用于擺鏡掃描的音圈電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

劉日龍，劉仁鑫

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，南昌330045)

0 引 言

轉(zhuǎn)鏡式傅里葉變換光譜儀采用擺動(dòng)掃描機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)對(duì)稱布局的動(dòng)鏡運(yùn)動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)這一特定的動(dòng)鏡驅(qū)動(dòng)方式，在選擇運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器時(shí)，需要考慮其控制特性和驅(qū)動(dòng)能力等。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)對(duì)位置控制精度較好，但是它的瞬時(shí)速度變化大，無法實(shí)現(xiàn)持續(xù)的勻速運(yùn)動(dòng)。同步電動(dòng)機(jī)需要交流電源，且加速和減速過程比較緩慢，因此不適合基于空間應(yīng)用的動(dòng)鏡擺掃運(yùn)動(dòng)。

音圈電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小及響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)無機(jī)械接觸運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)部件機(jī)械損耗小，且可密封成整體。這些顯著優(yōu)點(diǎn)使得大部分基于空間遙感應(yīng)用的干涉光譜儀都使用音圈電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)鏡驅(qū)動(dòng)裝置［1－2］。

本文采用音圈電動(dòng)機(jī)作為新型傅里葉變換光譜儀擺鏡驅(qū)動(dòng)電機(jī)，它是一種動(dòng)圈式直線電動(dòng)機(jī)，可以較好地完成小幅度擺動(dòng)掃描動(dòng)作。音圈電動(dòng)機(jī)動(dòng)子通過連桿帶動(dòng)擺掃平臺(tái)，驅(qū)動(dòng)擺鏡進(jìn)行擺動(dòng)掃描。

1 擺鏡掃描運(yùn)動(dòng)參數(shù)確定

傅里葉變換光譜儀要實(shí)現(xiàn)要求的0．625 cm－1高光譜分辨率，就需要長達(dá)1．6 cm以上的光程差。依據(jù)干涉儀的設(shè)計(jì)要求，擺鏡勻速段的角速度ω=0.553 rad/s。

系統(tǒng)采用音圈電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)干涉機(jī)構(gòu)進(jìn)行擺動(dòng)掃描，為了把直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為擺動(dòng)，設(shè)計(jì)連桿來連接電機(jī)和擺掃機(jī)構(gòu)，這將使得擺掃機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算具有一定的靈活性，因?yàn)檫B桿長度的變化將直接導(dǎo)致音圈電動(dòng)機(jī)力常數(shù)km要求也不相同。連桿長度為電機(jī)動(dòng)子到擺掃機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)中心的距離，取其值為20 cm。且有力矩方程:

式中:動(dòng)鏡及其機(jī)械支架等部件構(gòu)成了音圈電動(dòng)機(jī)的載荷，載荷質(zhì)量為3 kg，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J=0．05 kg·m2。擺臂L為20 cm，擺動(dòng)角度 β為6°，擺動(dòng)周期為0．5 s?？傻靡羧﹄妱?dòng)機(jī)持續(xù)推力:

則音圈電動(dòng)機(jī)行程:

2 磁鋼的計(jì)算分析

在音圈電動(dòng)機(jī)輸出推力相等的情況下，釹鐵硼永磁體的體積小且質(zhì)量輕，這是因?yàn)楦叽拍芊e的釹鐵硼永磁體可產(chǎn)生具有更多磁通和更高磁性負(fù)荷的氣隙，從而減小了永磁材料的尺寸。因此，從音圈電動(dòng)機(jī)體積及制造成本等方面考慮，音圈電動(dòng)機(jī)的磁鋼選用釹鐵硼永磁體。

對(duì)于給定設(shè)計(jì)指標(biāo)的音圈電動(dòng)機(jī)，應(yīng)選擇合適的永磁體使其符合氣隙磁通及其穩(wěn)定性要求。若考慮到音圈電動(dòng)機(jī)磁路中的漏磁和磁位降時(shí)，則磁路設(shè)計(jì)的兩個(gè)基本方程［3－4］:

式中:kf為漏磁系數(shù);kr為磁阻系數(shù);Bm和Hm為永磁體的工作點(diǎn)磁通密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度;Am，Lm分別為永磁體的面積和厚度;Bg，Hg，Ag和Lg分別為氣隙的磁通密度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、氣隙面積和氣隙長度。由式(2)可得:

式中:BmHm是永磁體工作點(diǎn)的磁能積，并定義:

式中:Vm表示永磁體的體積;Vg表示氣隙的體積。若工作點(diǎn)就是材料的最大磁能積點(diǎn)，則式(4)表明，要達(dá)到同一要求的氣隙磁通密度和氣隙體積，這時(shí)所需的永磁體體積最小。

在已知?dú)庀秴?shù)Bg，Ag，Lg和永磁體工作點(diǎn)的情況下，若計(jì)算永磁體的尺寸，則需要知道漏磁系數(shù)kf和磁阻系數(shù)kr。kr的值變化較小，一般在1．05～1．45之間，而kf的值在不同的磁路結(jié)構(gòu)中，可以變化很大［4］。

結(jié)合永磁材料的性能參數(shù)要求，磁鋼選用牌號(hào)為NTP240SH的釹鐵硼永磁材料，其退磁曲線如圖1所示［6－7］。

圖1 釹鐵硼永磁體NTP240SH退磁曲線

取工作點(diǎn)磁通密度Bm=0．81T，磁場(chǎng)強(qiáng)度Hm=198 kA·m－1。永磁體剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度 Br≥1．08 T，磁感應(yīng)矯頑力 Hc≥796 kA·m－1。

為了得到漏磁系數(shù)kf，可用磁導(dǎo)法先把磁路等效成電路，然后計(jì)算磁路中各部分的磁導(dǎo)［3，5］。矩形極面間的氣隙磁導(dǎo)Pg滿足:

矩形磁極間的表面上的磁導(dǎo)P1滿足:

兩磁極端角之間的磁導(dǎo)P2:

從而有總磁導(dǎo)P:

因此，可得漏磁系數(shù):

磁阻系數(shù)kr=1．2，依據(jù)音圈電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求，氣隙磁通密度 Bg=0．65 T，氣隙長度 Lg=0．3 cm，代入相關(guān)值到式(2)，并且Bg=μ0Hg，從而可得釹鐵硼永磁體的厚度:

且永磁體面積:

由前述可知，音圈電動(dòng)機(jī)行程xm=2．09 cm，再結(jié)合動(dòng)圈運(yùn)動(dòng)長度和電機(jī)結(jié)構(gòu)限制，以及永磁體面積的計(jì)算值，則選取永磁體的尺寸:長 4．5 cm，寬 2．2 cm。因此，最終可得釹鐵硼永磁體的大小為4．5 cm×2．2 cm×0．95 cm，滿足音圈電動(dòng)機(jī)磁鋼設(shè)計(jì)要求。

3 線圈的設(shè)計(jì)計(jì)算

通過擺鏡掃描運(yùn)動(dòng)參數(shù)可知，電機(jī)推力F=5.33 N。依據(jù)安培力原理，則有:

式中:Bg為氣隙磁通密度;Lc為線圈導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的有效長度;I為線圈導(dǎo)體中的電流。且有:

式中:Lt是線圈導(dǎo)線的總長;γ是比例系數(shù);ρ為導(dǎo)線的電阻率;S為導(dǎo)線的截面積。于是式(5)可改寫:

從而可得導(dǎo)線截面積:

則導(dǎo)線直徑:

依據(jù)漆包圓銅線規(guī)格表，選用直徑d=0．470 mm的銅導(dǎo)線，導(dǎo)線截面積S=0．173 5 mm2，與其相對(duì)應(yīng)的薄絕緣漆包線最大線徑0．510 mm［9］。漆包線繞制為4層，每層80匝，電機(jī)線圈總匝數(shù)320匝。

參考音圈電動(dòng)機(jī)額定電流0．5～1A的設(shè)計(jì)要求，并由式(5)和式(6)，可得線圈導(dǎo)線總長:

代入式(6)，于是導(dǎo)線電阻:

音圈電動(dòng)機(jī)的電流值由功率驅(qū)動(dòng)電路所決定，當(dāng)加載在線圈繞組兩端的電壓為5 V時(shí)，有:

此時(shí)，相應(yīng)的電磁推力:

電磁推力F=5．49 N表明，線圈的理論計(jì)算值滿足音圈電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

依據(jù)擺鏡掃描的技術(shù)要求，確定了擺掃機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。選用音圈電動(dòng)機(jī)作為機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從電機(jī)體積及制造成本等方面考慮，音圈電動(dòng)機(jī)的磁鋼選用牌號(hào)為NTP240SH釹鐵硼永磁體，線圈采用線徑為0．510 mm的薄絕緣漆包線，對(duì)電機(jī)的磁鋼和線圈進(jìn)行計(jì)算分析，設(shè)計(jì)了用于擺鏡掃描的音圈電動(dòng)機(jī)，滿足系統(tǒng)的整體指標(biāo)要求。