高性能輻射取向環(huán)對(duì)圓柱型音圈電機(jī)的影響

林 旻，張 杰，閆阿儒，李 東

(中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江寧波315201)

0 引 言

作為一種短行程高頻率的直線電機(jī)，圓柱型音圈電機(jī)具有高頻響、高精度的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工、醫(yī)療、半導(dǎo)體、航空等領(lǐng)域，例如閥門制動(dòng)器、小型精密替換測(cè)量?jī)x、振動(dòng)平臺(tái)以及主動(dòng)式減振系統(tǒng)等產(chǎn)品［1］。目前對(duì)音圈電機(jī)的研究多集中在結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)、反饋控制方法、熱平衡分析與應(yīng)用技術(shù)等方面［2－5］，而對(duì)其中影響成本與效能的重要部件之一的永磁材料的研究少見(jiàn)報(bào)道。因此，我們對(duì)燒結(jié)法和熱壓法制得的輻射環(huán)進(jìn)行了靜態(tài)磁性能和充磁后特性表征，并利用其分別組裝了圓柱型音圈電機(jī)，分析了兩種性能的輻射環(huán)對(duì)電機(jī)的主軸表面磁通、線圈溫度和推力大小的影響。

1 音圈電機(jī)磁體陣列

電機(jī)中常用磁體的形狀有方塊、瓦片和圓環(huán)等［6］。按取向方向不同，永磁環(huán)主要分為輻射環(huán)、多極環(huán)和軸向環(huán)三種，如圖1所示。其中，多極環(huán)和輻射環(huán)可以沿著圓周方向充磁，從而產(chǎn)生正弦波形的磁通分布，可適用于一些需要采用特殊磁體陣列的電機(jī)中［7］。

圖1 磁環(huán)的三種取向方式

多極環(huán)和輻射環(huán)均可進(jìn)行多極充磁。但對(duì)多極環(huán)進(jìn)行多極充磁時(shí)，充磁極數(shù)與磁環(huán)制造時(shí)的取向極數(shù)必須保持一致，否則將嚴(yán)重影響磁環(huán)的磁性能。而對(duì)輻射環(huán)進(jìn)行多極充磁時(shí)，充磁極數(shù)不受限制，如可輻射充磁成內(nèi)外單極的磁環(huán)。因此輻射磁環(huán)在使用方面有較多的便利。

輻射環(huán)上切出的磁體在直徑、切向和軸向的退磁曲線如圖2所示，其特點(diǎn)是取向方向的磁性能顯著大于另外兩個(gè)非取向方向的磁性能［8］。

圖2 輻射環(huán)直徑、軸向和切向的磁性能

圖3是我們?cè)O(shè)計(jì)的圓柱型音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，磁環(huán)緊貼電機(jī)鐵心，電機(jī)線圈繞在絕緣骨架外，線圈與磁環(huán)之間留有氣隙。

圖3 圓柱型音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圓柱型音圈電機(jī)的剖面為軸對(duì)稱分布，故通過(guò)Maxwell軟件有限元仿真獲得采用輻射環(huán)和軸向環(huán)的音圈電機(jī)磁力線分布圖。由圖4可知，對(duì)于相同牌號(hào)的永磁材料，采用輻射環(huán)的電機(jī)的氣隙磁密明顯強(qiáng)于采用軸向環(huán)的電機(jī)?？紤]到音圈電機(jī)的結(jié)構(gòu)限制及推力體積比的要求，選用輻射環(huán)有利于在氣隙中形成更大的徑向磁場(chǎng)。

圖4 采用輻射環(huán)和軸向環(huán)的音圈電機(jī)的氣隙磁密

對(duì)于釹鐵硼永磁材料，由于其較大的各向異性場(chǎng)使得磁環(huán)制造時(shí)取向困難，因此采用熱壓方法比用傳統(tǒng)的粉末冶金燒結(jié)法，更容易獲得高性能的輻射環(huán)［9］。燒結(jié)環(huán)的輻射取向來(lái)源于兩同極(N或S)電磁鐵相對(duì)互斥所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，因此當(dāng)環(huán)尺寸小時(shí)取向效果尤其差。熱壓環(huán)的輻射取向來(lái)源于高溫下磁體晶粒隨壓力方向轉(zhuǎn)動(dòng)，相比之下這種取向方式要均勻得多。兩種生產(chǎn)方式對(duì)比，燒結(jié)環(huán)的制造成本低但性能不高，特別是一些小尺寸或大高徑比產(chǎn)品成品率很低。而熱壓環(huán)的磁性能高，產(chǎn)品尺寸限制少，但制造成本高，在一定程度上影響了該類產(chǎn)品的市場(chǎng)推廣力。

2 實(shí)驗(yàn)方法

輻射環(huán)的尺寸為外徑34mm、內(nèi)徑28mm、高7.5mm，分別采用粉末冶金燒結(jié)和熱壓法制造。

將輻射環(huán)沿直徑方向切出尺寸1mm×1mm×3mm(取向方向)的磁體，采用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)測(cè)試20℃ ～120℃退磁曲線。將兩種磁環(huán)在4 kA電流下輻射充磁，采用三維表面磁通測(cè)試儀測(cè)試磁環(huán)沿圓周和軸向的磁通。

將兩種輻射環(huán)分別組裝成電機(jī)主軸，采用三維表面磁通測(cè)試儀測(cè)試主軸的軸向磁通。將兩種電機(jī)主軸，先后裝入同一音圈電機(jī)。

在相同的負(fù)荷、線圈、工件臺(tái)系統(tǒng)和環(huán)境溫度下，運(yùn)行同一加減速曲線，通過(guò)多路溫度采集器檢測(cè)線圈溫度。相同條件下，給線圈通同樣大小的直流電，通過(guò)六自由度力傳感器檢測(cè)音圈電機(jī)推力。

3 結(jié)果與討論

3.1 磁環(huán)靜態(tài)磁性能及充磁后特性表征

圖5為燒結(jié)輻射環(huán)和熱壓輻射環(huán)在20℃ ～120℃(293～393 K)的退磁曲線。從圖中可以看出，相同溫度下，熱壓環(huán)的剩磁均高于燒結(jié)環(huán);熱壓環(huán)的剩磁和內(nèi)稟矯頑力等靜態(tài)磁參數(shù)隨溫度升高的降低幅度要小于燒結(jié)磁環(huán)。

圖5 不同溫度下輻射環(huán)退磁曲線

隨后對(duì)兩種輻射環(huán)在相同4 kA電流下進(jìn)行輻射充磁，采用三維表面磁通測(cè)試儀，對(duì)比沿圓周和軸向的磁通。從圖6(a)可以看出，熱壓環(huán)的圓周磁通要高于燒結(jié)環(huán)，增幅接近50%。而且熱壓輻射環(huán)的磁通不均勻性要小于燒結(jié)磁環(huán)，由7%左右下降到約3%，這對(duì)于需要磁通波動(dòng)小的應(yīng)用領(lǐng)域無(wú)疑是有利的。兩種環(huán)在軸向磁通上存在較大的區(qū)別，如圖6(b)所示。除預(yù)計(jì)的熱壓環(huán)軸向磁通更高以外，燒結(jié)環(huán)的軸向磁通分布存在一較寬的平臺(tái)，而熱壓環(huán)則呈現(xiàn)拋物線狀，因此推測(cè)熱壓環(huán)充磁沒(méi)有達(dá)到完全飽和，需要更大的充磁磁場(chǎng)才會(huì)出現(xiàn)如燒結(jié)環(huán)的磁通飽和平臺(tái)。

圖6 輻射環(huán)表面磁通

3.2 電機(jī)結(jié)構(gòu)和主軸磁通

將充磁后的輻射環(huán)固定在音圈電機(jī)的鐵心，采用三維表面磁通測(cè)試儀，由最靠近電機(jī)底部處(即圖2的電機(jī)磁環(huán)陣列的左端)向外測(cè)試輻射環(huán)的外表面磁通，結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，由于磁環(huán)陣列一端有鐵心形成導(dǎo)磁回路，而另一端為開(kāi)路產(chǎn)生漏磁，故整體磁通分布呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。和兩種環(huán)單個(gè)的軸向磁通分布相一致，燒結(jié)環(huán)陣列出現(xiàn)了數(shù)個(gè)平臺(tái)，而熱壓環(huán)陣列則出現(xiàn)了數(shù)個(gè)拋物線。整體上，由于熱壓環(huán)的高磁性能，使得熱壓環(huán)陣列的磁通面積要高于燒結(jié)環(huán)陣列。對(duì)測(cè)量結(jié)果導(dǎo)出的數(shù)據(jù)，采用最小二乘法計(jì)算兩種輻射環(huán)軸向磁通所圍的面積，兩者之比約為1.15，因此預(yù)計(jì)熱壓環(huán)電機(jī)會(huì)有較好的性能表現(xiàn)。

圖7 兩種音圈電機(jī)主軸的軸向磁通分布

3.3 電機(jī)溫升和推力對(duì)比

設(shè)置Copley電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(XSJ－10)，讓音圈電機(jī)往復(fù)運(yùn)行頻率7 Hz行程1.5mm的加減速曲線。多路溫度采集器(AT4320)每隔5 s采集一次緊貼于線圈之上的熱電阻溫度，溫度信號(hào)采集到上位機(jī)后，得出兩種輻射環(huán)電機(jī)的溫升曲線。當(dāng)測(cè)試過(guò)程中電機(jī)線圈溫度超過(guò)85℃停止實(shí)驗(yàn)。

兩種輻射環(huán)組成電機(jī)的溫升曲線如圖8所示，可以看出:無(wú)論是在起點(diǎn)或終點(diǎn)，燒結(jié)環(huán)電機(jī)的溫升速度明顯快于熱壓環(huán)電機(jī)，而熱壓環(huán)電機(jī)的溫升隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸趨緩，預(yù)計(jì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，溫度將達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。以相同的80℃計(jì)算，熱壓環(huán)電機(jī)到達(dá)的時(shí)間要比燒結(jié)環(huán)電機(jī)長(zhǎng)一倍以上。因此兩者對(duì)比，熱壓環(huán)電機(jī)要更為適合高溫和高穩(wěn)定性下的使用。

圖8 兩種電機(jī)的溫升曲線

通過(guò)恒流源(固緯 PPE3351)產(chǎn)生1 A、1.25 A、1.5 A的恒定電流，通入采用兩種不同輻射環(huán)的電機(jī)中，采用六自由度力傳感器(ATI DAQ F/T)檢測(cè)音圈電機(jī)的推力大小，推力數(shù)據(jù)通過(guò)NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(USB6251)采集到上位機(jī)中。通過(guò)比較推力大小來(lái)得出電機(jī)性能高低。

兩種輻射環(huán)組成的電機(jī)在不同電流下的推力，如圖9所示，可以看出，在各種電流下，熱壓環(huán)電機(jī)的推力要比燒結(jié)環(huán)電機(jī)提高約15%，這一比例也和圖7中兩種電機(jī)磁環(huán)陣列軸向磁通圍繞面積的比例接近。

圖9 不同電流下兩種電機(jī)的推力對(duì)比

4 結(jié) 論

(1)熱壓法制得的永磁輻射環(huán)具有更高的磁性能和更好的溫度特性。

(2)采用高性能輻射環(huán)可提高圓柱型音圈電機(jī)的效能，有效降低電機(jī)的溫升速度和提高電機(jī)的推力。

(3)圓柱型音圈電機(jī)的推力大小和電機(jī)主軸磁體陣列軸向磁通所圍的面積成正比。

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