軸向磁路旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)的磁場計算與綜合設(shè)計

李 勇，張 波，王 騫

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱150001)

0 引 言

音圈電機(jī)(以下簡稱VCM)是一種特殊形式的直驅(qū)電機(jī)，在航空航天等領(lǐng)域的使用越來越廣泛，用來驅(qū)動小慣量負(fù)載在有限范圍內(nèi)運(yùn)動。當(dāng)驅(qū)動機(jī)構(gòu)在較小的角度范圍內(nèi)做精確的位置掃描時，要求其具有較高的力矩密度和較小的力矩波動。傳統(tǒng)的驅(qū)動方式是使用步進(jìn)電機(jī)或有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)，但步進(jìn)電機(jī)力矩波動較大，控制精度低;有限轉(zhuǎn)角電機(jī)體積和轉(zhuǎn)動慣量都較大，因此旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)是替代有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)的理想選擇。

目前音圈電機(jī)的主要研究集中在提高永磁體利用率和改善電機(jī)力矩系數(shù)這兩方面。美國BEI Kimco Magnetics 公司1997 年的專利介紹了封閉式磁路音圈電機(jī)選擇性去除材料的方法以增強(qiáng)音圈電機(jī)性能［1］，音圈電機(jī)氣隙磁密等于甚至可以大于永磁體的剩磁，電機(jī)電氣時間常數(shù)小，推力質(zhì)量比高。新加坡ASM 公司的G. P. Widdowson 介紹了一種雙面磁鋼結(jié)構(gòu)軸向單磁路結(jié)構(gòu)的音圈電機(jī)的最優(yōu)設(shè)計方法［2］，文章給出了該類電機(jī)氣隙磁密和輸出力矩的估算方法，以及通過有限元算法進(jìn)行精確計算的過程。韓國的Jangwon Lee 等提出了利用水平集方法(Level Set Method)進(jìn)行永磁體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計的方法［3］，通過該方法合理的設(shè)計永磁體和鐵磁材料的形狀以獲得最大的作用力。

本文結(jié)合國內(nèi)外最新研究現(xiàn)狀，對一種新型軸向磁路旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)進(jìn)行了研究，對其電樞反應(yīng)問題和定子底座材料的影響進(jìn)行了專門研究和對比。本文的研究成果對于此類電機(jī)的設(shè)計和分析提供了依據(jù)，對于其理論研究和工程應(yīng)用具有重要的參考價值。

1 軸向磁路式旋轉(zhuǎn)音圈電機(jī)原理

旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)的結(jié)構(gòu)和普通直線型音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)類似，只是運(yùn)動路徑呈弧形。根據(jù)氣隙磁場方向與運(yùn)動路徑圓弧之間的關(guān)系，旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)可分為徑向式和軸向式。軸向磁路盤式結(jié)構(gòu)的音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，電機(jī)中氣隙主磁場方向與運(yùn)動路徑圓弧垂直，與圓弧軸線方向平行。其主要特點(diǎn)是采用雙面磁鋼結(jié)構(gòu)，同一塊定子軛上的磁鋼極性相反，因而只需要兩塊定子軛，就可以組成閉合磁路。

圖1 軸向磁路旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)原理示意圖

1.1 電機(jī)的作用原理

音圈電機(jī)的工作原理可概括為，處于氣隙磁場中的電樞線圈通電時，要受到安培力的作用，因而產(chǎn)生所需的作用力矩。電樞繞組受力的大小與線圈電流和導(dǎo)線所處磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度成比例［4］，用以下公式表示:

式中:F 為單面線圈所受的安培力;Tp為電機(jī)的總力矩;N 為線圈總匝數(shù);I 為電樞繞組電流;Bg為線圈所在的氣隙磁密平均值;Lfe為線圈邊的平均有效長度;Rav為線圈平均旋轉(zhuǎn)半徑;kT為電機(jī)的力矩系數(shù)。

1.2 軸向磁路式的特殊約束條件

一般根據(jù)音圈電機(jī)力矩系數(shù)及行程確定其機(jī)械尺寸和電磁負(fù)荷，但軸向磁路旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)屬于比較特殊的電磁機(jī)構(gòu)。由于是扁平結(jié)構(gòu)，所以在旋轉(zhuǎn)方向上占用的空間會比較大，這是這種結(jié)構(gòu)的突出特點(diǎn)。

圖2 軸向磁路的橫截面示意圖

電機(jī)的橫截面示意圖如圖2 所示。根據(jù)圖中尺寸的相互關(guān)系，單塊永磁體的平均寬度am可以表示:

式中:θ 為動子的單方向最大轉(zhuǎn)角;acoil為繞組的單邊寬度;kw為磁鋼寬度方向的裕度系數(shù)，一般取1.2左右。

也就是說，旋轉(zhuǎn)方向上電機(jī)的寬度是直接制約電機(jī)轉(zhuǎn)角范圍的最主要因素。

1.3 電機(jī)的等效磁路

空載情況下，與圖1 對應(yīng)的軸向磁路旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)的等效磁路圖如圖3 所示。

圖3 軸向磁路音圈電機(jī)的等效磁路

根據(jù)磁路的基爾霍夫第一定律，可以得到空載時氣隙磁通的表達(dá)式。由于鐵心相對磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于1，因此鐵心磁阻遠(yuǎn)小于氣隙磁阻，可以忽略不計。另外，把漏磁磁路簡便處理為Rs1=Rs2=Rs，并引入漏磁系數(shù)(一般取1.3 左右)。氣隙磁通φg可以表示:

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根據(jù)此公式，就可以估算電機(jī)的氣隙磁密，進(jìn)而再利用式(3)求得電機(jī)的力矩系數(shù)。

2 音圈電機(jī)的電磁場計算

在Ansoft 中建立仿真模型，對音圈電機(jī)的氣隙磁場進(jìn)行了計算。磁鋼選用燒結(jié)NdFeB35，定子軛選用10 號鋼，左右定子底座選用輕型非導(dǎo)磁材料，此處選用硬鋁合金。模型的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

表1 音圈電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 空載磁場仿真結(jié)果

對應(yīng)圖1 的旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)的空載磁力線如圖4 所示，空載氣隙磁密曲線如圖5 所示。電機(jī)的主磁路通過氣隙自成一個回路，漏磁則主要集中在氣隙兩側(cè)以及永磁體交界面處。

圖4 電機(jī)空載磁力線分布圖

圖5 空載氣隙磁密曲線

由圖5中曲線可知，電機(jī)空載時氣隙磁密最大值為0.56 T，與文獻(xiàn)［4］中的軸向多磁路結(jié)構(gòu)(氣隙磁密為0.42 T)相比得到了較大的提高。較大的氣隙磁密對應(yīng)較大的力矩系數(shù)，產(chǎn)生相同的力矩所需要的電流就可以有大幅度降低。電機(jī)繞組的銅損與電流平方成正比，因此該結(jié)構(gòu)在減小電機(jī)損耗方面具有優(yōu)勢。

2.2 負(fù)載磁場仿真結(jié)果

對電機(jī)動子繞組施加80 ～640 AT 的電流激勵，得到電機(jī)負(fù)載時的氣隙磁密曲線如圖6 所示。很明顯，由于存在電樞反應(yīng)，電機(jī)的氣隙磁場發(fā)生了畸變。

圖6 不同電流時的負(fù)載氣隙磁密曲線

動子繞組通不同電流時電機(jī)的力矩－位移曲線如圖7 所示。理想情況下音圈電機(jī)的力位曲線應(yīng)該是一條水平的直線，但由于存在圖6 中的電樞反應(yīng)，使得力位曲線不再平直，而是產(chǎn)生了傾斜，而且隨著電樞電流的增大，氣隙磁密畸變越來越嚴(yán)重，力位曲線的傾斜越明顯。

圖7 不同電流時的電機(jī)力位曲線

為了定量地表征電樞反應(yīng)的影響，對于負(fù)載氣隙磁密曲線和力位曲線，在畸變區(qū)內(nèi)引進(jìn)曲線畸變度的概念。畸變度e 通過數(shù)值方差來表示，對于氣隙磁密，定義:

由此可得電樞繞組電流分別為80 AT，160 AT，320 AT，640 AT 時，圖6 中氣隙磁密的畸變度分別為0.11%，0.84%，2.31%和5.22%，圖7 中力位曲線的畸變度分別為0.33%，1.12%，4.46%和7.24%。

3 定子底座材料的影響分析

由軸向磁路式音圈電機(jī)的原理可知，音圈電機(jī)的左右定子底座是可以不導(dǎo)磁的。為了改善氣隙磁密，提高音圈電機(jī)出力，左右定子底座也可以考慮選用導(dǎo)磁材料，但左右定子底座正好是電樞反應(yīng)的主回路，改善氣隙磁密的同時也會大大增加電樞反應(yīng)的影響，同時增加定子部件的重量。

左右定子底座選用導(dǎo)磁材料時的空載磁力線分布圖如圖8 所示，此時磁力線仍然對稱分布，但主磁路形成了三個回路，漏磁通則有所減少，仍然集中在永磁體交界處。

圖8 左右定子底座選用導(dǎo)磁材料時的空載磁力線分布圖

對應(yīng)電樞繞組通320 AT 的電流激勵，兩種左右定子底座材料的氣隙磁密曲線對比和力位曲線對比如圖9、圖10 所示。

圖9 氣隙磁密對比曲線

圖10 力矩位移對比曲線

另外，由于左右底座采用了導(dǎo)磁材料，為主磁通提供了新的路徑，所以氣隙磁密有所增加，定子軛的左右部分的磁密也會有所增加。軛部磁密曲線計算結(jié)果如圖11 所示。計算結(jié)果表明，左右定子軛從硬鋁合金變?yōu)?0 號鋼后，上下軛部磁密最大值由原來的2.5 T 降至2.3 T，而左右部分則從原來的－0.8 T 增加為－2.2 T。

圖11 軛部磁密計算結(jié)果對比

基于圖9、圖10 的兩種方案的綜合對比，如表2所示，其中的Tm為最大力矩，GS為定子部件總重量。顯然，在付出了重量增加代價的同時，電機(jī)的最大力矩增加了近20%。盡管電機(jī)的力位曲線畸變度更大，但對于具有位置閉環(huán)的控制系統(tǒng)來說，力位曲線的畸變可以通過其他方式補(bǔ)償，力矩系數(shù)增加帶來的銅損的減小還是比較可觀的。

表2 定子底座兩種方案的主要參數(shù)對比

4 結(jié) 語

通過本文的分析和計算，可以得到以下結(jié)論:

(1)軸向磁路式旋轉(zhuǎn)音圈電機(jī)的參數(shù)約束有其特殊性，而旋轉(zhuǎn)方向上電機(jī)的寬度是直接制約電機(jī)轉(zhuǎn)角范圍的最主要因素。

(2)軸向磁路式旋轉(zhuǎn)音圈電機(jī)中也存在電樞反應(yīng)問題。電樞反應(yīng)會使氣隙磁密曲線和力位曲線發(fā)生畸變，而且畸變度與電樞磁勢的大小相關(guān)，電樞磁勢越大，畸變越嚴(yán)重。

(3)對于軸向磁路式旋轉(zhuǎn)音圈電機(jī)而言，左右定子底座的材料可以選用不導(dǎo)磁的輕型材料，也可以選用導(dǎo)磁材料。選用導(dǎo)磁材料后氣隙磁密和力矩系數(shù)可以增加接近20%，但電樞反應(yīng)引起的畸變率明顯增大，同時重量也會適當(dāng)增加。使用者可以根據(jù)實(shí)際需要確定合理的設(shè)計。

［1］ MORCOS A C，MORREALE A P. Performance enhancement of closed－ended magnetic circuits by selective removal of material:United States Patent，5677963［P］1997.

［2］ WIDDOWSON G P，KUAH T H，VATH III C J. Design optimization of a limited angle voice coil actuator for use in a wire bonding application［C］//Proceedings of the International Conference on Power Electronics and Drive Systems.1997:413－417.

［3］ LEE Jangwon，WANG Semyung. Topological shape optimization of permanent magnet in voice coil motor using level set method［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2012，48(2):931－932.

［4］ 鄒繼斌，王騫.音圈電機(jī)的電磁場計算與分析［J］. 微特電機(jī)，2008，36(2):4－6.

［5］ 張陽，周惠興，曹榮敏，等. 基于有限元分析的弧形音圈電機(jī)綜合優(yōu)化設(shè)計［J］.微電機(jī)，2010，43(11):28－29.