微細電火花加工工具電極夾持用音圈電機結構的優(yōu)化設計

張明瑋，白基成，王燕青

（哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150001）

在用蠕動進給原理[1]進行電極絲損耗補償?shù)奈⒓氹娀鸹庸ぶ鬏S裝置中，微細工具電極夾持模塊是重要的組成部分，需要按照一定的控制時序要求對工具電極進行實時夾持及釋放；該裝置所應用的工具電極夾持音圈電機與普通的電磁驅動器有所不同，對其大出力、體積小型化提出了更高的要求，且該音圈電機能在旋轉工況下工作。本課題依據(jù)音圈電機新的使用特性要求，首先確定了音圈電機結構方案，并對其出力等特性進行仿真分析，合理確定音圈電機結構方案及最優(yōu)尺寸。并依據(jù)優(yōu)化設計尺寸試制了新型的音圈電機，實現(xiàn)對微細工具電極的可靠夾持及釋放。

1 音圈電機結構形式及比較

根據(jù)音圈電機的設計要求，音圈電機需要隨主軸一起旋轉，故使用軸對稱筒形結構，共有軸向充磁式、徑向充磁式和聚磁式3 種磁路結構供選擇[2]，其結構分別見圖1～圖3。

軸向充磁式和徑向充磁式磁路結構是兩種傳統(tǒng)的磁路結構。軸向充磁工藝簡單，成本低；而完整磁環(huán)的徑向充磁工藝復雜，成本高，所以大多采用瓦型永磁體來代替。徑向充磁式音圈電機的磁鋼直接和線圈作用，線圈產(chǎn)生變化磁勢，可使磁鋼產(chǎn)生退磁和充磁。聚磁式結構是一種新的磁路結構，磁漏小，它通過底部軸向充磁的永磁體作用，迫使環(huán)形永磁體磁力線向上走，從而在氣隙中形成較大的磁感應強度。

圖1 軸向充磁式音圈電機結構

圖2 徑向充磁式音圈電機結構

圖3 聚磁式音圈電機結構

軸向充磁式音圈電機的磁能利用率不高，磁漏較大，氣隙中的磁感應強度較小，在同樣的永磁體使用量和體積下，輸出力明顯較小[3]。因此，設計過程主要考慮徑向充磁式和聚磁式結構的音圈電機。

采用相同的方法分別分析和設計了聚磁式和徑向充磁式兩種結構的音圈電機，利用ANSYS 仿真得到聚磁式結構磁場分布云圖（圖4）和徑向充磁式結構磁場分布云圖（圖5）。

通過對比可發(fā)現(xiàn)，聚磁式磁場分布集中于氣隙附近，沒有磁飽和現(xiàn)象，使磁場能更加均勻有效地作用于線圈。而徑向充磁式的磁場集中于左下角，且易產(chǎn)生磁飽和現(xiàn)象，增大磁阻，浪費磁勢，與聚磁式相比會消耗更多的永磁體，故選擇聚磁式結構進行進一步研究。

圖4 聚磁式結構磁場分布云圖

圖5 徑向充磁式結構磁場分布云圖

2 新型聚磁式音圈電機

傳統(tǒng)的聚磁式結構由軸向充磁磁環(huán)、徑向充磁磁環(huán)和軛鐵構成，其性能雖優(yōu)于軸向充磁式和徑向充磁式結構，出力大小也能滿足要求，但其出力的平穩(wěn)性不夠好。圖6 是由ANSYS 仿真得到的聚磁式結構氣隙磁場隨軸向位移變化的曲線，很容易看出隨著軸向位移的變化，磁場強度變化較大，這將導致電磁力變化大，出力不平穩(wěn)。

圖6 聚磁式結構氣隙磁場隨軸向位移變化曲線

通過研究發(fā)現(xiàn)，在聚磁式結構徑向充磁磁環(huán)下面加一個非導磁材料制成的隔磁環(huán)，將徑向磁環(huán)與軸向磁環(huán)分隔開，這樣不僅能減小漏磁，更能使氣隙磁場均勻，大大改善出力的平穩(wěn)性。其結構見圖7，氣隙磁場隨軸向位移的變化見圖8。

圖7 改進的聚磁式結構圖

圖8 改進的聚磁式結構氣隙磁場隨軸向位移變化曲線

由圖8 可看出，在較長的一段軸向位移內，磁感應強度曲線幾乎與X 軸平行，表現(xiàn)出良好的平穩(wěn)性，故改進后的新型聚磁式結構將工作得更加平穩(wěn)可靠。

3 音圈電機的優(yōu)化設計

在確定音圈電機的結構形式后，利用ANSYS對音圈電機進行了優(yōu)化設計。由于音圈電機不可避免地會有漏磁，所以為了模擬的環(huán)境更接近真實情況，在建立的音圈電機模型之外，又建立了3 倍于模型面積的空氣模型。因此，磁路系統(tǒng)的幾何模型中主要是由永磁體、內外磁軛、線圈支架和氣隙組成的一個靜態(tài)磁場回路，幾何上為軸對稱結構，故可采用二維模型來代替三維模型。另外，磁路系統(tǒng)是關于Y 軸對稱的，所以對磁路的一半建模即可。

對二維靜態(tài)磁場進行分析，網(wǎng)格劃分時采用PLANE53 單元，為四邊形八節(jié)點單元。受力線圈所在氣隙處的磁場分布和永磁體的工作點是我們所關心的，為了計算精確，網(wǎng)格要細化，單元邊長為0.5 mm；其他部分根據(jù)磁場強度的大小由密到疏劃分網(wǎng)格。

設計音圈電機時，應保證有足夠的作用力，并兼顧最大磁感應強度、長度和高度等。在優(yōu)化初始過程中發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化結果使氣隙面積變得很大，有效線圈長度也變得很大，而磁感應強度變得較小，這樣，音圈電機雖然作用力很大，但線圈質量也很大，磁能利用率很低，發(fā)熱嚴重。因此，需對氣隙中的磁感應強度進行限制。另外，所用的永磁體材料釹鐵硼價格較貴，為節(jié)省成本，且滿足作用力的要求，優(yōu)化以永磁體體積為目標函數(shù)。

最大磁感應強度、直徑、高度、氣隙中的磁感應強度、力常數(shù)BL 都是較重要的物理量，它們的大小需滿足設計要求，因而將這些量設為狀態(tài)變量（表1）。尺寸tqx、dqx、dycn、tycn、dycw、djn、txw等是會影響到永磁體大小、軛鐵漏磁程度及音圈電機尺寸大小的結構參數(shù)，故將其設為設計變量（表2）。

表1 狀態(tài)變量及其范圍

表2 設計變量及其范圍

優(yōu)化方法可選用零階算法或一階算法。本課題所涉及的模型不是很復雜，所以為了提高運算精度，在機時允許的情況下，采用一階算法進行優(yōu)化。經(jīng)圓整的優(yōu)化結果見表3，其各項指標見表4。

表3 設計變量圓整結果

表4 優(yōu)化后音圈電機的各項指標

該優(yōu)化結果使永磁體體積有了較大幅度的減小，高度也較小，力常數(shù)和最大磁感應強度均滿足要求。

4 不同計算方法的計算結果對比

計算音圈電機產(chǎn)生的電磁力可用洛倫茲力法或有限元法獲得。洛倫茲力法是通過仿真得到氣隙磁場的磁感應強度后，認為氣隙中磁感應強度處處相等，再利用公式F=BIL 進行計算，得到輸出力。

有限元法通常包括虛功法和麥克斯韋張量法2種方法計算電磁力。虛功法是基于能量守恒原理和虛位移原理的一種計算方法[4]。麥克斯韋張量法是利用等效的磁張力代替體積力來計算電磁力的方法[5]。兩種方法都能在ANSYS 中實現(xiàn)。

音圈電機中的力常數(shù)是通過洛倫茲力法計算獲得。為驗證力常數(shù)的正確性，再用有限元法計算。優(yōu)化結果中，氣隙長為14 mm，寬為6 mm，設計電機行程為3 mm，再加上2 mm 的支架寬度和余量，線圈長9 mm，同理減去寬方向的間隙和支架厚度，線圈寬為4.5 mm，則線圈匝數(shù)為200 匝，通入電流為1 A，則安匝數(shù)F 為200 A。將此磁勢加載在線圈上，計算其輸出力，結果見表5?？煽闯?，有限元法計算結果和洛倫茲力法計算結果較接近，驗證了計算的正確性，同時也說明氣隙中磁場分布的均勻性。

表5 輸出力計算結果的比較N

電機的輸出力隨軸向位移不同而變化，會對控制、穩(wěn)定性等產(chǎn)生不利影響，故有必要研究設計的音圈電機輸出力的變化。對線圈施加1.254 A 的電流，研究不同軸向位移對輸出力的影響，其結果見圖9?？煽闯觯敵隽﹄S軸向位移不同而出力均勻，在3 mm 的量程內，最大變化為0.8 N。

圖9 輸出力隨軸向位移的變化

5 樣機研制與性能測試

根據(jù)仿真計算結果制造出音圈電機，永磁體材料選擇釹鐵硼N35，磁軛材料選擇工業(yè)純鐵DT4A，線圈支架材料選擇硬鋁，線圈為直徑0.45 mm的漆包線。音圈電機樣機的實物照片見圖10，對音圈電機進行出力測試的實驗裝置見圖11。

圖10 樣機實物照片

圖11 實驗裝置圖

實驗過程中，實際測得5 組數(shù)據(jù)（表6）。求出力常數(shù)的平均值為13.888 N/A，理論值為15.86 N/A，兩者相差1.972 N/A。此外，通過測量也得到了力常數(shù)隨動子位移的變化規(guī)律（圖12）。

表6 力常數(shù)測量實驗數(shù)據(jù)

圖12 力常數(shù)隨動子軸向位移的變化

6 結論

本文的重點在對應用于蠕動進給主軸的微細工具電極夾持用音圈電機進行優(yōu)化設計，以達到盡量減小其體積、增大其出力的指標。分析和優(yōu)化工作基于ANSYS 有限元分析和優(yōu)化模塊來進行。優(yōu)化設計完成后，進行加工和出力測試，驗證了優(yōu)化結果的正確性。

[1]毛利尚武.放電加工技術の最近の展開[J].機械と工具，1993（6）.

[2]張大衛(wèi)，馮曉梅.音圈電機的技術原理[J].中北大學學報，2006，27（3）：224-228.

[3]沈海濤.動圈型直線壓縮機原理性樣機的優(yōu)化與設計[D].杭州：浙江大學，2006.

[4]戴魏，余海濤，胡敏強.基于虛功法的直線同步電機電磁力計算[J].中國電機工程學報，2006，26（22）：110-114.

[5]張二攀，石卡.利用麥克斯韋張量法分析永磁電機齒槽轉矩[J].微特電機，2010（12）：27-30.