
(3)合理設(shè)計(jì)電機(jī)定子和動(dòng)子的軸向長(zhǎng)度，以得到平滑的“力-位移”曲線。
2電磁場(chǎng)計(jì)算
音圈電機(jī)的設(shè)計(jì)與分析應(yīng)以電磁場(chǎng)計(jì)算為基礎(chǔ)。由于音圈電機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)是一個(gè)軸對(duì)稱場(chǎng)，所以可采用二維有限元法進(jìn)行計(jì)算。本文以定子長(zhǎng)30．5 mm、外徑38 mm的音圈電機(jī)為例進(jìn)行磁場(chǎng)計(jì)算與設(shè)計(jì)分析。以圖2所示區(qū)域作為磁場(chǎng)的求解區(qū)域，且采用矢量磁位A對(duì)音圈電機(jī)的電磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。
在計(jì)算區(qū)域內(nèi)，磁位A滿足下式：
在本例中，可認(rèn)為磁力線終止于求解邊界，即邊界條件為：
A=O (3)
根據(jù)這兩個(gè)方程，通過(guò)數(shù)值計(jì)算可得到音圈電機(jī)內(nèi)的磁力線分布，如圖2所示。由此，可以得出電機(jī)徑向氣隙磁密沿軸向的分布，進(jìn)而根據(jù)式(1)計(jì)算出電機(jī)的電磁力及“力-位移”曲線，這對(duì)簡(jiǎn)化電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程，縮短開(kāi)發(fā)周期具有重大意義。
3設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響
影響音圈電機(jī)性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括磁鋼厚度、音圈厚度、外磁軛厚度、極間距離和定動(dòng)子長(zhǎng)度。本文在電磁場(chǎng)計(jì)算的基礎(chǔ)上，以電機(jī)體積一定為約束條件，定量計(jì)算了不同尺寸下電機(jī)的出力和“力-位移”曲線，并分析了各參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響。
3．1磁鋼厚度的影響
磁鋼厚度越大，則氣隙磁場(chǎng)越強(qiáng)，電機(jī)的出力也越大，但在電機(jī)外徑一定的條件下，音圈的直徑要減小。因此須適當(dāng)選擇磁鋼厚度，才能使電機(jī)出力****。
在保證電機(jī)外徑和音圈厚度一定的條件下，不同磁鋼厚度時(shí)電機(jī)徑向氣隙磁密沿軸向的分布圖和力一位移”曲線分別如圖3、圖4所示。計(jì)算中為了保證磁路的飽和程度基 |
