高效能雙線圈音圈電機的設計與分析

吳 迪, 朱姿娜

(上海工程技術大學 機械與汽車工程學院, 上海 201620)

近年來,隨著精密制造技術的發(fā)展,音圈電機因體積小、結構簡單、高頻響應、高精度以及換向方便等優(yōu)點而廣泛應用于半導體制造設備、光學電子顯微鏡、振動平臺和主動減振系統(tǒng)等高精密運動系統(tǒng)中[1-3].音圈電機是一種特殊的直線電機,對其進行結構設計時應盡量滿足以下兩點[4]:1) 以最少的永磁體及導磁材料,設計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,盡量減小音圈電機的體積和運動部分的質(zhì)量,使其具有更高的加速度和快速響應能力.

在不同的音圈電機設計中,為提高電機的有效輸出力及動態(tài)性能,采用的技術方法主要包括選擇不同磁體安裝方式、磁路結構設計以及對線圈結構進行改進等[5].劉華等[6]研究了雙磁體差動音圈電機的工作特性,主要對電機氣隙磁場強度和線圈長度對結構參數(shù)的影響進行分析,歸納總結出雙磁體差動音圈電機的一般設計步驟.寇寶泉等[7]對Halbach結構進行研究,得出在電機磁路設計中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結構,通過仿真分析和試驗驗證了這種方法可以有效解決直線型音圈電機平均出力小和出力密度不高的問題.以上研究可以看出,目前在對音圈電機結構的設計中,主要是分別對磁路結構和線圈結構進行局部的改進優(yōu)化,而同時對磁路結構和線圈結構進行改進的研究不多.

本文以圓筒型音圈電機為研究對象,研究設計一種應用雙層Halbach特殊陣列結構磁體的直線型音圈電機,同時對音圈數(shù)量進行調(diào)整,通過采用雙層線圈的形式提升音圈電機磁體的利用率,并使用有限元軟件Ansoft分析結構參數(shù)對電機推力的影響.

1 音圈電機數(shù)學模型

音圈電機是一種特殊形式的直線電機,其結構組成如圖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初級,永磁體和磁軛作為電機次級.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為磁場強度,T;l為導體長度,m;dl為整個導體長度的變化量.

音圈電機工作時須克服動子的靜摩擦力才能做直線運動.在實際應用中,電機做加減速直線運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為動子運動加速度,m/s2;v為動子運動速度,m/s;t為動子運動時間,s.

電機動子運動時存在動摩擦力Fc,與電機運動方向相反,設動摩擦系數(shù)為k,電機電磁推力為Fe,電機的力平衡方程為

Fc=kv

(3)

(4)

根據(jù)式(1)和式(4)可知,在對音圈電機進行設計時,可以通過改變氣隙磁場強度、線圈電流大小以及線圈在磁場中的長度來提升電磁推力.同時音圈電機動子部分質(zhì)量、運動速度和時間也影響電機推力.

2 音圈電機結構設計

2.1 Halbach永磁陣列磁路結構

普通音圈電機的磁路結構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)點是結構簡單、加工容易,但永磁體充磁方向單一,僅磁極附近磁通密度強,永磁體利用率不高.Halbach永磁陣列磁路結構是一種特殊的磁路排布結構,目標是用最少量的永磁體產(chǎn)生最強的磁場,充磁角度偏轉90°的Halbach永磁陣列結構示意圖如圖2(b)所示.相比音圈電機中的軸向充磁,此結構具有多磁極、磁通密度強的優(yōu)點.普通軸向充磁與充磁角度偏轉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,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的一側疊加形成高磁通密度磁場,并對Halbach永磁陣列充磁角度進行研究,對典型的充磁角度為45°和90°的Halbach永磁陣列進行對比分析.具體的研究方法為設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°時的氣隙磁通密度,2種充磁角度結構示意圖如圖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°的磁體結構磁通密度曲線峰值明顯高于充磁角度為90°的磁體結構,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.因此將充磁角度為45°的雙層Halbach永磁陣列作為進一步研究的對象.

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°

為進一步研究結構參數(shù)對電機性能的影響,采用有限元仿真對電機主要結構參數(shù)進行研究,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時氣隙磁通密度沿電機軸向的分布,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時磁通密度最強,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作為進一步研究的對象.氣隙寬度確定4 mm后對磁體厚度進行研究,分別研究磁體厚度為5、7、9和11 mm時磁通密度的分布.仿真得到不同磁體厚度時磁通密度沿電機軸向的分布情況,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 線圈結構

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

本文研究一種高效能雙線圈結構的音圈電機,在保持單線圈音圈電機內(nèi)徑和外徑不變的情況下,在雙層Halbach永磁結構中間再添加一層磁鐵,并且中間層磁鐵間隔排布,兩種線圈結構的側視圖如圖9所示.中間層磁鐵僅分布在充磁角度偏轉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?可將單線圈改進為雙線圈;同時中間層磁鐵可以起到增強氣隙中間磁通密度的作用.兩種線圈結構的音圈電機結構簡圖如圖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 不同線圈結構音圈電機側視圖Fig.9 Side view of voice coil motors with different coil structures

圖10 不同線圈結構音圈電機結構簡圖Fig.10 Schematic diagram of voice coil motors with different coil structures

圖10(b)的雙線圈結構是對圖10(a)單線圈結構的改進.相比于單線圈結構,雙線圈的音圈電機因為增加一層氣隙,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線圈氣隙磁場反向,并且中間部分線圈繞組與兩側線圈纏繞方向相反,因此每組線圈所受到的推力方向相同.兩種線圈結構音圈電機主要參數(shù)見表1.

表1 兩種線圈結構音圈電機主要參數(shù)Table 1 Main parameters of voice coil motors with two coil structures

在對音圈電機兩種結構進行仿真分析時,永磁體材料采用NdFe30,線圈材料選擇銅.兩種線圈結構除永磁體厚度和線圈層數(shù)不同外,其余參數(shù)均相同.對兩種線圈結構的音圈電機3D模型進行仿真得到磁場強度分布,如圖11所示.通過仿真云圖可以看出,雙線圈結構和單線圈結構磁場強度最高值分別在928 830和857 040 A/m附近,雙線圈較單線圈音圈電機的磁場強度高約8.4%.

圖11 不同線圈結構磁場強度分布圖Fig.11 Magnetic field indensity distribution diagrams of different coil structures

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

圖12 不同線圈結構電機推力—位移曲線Fig.12 Force-displacement curves of motor with different coil structures

3 結 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°時的充磁方式,仿真結果顯示充磁角度為45°的Halbach永磁陣列排布方式具有更強的氣隙磁通密度.同時對音圈電機的結構參數(shù)進行研究,分析了氣隙寬度和磁體厚度對磁通密度的影響,為音圈電機的設計提供了參考.

2) 對所提出的雙線圈音圈電機結構進行仿真分析,結果顯示,與普通音圈電機結構相比,雙線圈音圈電機在保證推力的同時能有效節(jié)省永磁體的體積約53%,驗證了改進音圈電機具有更高的推力效能.