變形鏡用高效率音圈驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

曹 朔， 張志高， 趙子云， 顧 虎， 吳晶晶， 朱華新， 蘇宙平， 張逸新， 胡立發(fā)*

(1. 江南大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 無錫 214122； 2. 江蘇省輕工光電工程技術(shù)研究中心，江蘇 無錫 214122)

1 引 言

1953年Babcock首次提出自適應(yīng)光學(xué)的概念，即通過實時探測和校正光學(xué)系統(tǒng)的畸變，提高目標(biāo)圖像的分辨率[1]。1961年穆爾黑德提出了鍍金屬膜的聚酯薄膜變焦鏡[2]。經(jīng)過多年的研究開發(fā)，人們研制出了不同類型的變形鏡：PZT變形鏡[3]、電致伸縮變形鏡[4]、薄膜變形鏡[5]、MEMS變形鏡[6]、音圈變形鏡[7]等，并廣泛應(yīng)用于天文觀測、顯微成像、大功率激光、眼底成像等領(lǐng)域。其中，PZT變形鏡是目前最廣泛使用的變形鏡。但因其磁滯特性、調(diào)制量相對低的缺點，限制了其在大口徑望遠(yuǎn)鏡次鏡方面的應(yīng)用。近年來，液晶以其優(yōu)異的光電性能[8-10]，也用于波前校正器，是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的核心器件之一。相較于PZT變形鏡，音圈變形鏡的調(diào)制量大、無磁滯，同時還具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、噪聲低、比推力高、響應(yīng)速度快、精度高、維護(hù)方便、可靠性高等優(yōu)點[11]。

1993年，意大利阿切特里天文臺的Salinari提出了基于音圈驅(qū)動器的非接觸變形鏡[12]，并于1999年研制了30單元和36單元音圈變形鏡，誤差衰減可達(dá)100 Hz(0分貝衰減水平)[13]。2002年，MMT的336單元音圈變形鏡研制成功，用作MMT望遠(yuǎn)鏡的次鏡，極大簡化了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，提高了入射光的利用效率。其在H波段的斯特列爾比達(dá)到了0.2，在M波段的斯特列爾比達(dá)到了0.98[14-15]。2010年，有672個驅(qū)動器的音圈變形鏡安裝在LBT望遠(yuǎn)鏡上，在H波段的斯特列爾比達(dá)到了0.8[16]。2012年正式運(yùn)行的VLT巡天望遠(yuǎn)鏡的變形次鏡有1 170個音圈驅(qū)動器，所有模式的擬合誤差RMS為62.5 nm[17]。E-ELT M4直徑2.4 m，分為6個部分，由5 316個驅(qū)動器控制，最多可承受5%的驅(qū)動器故障，而不會破壞其性能[18]。Vecchio設(shè)計的永磁體徑向磁化的音圈驅(qū)動器，功耗更低，結(jié)構(gòu)更緊湊，但磁化過程復(fù)雜[19]。日本的Hashizume團(tuán)隊設(shè)計的音圈變形鏡變形2.8 μm時，與理想拋物線的最大偏差小于30 nm[20]。國內(nèi)多個研究組也開展了關(guān)于音圈變形鏡的研究[21]。中科院光電技術(shù)研究所設(shè)計了動磁式音圈電機(jī)，輸出力可達(dá)±0.5 N[22]，階躍響應(yīng)時間為50 ms，對離焦像差擬合PV值可達(dá)50 μm[23]。長春光機(jī)所通過音圈驅(qū)動器校正400 mm反射鏡面形，經(jīng)過校正后的RMS可達(dá)λ/40[24]。

音圈變形鏡基本原理是音圈驅(qū)動器通過產(chǎn)生電磁力來驅(qū)動薄鏡面變形，因此，在音圈變形鏡的設(shè)計中，電機(jī)常數(shù)K是一個關(guān)鍵的參數(shù)，其定義為輸出力與功耗的平方根的比值，是衡量電機(jī)電磁與熱設(shè)計水平的標(biāo)準(zhǔn)，K值越大則驅(qū)動器效率越高[25]。在同樣的形變量下，效率低的音圈驅(qū)動器會產(chǎn)生過多的熱，熱的積累導(dǎo)致溫度升高，嚴(yán)重時導(dǎo)致薄鏡面局部變形，最終會使變形鏡的補(bǔ)償精度和工作穩(wěn)定性下降。最先應(yīng)用于MMT望遠(yuǎn)鏡的音圈驅(qū)動器的電機(jī)常數(shù)為0.6[26]，LBT望遠(yuǎn)鏡的變形次鏡單元中的音圈驅(qū)動器電機(jī)常數(shù)為0.74[27]，ELT望遠(yuǎn)鏡中用于支撐鏡面的音圈驅(qū)動器的電機(jī)常數(shù)達(dá)到1[28]。國內(nèi)張玉方設(shè)計的用于薄鏡面的動磁式音圈驅(qū)動器的電機(jī)常數(shù)為0.446[22]。趙靜設(shè)計的采用Halbach陣列磁體的音圈電機(jī)的電機(jī)常數(shù)達(dá)到1.15，但是其徑向排列的結(jié)構(gòu)不適用于設(shè)計小口徑的驅(qū)動器[25]。

目前研究較多的是動圈結(jié)構(gòu)，固定的磁體可提供較強(qiáng)的磁場，但是運(yùn)動的線圈散熱差，對于需要快速響應(yīng)的變形鏡是個大的隱患。動磁式音圈電機(jī)由于尺寸限制無法提供較強(qiáng)的磁場，因此產(chǎn)生的電磁力較小。高效率的動磁式音圈電機(jī)的研究對于其應(yīng)用尤為重要，本文針對該問題進(jìn)行了研究，對音圈變形鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化和仿真。

2 理 論

2.1 驅(qū)動器的基本結(jié)構(gòu)

音圈驅(qū)動器常用的結(jié)構(gòu)有兩種：一種是動磁式，即磁體運(yùn)動，線圈固定；另一種是動圈式，即磁體固定，線圈運(yùn)動。基于動圈式的結(jié)構(gòu)不利于工作過程中線圈的散熱，因此，我們采用動磁式。基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 (a)音圈驅(qū)動器結(jié)構(gòu)圖； (b)音圈驅(qū)動器與鏡面的位置關(guān)系。Fig.1 (a)Structure diagram of voice coil actuator；(b) Position of voice coil actuator and mirror.

該音圈電機(jī)由上部粘在鏡面背面的釹鐵硼永磁體和下部銅線圈構(gòu)成，主要參數(shù)如下：永磁體內(nèi)外半徑分別為Rm和rm，厚度為hm；線圈的內(nèi)外半徑分別為Rc和rc，厚度為hc；永磁體和線圈之間的氣隙為dg。

2.2 電磁場分析

根據(jù)圖1所示的基本結(jié)構(gòu)，永磁體所產(chǎn)生的磁場是靜磁場，其磁場分布可以按如下方法進(jìn)行計算。首先，根據(jù)等效電流模型[29]，磁體內(nèi)部存在的圓電流密度：

Jm=×M，

(1)

其中:M為磁化強(qiáng)度。在均勻磁化磁體內(nèi)部圓電流抵消，而面電流密度為：

Jms=-en×M，

(2)

根據(jù)安培定律可求得磁體周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度：

(3)

其中:R是源點到場點的矢徑，R是源點到場點的距離，V是永磁體體積，S是永磁體表面積。

通過虛位移法可以得到載流線圈在非均勻磁場中受到的合力為[30]：

Fi=IΦm，

(4)

其中Φm為線圈磁通量。設(shè)第i匝線圈半徑為ri，距多層線圈上表面距離為di，其上任一點到磁體源點的距離：

(5)

該點處的磁感應(yīng)強(qiáng)度：

(6)

其中：Ri為線圈上任一點到磁體源點的矢徑。單匝圓線圈受到的安培力為：

(7)

其中：S是永磁體表面的面積矢量，方向為表面法線方向。多層線圈受到的合力為：

(8)

2.3 影響效率的因素

音圈驅(qū)動器的電機(jī)常數(shù)為：

(9)

其中:P是其功耗。

音圈驅(qū)動器的功耗為：

P=I2Rall，

(10)

其中:I為電流，Rall為線圈總電阻。將式(8)和(10)代入式(9)，可以得到評價驅(qū)動器效率的電機(jī)常數(shù)K公式如下：

(11)

由公式(11)可見，影響效率的主要因素包括磁感應(yīng)強(qiáng)度、線圈尺寸和線圈電阻。

需要說明的是，上述公式在近似條件下，計算中心軸線等特殊位置處的磁場時可以得到近似準(zhǔn)確的解，但實際情況下，磁體和線圈邊緣的磁場分布復(fù)雜，我們需要借助有限元的方法進(jìn)行求解。有限元分析已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，能夠快速地求解電磁、熱、流體、結(jié)構(gòu)等問題，節(jié)約研發(fā)成本，減少研發(fā)時間。有限元法是將待求解的整體分割成許多足夠小的子區(qū)域，即“有限元”，然后根據(jù)求解邊界問題的原理求解這些有限元，求得的所有結(jié)果合起來就是整體的解。Ansoft Maxwell進(jìn)行三維網(wǎng)格剖分時將求解區(qū)域剖分為許多四面體單元，如圖2所示。

圖2 有限元計算基本單元Fig.2 Basic element of finite element calculation

4個頂點上的場量為：

(12)

求解該方程組需要4個頂點的坐標(biāo)和定點上的場量。

三維靜磁場采用棱邊法計算，以單元邊上的待求場量為自由度。磁場強(qiáng)度H為

H=HP+φ+HC，

(13)

其中：φ為標(biāo)量磁位，Hp為四面體單元6條棱邊上待求的磁場強(qiáng)度。四面體4個頂點上的標(biāo)量磁位和6條邊上的磁感應(yīng)強(qiáng)度組成了待求解的10個自由度，最后采用二次插值逼近每個單元內(nèi)的場量[31]。Maxwell軟件進(jìn)行有限元仿真的步驟為：建模，添加材料，添加邊界條件和激勵，劃分網(wǎng)格，后處理。為了得到高精度的結(jié)果，要特別注意網(wǎng)格的質(zhì)量以及邊界條件和激勵的合理性。

3 仿真結(jié)果與分析

由前述的解析公式可以看出，驅(qū)動器的輸出力跟以下因素有關(guān)：永磁體的充磁方向和磁體線圈間的氣隙厚度、磁體和線圈的幾何尺寸等關(guān)鍵參數(shù)。但上述解析公式只針對特殊位置有精確的解，為了進(jìn)一步研究驅(qū)動器參數(shù)對音圈變形鏡性能的影響，我們利用有限元算法進(jìn)行了精確的模擬。本節(jié)分別對這些參數(shù)的影響進(jìn)行了仿真模擬與討論。

3.1 磁場方向的優(yōu)化對比

設(shè)置線圈外徑為10 mm，內(nèi)徑為1 mm，高度為6 mm，導(dǎo)線直徑為0.33 mm；永磁體外徑為10 mm，內(nèi)徑1為mm，高度為3 mm，分別設(shè)置磁體的充磁方向為徑向充磁和軸向充磁，永磁體軸向受力和電流關(guān)系如圖3所示。圖中橫軸為輸入電流i，縱軸為永磁體在軸向所受的電磁力，結(jié)果顯示永磁體受力Fz與輸入電流成正比，可用式(14)表示：

Fz=k·i，

(14)

其中：k是比例系數(shù)，對于徑向充磁和軸向充磁的磁體k分別是0.45和0.34。可見，徑向充磁的永磁體所受電磁力更大。因此，接下來的實驗中都選用徑向充磁的永磁體。

圖3 電磁力與磁體不同充磁方向的關(guān)系Fig.3 Relationship between electromagnetic force and different magnetization directions of magnet

3.2 氣隙厚度

磁體和線圈之間的氣隙為變形鏡的鏡面局部形變提供空間，當(dāng)間隙較大時，鏡面相同的形變量需要更大的驅(qū)動力，而這需要更大的輸入電流，增加了功耗和熱；而當(dāng)間隙較小時，這會限制鏡面的局部形變，減少它的調(diào)制量。因此，需要對驅(qū)動器的形變進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。線圈尺寸為：外徑10 mm，內(nèi)徑1 mm，高度6 mm；導(dǎo)線直徑0.33 mm，通入電流0.2～0.5 A，步長0.1 A；磁體外徑10 mm，內(nèi)徑1 mm，高度3 mm，設(shè)置磁體與銅線圈之間的氣隙厚度dg為0.1～1 mm，步長0.1 mm，仿真結(jié)果如圖4所示。圖4中橫軸為永磁體與銅線圈之間的氣隙厚度dg，左縱軸為永磁體的軸向受力，右縱軸為電機(jī)常數(shù)K，結(jié)果表明氣隙的增大會導(dǎo)致電磁力和電機(jī)常數(shù)減小，所以氣隙應(yīng)在滿足驅(qū)動器最大行程條件下取最小值。MMT望遠(yuǎn)鏡的音圈驅(qū)動器的氣隙為0.1 mm，滿足運(yùn)行時所需的行程空間[13]，因此本文選擇氣隙厚度為0.1 mm。

圖4 電磁力隨氣隙厚度的變化關(guān)系Fig.4 Relationship between electromagnetic force and air gap thickness

3.3 磁體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.3.1 磁體厚度的優(yōu)化

圖5 電磁力和電機(jī)常數(shù)隨磁體高度變化的關(guān)系Fig.5 Relationship between electromagnetic force,actuator constant and the height of magnet.

驅(qū)動器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，為了優(yōu)化線圈的尺寸，線圈的外徑增加時，會影響其空間密度，而外徑太小時，輸出的電磁力較弱，會導(dǎo)致調(diào)制量降低，因此，線圈外徑采用10 mm，通過優(yōu)化磁體高度，來優(yōu)化其性能。首先，我們固定線圈外徑10 mm，內(nèi)徑1 mm，高度6 mm；導(dǎo)線直徑0.33 mm，通入電流0.2～0.5 A，步長0.1 A；磁體外徑10 mm，內(nèi)徑1 mm，設(shè)置高度hm取值1 ～10 mm，步長1 mm，仿真得到磁體高度與電磁力的關(guān)系如圖5所示。圖中橫軸為永磁體的高度hm，左側(cè)縱軸為永磁體的軸向受力，右側(cè)縱軸為電機(jī)常數(shù)，結(jié)果顯示隨著磁體高度的增加電磁力也變大，但是電磁力與電機(jī)常數(shù)的增長幅度變小?？紤]到磁體的成本，選擇磁體高度為3 mm。

3.3.2 磁體外半徑優(yōu)化

固定線圈外徑10 mm，內(nèi)徑1 mm，高度6 mm；導(dǎo)線直徑0.33 mm，通入電流0.2～0.5 A，步長0.1 A；磁體內(nèi)徑1 mm，高度3 mm，設(shè)置磁體外半徑Rm取值3～7 mm，步長0.5 mm，仿真結(jié)果如圖6所示。圖中橫軸為永磁體外半徑Rm，左縱軸為永磁體軸向受力，右縱軸為電機(jī)常數(shù)。結(jié)果顯示隨著永磁體外半徑變大電磁力和電機(jī)常數(shù)也變大，但外徑大于5 mm時電磁力和電機(jī)常數(shù)的增長幅度開始減小，因此選擇永磁體外徑為5 mm。

圖6 電磁力和電機(jī)常數(shù)隨磁體外徑變化的關(guān)系Fig.6 Relationship between electromagnetic force,actuator constant and the outer diameter of magnet.

3.3.3 磁體內(nèi)半徑優(yōu)化

固定線圈外徑10 mm，內(nèi)徑1 mm，高度6 mm；導(dǎo)線直徑0.33 mm，通入電流0.2～0.5 A，步長0.1 A；磁體外徑10 mm，高度3 mm，設(shè)置磁體內(nèi)半徑rm取值0.3～0. 7 mm，步長0.1 mm，仿真結(jié)果如圖7所示。 圖中橫軸為永磁體內(nèi)半徑rm，左縱軸為永磁體軸向受力，右縱軸為電機(jī)常數(shù)，結(jié)果顯示磁體內(nèi)徑變化時電磁力沒有明顯變化，但當(dāng)磁體內(nèi)半徑從0.1 mm增至0.5 mm時，電機(jī)常數(shù)變大并達(dá)到極值，然后隨著磁體內(nèi)徑的增大而減小，因此選擇磁體內(nèi)半徑為0.5 mm。

圖7 電磁力和電機(jī)常數(shù)隨磁體內(nèi)徑變化的關(guān)系Fig.7 Relationship between electromagnetic force,actuator constant and the inner diameter of magnet.

3.4 線圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.4.1 線圈高度

圖8 電磁力和電機(jī)常數(shù)隨線圈高度變化的關(guān)系Fig.8 Relationship between electromagnetic force,actuator constant and the height of coil.

固定磁體外徑10 mm，內(nèi)徑1 mm，高度3 mm；導(dǎo)線直徑0.33 mm，通入電流0.2～0.5 A，步長0.1 A；線圈外徑10 mm，內(nèi)徑1 mm，高度hc為4～8 mm，步長1 mm，仿真結(jié)果如圖8所示。圖中橫軸為線圈高度h，左側(cè)縱軸為永磁體軸向受力，右側(cè)縱軸為電機(jī)常數(shù)。隨著線圈高度的增長磁體受力增長而電機(jī)常數(shù)減小，綜合考慮電磁力和電機(jī)常數(shù)，選擇線圈高度為6 mm。

3.4.2 線圈外徑

固定磁體外徑10 mm，內(nèi)徑1 mm，高度3 mm；導(dǎo)線直徑0.33 mm，通入電流0.2～0.5 A，步長0.1 A；線圈內(nèi)徑1 mm，高度6 mm，外半徑為4～6 mm，步長0.5 mm，仿真結(jié)果如圖9所示。圖中橫軸為銅線圈外半徑Rc，左縱軸為永磁體軸向受力，右縱軸為電機(jī)常數(shù)。結(jié)果顯示隨著線圈外徑的增大，電磁力逐漸增大，而電機(jī)常數(shù)在Rc=5 mm處達(dá)到極大值，因此選擇線圈外半徑為5 mm。

圖9 電磁力和電機(jī)常數(shù)隨線圈外徑變化的關(guān)系Fig.9 Relationship between electromagnetic force,actuator constant and the outer diameter of coil.

圖10 電磁力和電機(jī)常數(shù)隨線圈內(nèi)徑變化的關(guān)系Fig.10 Relationship between electromagnetic force,actuator constant and the inner diameter of coil.

3.4.3 線圈內(nèi)徑

固定磁體外徑10 mm，內(nèi)徑1 mm，高度3 mm；導(dǎo)線直徑0.33 mm，通入電流0.2～0.5 A，步長0.1 A；線圈外半徑5 mm，高度6 mm，內(nèi)半徑為0.25 mm，0.5 mm，0.75 mm，仿真結(jié)果如圖10所示。圖中橫軸為線圈內(nèi)半徑rc，左側(cè)縱軸為永磁體軸向受力，右側(cè)縱軸為電機(jī)常數(shù)。結(jié)果顯示隨著線圈內(nèi)徑的變大，電磁力沒有明顯變化，而電機(jī)常數(shù)雖然減小但數(shù)值變化不大，考慮到電機(jī)的結(jié)構(gòu)，因此選擇線圈內(nèi)半徑為0.5 mm。

3.5 輸出力的線性

經(jīng)過Maxwell的仿真優(yōu)化，該音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：永磁體外半徑5 mm，內(nèi)半徑0.5 mm，高度3 mm，磁體徑向充磁；線圈外半徑5 mm，內(nèi)半徑0.5 mm，高度6 mm；通過仿真表明輸入電流和電磁力有良好的線性關(guān)系，如圖11所示。

圖11 電磁力和電流的關(guān)系Fig.11 Relationship between electromagnetic force and current

4 雙線圈結(jié)構(gòu)音圈電機(jī)

(a)雙線圈音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)圖(a)Structure of voice coil actuator with double coils

(b)雙線圈音圈電機(jī)剖面圖(b)Section of voice coil actuator with double coils圖12 雙線圈音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.12 Structure diagram of voice coil actuator with double coils

經(jīng)過優(yōu)化的音圈電機(jī)的電機(jī)常數(shù)約為0.6，與MMT望遠(yuǎn)鏡的音圈電機(jī)的效率相當(dāng)。為了進(jìn)一步提高效率，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種新的結(jié)構(gòu)，如圖12。將6 mm厚的銅線圈分為兩個厚度為3 mm的銅線圈，分布于磁體兩側(cè)，氣隙厚度0.1 mm，其余尺寸均與第三節(jié)相同。兩個線圈分別位于永磁體兩側(cè)，提高了磁場的利用率，而且通過傳動軸對鏡面進(jìn)行推拉減小了驅(qū)動器熱量對鏡面的影響。

4.1 磁場強(qiáng)度的仿真與對比

通電線圈激發(fā)的磁場越大永磁體受力越大，以兩種結(jié)構(gòu)的線圈在永磁體半高處產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度為例，仿真結(jié)果如圖13所示。橫軸為直徑上的點，縱軸為該點處的磁場強(qiáng)度，雙線圈結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度為H1,單線圈產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度為H2。結(jié)果表明雙線圈結(jié)構(gòu)可以在永磁體處產(chǎn)生更大的磁場強(qiáng)度。

圖13 雙線圈和單線圈產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度對比Fig.13 Comparison of magnetic field strength generated by double coils and single coil

4.2 電磁力的仿真與對比

圖14展示了雙線圈電機(jī)(CMC)和單線圈電機(jī)(MC)通入不同電流得到的電磁力和電機(jī)常數(shù)，圖中橫坐標(biāo)為通入的電流i，左縱軸為永磁體軸向受力，右縱軸為電機(jī)常數(shù)，結(jié)果顯示雙線圈電機(jī)可以產(chǎn)生更大的推力和電機(jī)常數(shù)。

圖14 兩種電機(jī)的電磁力和電機(jī)常數(shù)Fig.14 Electromagnetic force and actuator constant of two actuators

5 結(jié) 論

本文設(shè)計了用于變形鏡的動磁式高效率音圈驅(qū)動器。介紹了音圈驅(qū)動器的基本原理并且推導(dǎo)了計算音圈驅(qū)動器電磁力的公式?；谟邢拊姆椒ɡ肕axwell軟件對動磁式音圈電機(jī)進(jìn)行了模擬仿真，結(jié)果表明采用徑向充磁的永磁體提高了電機(jī)的效率，降低了發(fā)熱。通過對磁體和線圈的尺寸進(jìn)行優(yōu)化將電機(jī)常數(shù)提高至0.9，輸出力達(dá)到0.43 N。結(jié)果符合電機(jī)設(shè)計的基本要求，為音圈驅(qū)動器的研制提供了理論基礎(chǔ)。