吳 迪, 朱姿娜

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 上海 201620)

近年來,隨著精密制造技術(shù)的發(fā)展,音圈電機(jī)因體積小、結(jié)構(gòu)簡單、高頻響應(yīng)、高精度以及換向方便等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造設(shè)備、光學(xué)電子顯微鏡、振動平臺和主動減振系統(tǒng)等高精密運(yùn)動系統(tǒng)中[1-3].音圈電機(jī)是一種特殊的直線電機(jī),對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量滿足以下兩點(diǎn)[4]:1) 以最少的永磁體及導(dǎo)磁材料,設(shè)計(jì)具有高磁通密度的均勻氣隙磁場,提高工作效率,產(chǎn)生盡可能大的推力;2) 在滿足推力要求的前提下,盡量減小音圈電機(jī)的體積和運(yùn)動部分的質(zhì)量,使其具有更高的加速度和快速響應(yīng)能力.

在不同的音圈電機(jī)設(shè)計(jì)中,為提高電機(jī)的有效輸出力及動態(tài)性能,采用的技術(shù)方法主要包括選擇不同磁體安裝方式、磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及對線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)等[5].劉華等[6]研究了雙磁體差動音圈電機(jī)的工作特性,主要對電機(jī)氣隙磁場強(qiáng)度和線圈長度對結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響進(jìn)行分析,歸納總結(jié)出雙磁體差動音圈電機(jī)的一般設(shè)計(jì)步驟.寇寶泉等[7]對Halbach結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,得出在電機(jī)磁路設(shè)計(jì)中Halbach型永磁排列可以提供較大的氣隙磁通密度正弦度.羅辭勇等[8]提出線圈前移式音圈電機(jī)結(jié)構(gòu),通過仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證了這種方法可以有效解決直線型音圈電機(jī)平均出力小和出力密度不高的問題.以上研究可以看出,目前在對音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中,主要是分別對磁路結(jié)構(gòu)和線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部的改進(jìn)優(yōu)化,而同時(shí)對磁路結(jié)構(gòu)和線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)的研究不多.

本文以圓筒型音圈電機(jī)為研究對象,研究設(shè)計(jì)一種應(yīng)用雙層Halbach特殊陣列結(jié)構(gòu)磁體的直線型音圈電機(jī),同時(shí)對音圈數(shù)量進(jìn)行調(diào)整,通過采用雙層線圈的形式提升音圈電機(jī)磁體的利用率,并使用有限元軟件Ansoft分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機(jī)推力的影響.

1 音圈電機(jī)數(shù)學(xué)模型

音圈電機(jī)是一種特殊形式的直線電機(jī),其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示,主要由永磁體、磁軛、線圈和線圈支架4個部分組成.其中,線圈繞組嵌放在線圈支架上作為電機(jī)初級,永磁體和磁軛作為電機(jī)次級.軸向充磁的圓柱永磁體在其與磁軛的氣隙空間產(chǎn)生磁場,并作用于載流線圈,產(chǎn)生軸向電磁力.

音圈電機(jī)的工作原理是根據(jù)安培力原理,即通電線圈在磁場中受到安培力的作用,該安培力即為電機(jī)的推力,隨線圈中電流方向和大小的變化,線圈做往返直線運(yùn)動.安培力可以表示為

(1)

式中:F為安培力,N;I為電流,A;B為磁場強(qiáng)度,T;l為導(dǎo)體長度,m;dl為整個導(dǎo)體長度的變化量.

音圈電機(jī)工作時(shí)須克服動子的靜摩擦力才能做直線運(yùn)動.在實(shí)際應(yīng)用中,電機(jī)做加減速直線運(yùn)動須克服動子部分慣性力Fm,公式為

(2)

式中:m為動子部分總質(zhì)量,kg;a為動子運(yùn)動加速度,m/s2;v為動子運(yùn)動速度,m/s;t為動子運(yùn)動時(shí)間,s.

電機(jī)動子運(yùn)動時(shí)存在動摩擦力Fc,與電機(jī)運(yùn)動方向相反,設(shè)動摩擦系數(shù)為k,電機(jī)電磁推力為Fe,電機(jī)的力平衡方程為

Fc=kv

(3)

(4)

根據(jù)式(1)和式(4)可知,在對音圈電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),可以通過改變氣隙磁場強(qiáng)度、線圈電流大小以及線圈在磁場中的長度來提升電磁推力.同時(shí)音圈電機(jī)動子部分質(zhì)量、運(yùn)動速度和時(shí)間也影響電機(jī)推力.

2 音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 Halbach永磁陣列磁路結(jié)構(gòu)

普通音圈電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)大都采用單磁體軸向充磁,如圖2(a)所示.這種充磁方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、加工容易,但永磁體充磁方向單一,僅磁極附近磁通密度強(qiáng),永磁體利用率不高.Halbach永磁陣列磁路結(jié)構(gòu)是一種特殊的磁路排布結(jié)構(gòu),目標(biāo)是用最少量的永磁體產(chǎn)生最強(qiáng)的磁場,充磁角度偏轉(zhuǎn)90°的Halbach永磁陣列結(jié)構(gòu)示意圖如圖2(b)所示.相比音圈電機(jī)中的軸向充磁,此結(jié)構(gòu)具有多磁極、磁通密度強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn).普通軸向充磁與充磁角度偏轉(zhuǎn)90°的Halbach永磁陣列磁感線分布對比如圖3所示.從圖3(a)可以看出,單磁體軸向充磁的方式僅磁極兩側(cè)磁感線分布密集,磁極中間部分磁感線分布稀疏.從圖3(b)可以看出,Halbach永磁陣列具有特殊的單邊聚磁效應(yīng),磁體下部分磁感線分布明顯高于磁體上部分,并且整個磁體下部分磁感線分布都很密集,這樣的排布方式有利于提升永磁體的利用率.

圖2 單磁體與單層Halbach永磁陣列充磁對比Fig.2 Comparison of magnetization between single magnet and single layer Halbach permanent magnet array

圖3 單磁體與單層Halbach永磁陣列磁感線分布對比Fig.3 Comparison of magnetic induction line distribution between single magnet and single layer Halbach permanent magnet array

本文考慮將2個Halbach永磁陣列中磁通密度較強(qiáng)的一側(cè)疊加形成高磁通密度磁場,并對Halbach永磁陣列充磁角度進(jìn)行研究,對典型的充磁角度為45°和90°的Halbach永磁陣列進(jìn)行對比分析.具體的研究方法為設(shè)定磁體總長度和厚度相等,對比分析充磁角度分別為45°和90°時(shí)的氣隙磁通密度,2種充磁角度結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示.仿真得到的氣隙磁通密度曲線對比如圖5所示.從圖5可以看出,充磁角度為45°和90°的Halbach永磁陣列磁通密度分布趨勢大致相同,但充磁角度為45°的磁體結(jié)構(gòu)磁通密度曲線峰值明顯高于充磁角度為90°的磁體結(jié)構(gòu),并且在峰值附近氣隙磁通密度波動平緩,因此產(chǎn)生的安培力相對穩(wěn)定,有利于音圈電機(jī)出力的平穩(wěn)性.充磁角度為45°的雙層Halbach永磁陣列的磁感線分布如圖6所示.從圖6磁感線分布可以看出,與圖3(b)中單層Halbach永磁陣列磁感線的分布不同,圖6中磁感線分布集中且磁通密度強(qiáng).因此將充磁角度為45°的雙層Halbach永磁陣列作為進(jìn)一步研究的對象.

圖4 不同充磁角度雙層Halbach永磁陣列充磁對比Fig.4 Magnetization comparison of double-layer Halbach permanent magnet array with different magnetization angles

圖5 充磁角度為45°和90°的雙層Halbach永磁陣列氣隙磁通密度曲線對比Fig.5 Comparison of air gap magnetic flux density curves of double-layer Halbach permanent magnet array with magnetization angles of 45° and 90°

圖6 充磁角度為45°時(shí)雙層Halbach永磁陣列磁感線分布圖Fig.6 Magnetic induction lines distribution of double-layer Halbach permanent magnet array with magnetization angle of 45°

為進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機(jī)性能的影響,采用有限元仿真對電機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究,主要研究氣隙寬度和磁體厚度對磁通密度的影響.首先分析氣隙寬度對磁通密度的影響,分別仿真氣隙寬度為2、4、6和8 mm時(shí)氣隙磁通密度沿電機(jī)軸向的分布,如圖7所示.從圖中可以看出,隨著氣隙寬度的增大,磁通密度逐漸減小,且4種不同尺寸氣隙磁通密度沿軸向分布趨勢相同.氣隙寬度為2 mm時(shí)磁通密度最強(qiáng),但是由于氣隙寬度過小不利于線圈的裝配和散熱,因此選定氣隙寬度為4 mm作為進(jìn)一步研究的對象.氣隙寬度確定4 mm后對磁體厚度進(jìn)行研究,分別研究磁體厚度為5、7、9和11 mm時(shí)磁通密度的分布.仿真得到不同磁體厚度時(shí)磁通密度沿電機(jī)軸向的分布情況,如圖8所示.通過圖8可知,隨著磁體厚度的增大,氣隙磁通密度也增大,但隨著磁體厚度的增大氣隙磁通密度增量相對有所減緩,因此,為節(jié)約成本并提升永磁體的利用率,選擇磁體厚度為5 mm.

圖7 不同氣隙寬度磁通密度分布Fig.7 Magnetic flux density distribution with different air gap widths

圖8 不同磁體厚度磁通密度分布Fig.8 Magnetic flux density distribution with different magnet thicknesses

2.2 線圈結(jié)構(gòu)

音圈電機(jī)中永磁材料的費(fèi)用在制造成本中比重很大,考慮音圈電機(jī)的制造成本,選擇合適的線圈設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以減少永磁材料的體積十分必要.目前音圈電機(jī)大都采用單音圈結(jié)構(gòu),具有結(jié)構(gòu)簡單且響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn),但是單音圈結(jié)構(gòu)電流負(fù)載受限,制約音圈電機(jī)推力的提升.針對該問題,結(jié)合式(1)可知線圈電流也是影響電機(jī)推力的一個重要因素,但線圈電流過大會導(dǎo)致電機(jī)過載或線圈過熱,從而影響音圈電機(jī)的定位精度,因此本研究考慮使用雙線圈結(jié)構(gòu).

本文研究一種高效能雙線圈結(jié)構(gòu)的音圈電機(jī),在保持單線圈音圈電機(jī)內(nèi)徑和外徑不變的情況下,在雙層Halbach永磁結(jié)構(gòu)中間再添加一層磁鐵,并且中間層磁鐵間隔排布,兩種線圈結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖如圖9所示.中間層磁鐵僅分布在充磁角度偏轉(zhuǎn)90°的磁鐵中間.由于在雙層磁鐵中間增加了一層磁鐵,氣隙由一層變?yōu)閮蓪?可將單線圈改進(jìn)為雙線圈;同時(shí)中間層磁鐵可以起到增強(qiáng)氣隙中間磁通密度的作用.兩種線圈結(jié)構(gòu)的音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如圖10所示.圖中箭頭方向代表充磁方向,線圈排布在永磁體氣隙中間.

圖9 不同線圈結(jié)構(gòu)音圈電機(jī)側(cè)視圖Fig.9 Side view of voice coil motors with different coil structures

圖10 不同線圈結(jié)構(gòu)音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.10 Schematic diagram of voice coil motors with different coil structures

圖10(b)的雙線圈結(jié)構(gòu)是對圖10(a)單線圈結(jié)構(gòu)的改進(jìn).相比于單線圈結(jié)構(gòu),雙線圈的音圈電機(jī)因?yàn)樵黾右粚託庀?永磁體總厚度減小.雙線圈具有2個工作氣隙,兩層磁鐵之間增加一層磁鐵,線圈作為動子.由于中間部分線圈氣隙磁場與兩側(cè)線圈氣隙磁場反向,并且中間部分線圈繞組與兩側(cè)線圈纏繞方向相反,因此每組線圈所受到的推力方向相同.兩種線圈結(jié)構(gòu)音圈電機(jī)主要參數(shù)見表1.

表1 兩種線圈結(jié)構(gòu)音圈電機(jī)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of voice coil motors with two coil structures

在對音圈電機(jī)兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析時(shí),永磁體材料采用NdFe30,線圈材料選擇銅.兩種線圈結(jié)構(gòu)除永磁體厚度和線圈層數(shù)不同外,其余參數(shù)均相同.對兩種線圈結(jié)構(gòu)的音圈電機(jī)3D模型進(jìn)行仿真得到磁場強(qiáng)度分布,如圖11所示.通過仿真云圖可以看出,雙線圈結(jié)構(gòu)和單線圈結(jié)構(gòu)磁場強(qiáng)度最高值分別在928 830和857 040 A/m附近,雙線圈較單線圈音圈電機(jī)的磁場強(qiáng)度高約8.4%.

圖11 不同線圈結(jié)構(gòu)磁場強(qiáng)度分布圖Fig.11 Magnetic field indensity distribution diagrams of different coil structures

通過設(shè)定線圈行程為2 mm,對兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析,步長選擇0.1 mm.得到電機(jī)電磁推力隨位移變化的曲線,如圖12所示.由電機(jī)推力—位移曲線可知,在行程中間時(shí),雙線圈電機(jī)推力可達(dá)到4.20 N,單線圈為4.05 N,雙線圈結(jié)構(gòu)的音圈電機(jī)推力比單線圈提高了3.7%.通過計(jì)算雙線圈節(jié)省的永磁體體積與單線圈結(jié)構(gòu)的永磁體體積比值,得到磁鐵利用率提升約53%,因此在音圈電機(jī)外形不變的情況下,雙線圈結(jié)構(gòu)的磁體利用率明顯高于單線圈結(jié)構(gòu),音圈電機(jī)使用雙線圈結(jié)構(gòu)可節(jié)約永磁材料體積,節(jié)省制造成本.

圖12 不同線圈結(jié)構(gòu)電機(jī)推力—位移曲線Fig.12 Force-displacement curves of motor with different coil structures

3 結(jié) 語

1) 本文提出了一種雙層Halbach永磁陣列排布方式,對比分析了充磁角度分別為45°和90°時(shí)的充磁方式,仿真結(jié)果顯示充磁角度為45°的Halbach永磁陣列排布方式具有更強(qiáng)的氣隙磁通密度.同時(shí)對音圈電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究,分析了氣隙寬度和磁體厚度對磁通密度的影響,為音圈電機(jī)的設(shè)計(jì)提供了參考.

2) 對所提出的雙線圈音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析,結(jié)果顯示,與普通音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)相比,雙線圈音圈電機(jī)在保證推力的同時(shí)能有效節(jié)省永磁體的體積約53%,驗(yàn)證了改進(jìn)音圈電機(jī)具有更高的推力效能.