張琪林

（北京理工大學(xué)，北京 100081）

音圈電機(jī)溫度特性分析

張琪林

（北京理工大學(xué)，北京 100081）

音圈電機(jī)的溫度變化對(duì)其驅(qū)動(dòng)特性和工作性能有著至關(guān)重要的影響。建立了音圈電機(jī)的有限元模型，得到了音圈電機(jī)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布特征以及驅(qū)動(dòng)電流和磁缸溫度關(guān)系，以此確定了音圈電機(jī)的持續(xù)工作電流。得到了電流與磁缸瞬態(tài)溫升之間的關(guān)系，以此確定了在超過(guò)持續(xù)電流的條件下電機(jī)的可靠工作時(shí)間，為音圈電機(jī)的設(shè)計(jì)和使用提供了理論依據(jù)，穩(wěn)態(tài)溫度分布和瞬態(tài)溫升規(guī)律得到了試驗(yàn)驗(yàn)證。

音圈電機(jī)；穩(wěn)態(tài)溫度分布；瞬態(tài)溫度特性；有限元法

直線式音圈電機(jī)是一種利用通電線圈在磁場(chǎng)中受洛倫茲力將電能轉(zhuǎn)化為線圈動(dòng)子動(dòng)能的電機(jī)，由于其高響應(yīng)、高精度的特點(diǎn)，在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。音圈電機(jī)在工作過(guò)程中各部分溫度會(huì)上升，會(huì)引起電機(jī)電磁材料參數(shù)的改變，影響電機(jī)的性能。因此準(zhǔn)確預(yù)測(cè)音圈電機(jī)的溫度對(duì)于電機(jī)的設(shè)計(jì)和使用具有重要的意義，本文研究音圈電機(jī)的穩(wěn)態(tài)溫度分布和瞬態(tài)溫升規(guī)律，為電機(jī)設(shè)計(jì)使用提供依據(jù)。

1 問(wèn)題描述

音圈電機(jī)由線圈體和磁缸組成，工作時(shí)線圈處在磁缸外壁和內(nèi)芯所夾的空氣間隙之中，通入電流在洛倫茲力的作用下作軸向運(yùn)動(dòng)。在線圈、內(nèi)芯以及線圈、外壁之間存在著0.5mm的空氣間隙。電機(jī)工作時(shí)，熱量主要產(chǎn)生在線圈處，通過(guò)夾層空氣和材料的導(dǎo)熱傳遞到磁缸和線圈架子，并最終通過(guò)磁缸和線圈架子將熱量散發(fā)外界環(huán)境中，當(dāng)線圈熱量生成量與對(duì)外界環(huán)境的散熱量達(dá)到平衡的時(shí)候，音圈電機(jī)溫度不變。由音圈電機(jī)的產(chǎn)熱和傳熱過(guò)程可以得知，在建立傳熱模型時(shí)，應(yīng)該考慮的因素有：產(chǎn)熱量、線圈體的熱傳導(dǎo)、線圈體與夾層空氣的熱對(duì)流、磁缸和夾層空氣的熱對(duì)流、線圈體和磁缸和外部環(huán)境的熱對(duì)流。

2 音圈電機(jī)的有限元熱分析

2.1 熱分析的有限元關(guān)系式

本文研究主要涉及到穩(wěn)態(tài)熱分析和瞬態(tài)熱分析。音圈電機(jī)的穩(wěn)態(tài)溫度分布指的是在某一工況下電機(jī)溫度升高并達(dá)到熱平衡時(shí)音圈電機(jī)各個(gè)部分的溫度。通過(guò)有限元計(jì)算音圈電機(jī)各個(gè)部分溫升曲線最終趨近的值即是各個(gè)穩(wěn)態(tài)的穩(wěn)態(tài)分布。穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程的能量平衡方程是：

而瞬態(tài)傳熱過(guò)程是一個(gè)系統(tǒng)加熱或者冷卻的過(guò)程，該過(guò)程中系統(tǒng)的溫度、熱流率、熱邊界條件和內(nèi)能隨時(shí)間有明顯變化，瞬態(tài)熱平衡的能量平衡形式可以表示成：

式（1）和（2）中，

[K]——傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射等因素的影響；[C]——比熱矩陣，反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)能變化；{T} ——節(jié)點(diǎn)溫度向量；——溫度對(duì)時(shí)間導(dǎo)數(shù)向量；{Q}——節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包括熱生成。

從瞬態(tài)傳熱和穩(wěn)態(tài)傳熱的能量平衡方程可以看出兩者的區(qū)別主要在于比熱與溫升速率的積這項(xiàng)。瞬態(tài)過(guò)程可以看作是系統(tǒng)由初始環(huán)境溫度條件發(fā)展到熱平衡穩(wěn)態(tài)結(jié)果的歷程，而穩(wěn)態(tài)溫度分布反過(guò)來(lái)則可以看作是瞬態(tài)過(guò)程經(jīng)過(guò)無(wú)限時(shí)間發(fā)展到某一時(shí)刻的結(jié)果。

2.2 熱載荷與邊界條件

音圈電機(jī)工作過(guò)程的熱載荷主要有線圈產(chǎn)熱、線圈與線圈架體之間的熱傳導(dǎo)、磁缸的熱傳導(dǎo)、線圈架體與夾層空氣的熱對(duì)流、磁缸與夾層空氣的熱對(duì)流以及線圈蓋和磁缸表面與外界環(huán)境的熱對(duì)流。

（1）線圈熱生成量。

式（3）中，I——通過(guò)線圈的直流電流；R——線圈電阻。

（2）熱傳導(dǎo)。

式（4）中，Q——導(dǎo)熱速率，W；A——導(dǎo)熱面積，m2；dT/dn——溫度梯度，K/m ；λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/mK。

（3）與外界熱對(duì)流。

式（5）中，h——對(duì)流換熱系數(shù)；Q——熱流密度；A——對(duì)流面積；Δt——溫差。

（4）夾層空氣熱對(duì)流。

音圈電機(jī)線圈體與磁缸外圍和磁芯之間各有0.5mm的縫隙，包含四個(gè)夾層，一是外圍和線圈外壁的豎直夾層，二是線圈內(nèi)壁和磁芯之間的夾層，三是線圈底部和磁缸內(nèi)底部的水平夾層，四是線圈內(nèi)上壁和磁缸頂部的水平夾層。分別以豎直和水平夾層的自然形式的對(duì)流換熱模型計(jì)算這幾個(gè)面的對(duì)流換熱系數(shù)。

式（6）中，Gr——格拉曉夫數(shù)；Pr——普朗特?cái)?shù)；H——夾層高度；δ——夾層寬度。

3 試驗(yàn)原理與裝置

圖1所示是音圈電機(jī)溫度特性試驗(yàn)的試驗(yàn)布置圖。研究采用控制器電流模式驅(qū)動(dòng)音圈電機(jī)。采用電機(jī)控制器電流模式驅(qū)動(dòng)電機(jī)。電機(jī)型號(hào)為XVLC80-06-00A，為圓筒式直線電機(jī)。音圈電機(jī)安裝在鋁制軌道上，軸向定位限制其運(yùn)動(dòng)，因此電機(jī)的電路為純電阻電路，不存在反向電動(dòng)勢(shì)。溫度傳感器的探頭與電機(jī)磁缸的外壁接觸，測(cè)量外壁的溫度，溫度傳感器通過(guò)夾具保持平衡。試驗(yàn)條件為持續(xù)通有1A的直流電，溫度傳感器測(cè)量這一過(guò)程中磁缸外壁的溫度。由于傳感器不變置于電機(jī)內(nèi)部，為了測(cè)量電機(jī)不同位置的溫度，在電機(jī)持續(xù)工作280s后取下迅速測(cè)量電機(jī)內(nèi)壁、磁缸端部和線圈的溫度，用來(lái)驗(yàn)證模型關(guān)于溫度分布的假設(shè)。

4 溫升特性分析

4.1 溫度模型驗(yàn)證

圖2是持續(xù)通有1A的電流時(shí)，磁缸外壁溫度的變化趨勢(shì)。初始狀態(tài)，外壁溫度為環(huán)境溫度27℃，在280s之后達(dá)到38℃，變化的趨勢(shì)和溫度增加量均和仿真結(jié)果比較接近，驗(yàn)證了音圈電機(jī)溫度瞬態(tài)模型。從圖中可以看出溫度逐漸上升但是升高的趨勢(shì)逐漸放緩。

4.2 穩(wěn)態(tài)溫度與持續(xù)推力

在驗(yàn)證基于有限元法的音圈電機(jī)熱模型的基礎(chǔ)上，對(duì)其在不同電流的工作條件下的穩(wěn)態(tài)溫度進(jìn)行仿真計(jì)算。由于電機(jī)的磁性元件使用的是N38材料，以磁缸內(nèi)壁80℃作為安全工作溫度可以得到持續(xù)工作的安全電流為2A，由于電機(jī)推力常數(shù)為12.7N/A，因此所對(duì)應(yīng)的持續(xù)推力為25.4N。

圖1 音圈電機(jī)溫升試驗(yàn)

圖2 磁缸溫升曲線

4.3 瞬態(tài)溫升與可靠工作時(shí)間

隨著時(shí)間增加，磁缸溫度逐漸增加但是增幅逐漸放緩，這是由于溫度越高與環(huán)境溫度之間的溫差越大，單位時(shí)間內(nèi)對(duì)外散熱就越多。最終音圈電機(jī)線圈產(chǎn)熱和對(duì)外散熱會(huì)達(dá)到平衡狀態(tài)，達(dá)到某個(gè)溫度后不在增加，就是前面的穩(wěn)態(tài)溫度。由于電機(jī)有時(shí)需要在超過(guò)持續(xù)推力的條件下工作，故計(jì)算不同工況可靠工作時(shí)間（如圖3、圖4）。

圖3 不同工況的瞬態(tài)溫升

圖4 不同工況可靠工作時(shí)間

5 結(jié)語(yǔ)

（1）針對(duì)音圈電機(jī)的熱問(wèn)題建立了有限元模型，并通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)了模型。音圈電機(jī)的線圈溫度高于磁缸，而磁缸的內(nèi)壁溫度高于端部和外壁。在電機(jī)溫升過(guò)程，溫升逐漸增加且增幅降低，最終當(dāng)線圈產(chǎn)熱和對(duì)外散熱達(dá)到平衡，溫度不在變化。

（2）音圈電機(jī)的穩(wěn)態(tài)溫度及電機(jī)達(dá)到熱平衡時(shí)的溫度決定了持續(xù)推力。電流越高穩(wěn)態(tài)溫度越高并且增幅越來(lái)越大。

（3）電流越大則電機(jī)溫度上升越快，并且平衡溫度越高。在超過(guò)持續(xù)推力的工況，電流越大則持續(xù)工作時(shí)間越短。

[1]武漢鵬. 音圈電機(jī)直驅(qū)式水液壓控制閥研制與試驗(yàn)研究[D].大連海事大學(xué), 2015.

[2]張波. 盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)的研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2014.

TM301.4

A

1671-0711（2016）12（上）-0160-02