音圈電機溫度特性分析

張琪林

（北京理工大學(xué)，北京 100081）

音圈電機溫度特性分析

張琪林

（北京理工大學(xué)，北京 100081）

音圈電機的溫度變化對其驅(qū)動特性和工作性能有著至關(guān)重要的影響。建立了音圈電機的有限元模型，得到了音圈電機穩(wěn)態(tài)溫度場分布特征以及驅(qū)動電流和磁缸溫度關(guān)系，以此確定了音圈電機的持續(xù)工作電流。得到了電流與磁缸瞬態(tài)溫升之間的關(guān)系，以此確定了在超過持續(xù)電流的條件下電機的可靠工作時間，為音圈電機的設(shè)計和使用提供了理論依據(jù)，穩(wěn)態(tài)溫度分布和瞬態(tài)溫升規(guī)律得到了試驗驗證。

音圈電機；穩(wěn)態(tài)溫度分布；瞬態(tài)溫度特性；有限元法

直線式音圈電機是一種利用通電線圈在磁場中受洛倫茲力將電能轉(zhuǎn)化為線圈動子動能的電機，由于其高響應(yīng)、高精度的特點，在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。音圈電機在工作過程中各部分溫度會上升，會引起電機電磁材料參數(shù)的改變，影響電機的性能。因此準確預(yù)測音圈電機的溫度對于電機的設(shè)計和使用具有重要的意義，本文研究音圈電機的穩(wěn)態(tài)溫度分布和瞬態(tài)溫升規(guī)律，為電機設(shè)計使用提供依據(jù)。

1 問題描述

音圈電機由線圈體和磁缸組成，工作時線圈處在磁缸外壁和內(nèi)芯所夾的空氣間隙之中，通入電流在洛倫茲力的作用下作軸向運動。在線圈、內(nèi)芯以及線圈、外壁之間存在著0.5mm的空氣間隙。電機工作時，熱量主要產(chǎn)生在線圈處，通過夾層空氣和材料的導(dǎo)熱傳遞到磁缸和線圈架子，并最終通過磁缸和線圈架子將熱量散發(fā)外界環(huán)境中，當(dāng)線圈熱量生成量與對外界環(huán)境的散熱量達到平衡的時候，音圈電機溫度不變。由音圈電機的產(chǎn)熱和傳熱過程可以得知，在建立傳熱模型時，應(yīng)該考慮的因素有：產(chǎn)熱量、線圈體的熱傳導(dǎo)、線圈體與夾層空氣的熱對流、磁缸和夾層空氣的熱對流、線圈體和磁缸和外部環(huán)境的熱對流。

2 音圈電機的有限元熱分析

2.1 熱分析的有限元關(guān)系式

本文研究主要涉及到穩(wěn)態(tài)熱分析和瞬態(tài)熱分析。音圈電機的穩(wěn)態(tài)溫度分布指的是在某一工況下電機溫度升高并達到熱平衡時音圈電機各個部分的溫度。通過有限元計算音圈電機各個部分溫升曲線最終趨近的值即是各個穩(wěn)態(tài)的穩(wěn)態(tài)分布。穩(wěn)態(tài)傳熱過程的能量平衡方程是：

而瞬態(tài)傳熱過程是一個系統(tǒng)加熱或者冷卻的過程，該過程中系統(tǒng)的溫度、熱流率、熱邊界條件和內(nèi)能隨時間有明顯變化，瞬態(tài)熱平衡的能量平衡形式可以表示成：

式（1）和（2）中，

[K]——傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱、對流和輻射等因素的影響；[C]——比熱矩陣，反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)能變化；{T} ——節(jié)點溫度向量；——溫度對時間導(dǎo)數(shù)向量；{Q}——節(jié)點熱流率向量，包括熱生成。

從瞬態(tài)傳熱和穩(wěn)態(tài)傳熱的能量平衡方程可以看出兩者的區(qū)別主要在于比熱與溫升速率的積這項。瞬態(tài)過程可以看作是系統(tǒng)由初始環(huán)境溫度條件發(fā)展到熱平衡穩(wěn)態(tài)結(jié)果的歷程，而穩(wěn)態(tài)溫度分布反過來則可以看作是瞬態(tài)過程經(jīng)過無限時間發(fā)展到某一時刻的結(jié)果。

2.2 熱載荷與邊界條件

音圈電機工作過程的熱載荷主要有線圈產(chǎn)熱、線圈與線圈架體之間的熱傳導(dǎo)、磁缸的熱傳導(dǎo)、線圈架體與夾層空氣的熱對流、磁缸與夾層空氣的熱對流以及線圈蓋和磁缸表面與外界環(huán)境的熱對流。

（1）線圈熱生成量。

式（3）中，I——通過線圈的直流電流；R——線圈電阻。

（2）熱傳導(dǎo)。

式（4）中，Q——導(dǎo)熱速率，W；A——導(dǎo)熱面積，m2；dT/dn——溫度梯度，K/m ；λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/mK。

（3）與外界熱對流。

式（5）中，h——對流換熱系數(shù)；Q——熱流密度；A——對流面積；Δt——溫差。

（4）夾層空氣熱對流。

音圈電機線圈體與磁缸外圍和磁芯之間各有0.5mm的縫隙，包含四個夾層，一是外圍和線圈外壁的豎直夾層，二是線圈內(nèi)壁和磁芯之間的夾層，三是線圈底部和磁缸內(nèi)底部的水平夾層，四是線圈內(nèi)上壁和磁缸頂部的水平夾層。分別以豎直和水平夾層的自然形式的對流換熱模型計算這幾個面的對流換熱系數(shù)。

式（6）中，Gr——格拉曉夫數(shù)；Pr——普朗特數(shù)；H——夾層高度；δ——夾層寬度。

3 試驗原理與裝置

圖1所示是音圈電機溫度特性試驗的試驗布置圖。研究采用控制器電流模式驅(qū)動音圈電機。采用電機控制器電流模式驅(qū)動電機。電機型號為XVLC80-06-00A，為圓筒式直線電機。音圈電機安裝在鋁制軌道上，軸向定位限制其運動，因此電機的電路為純電阻電路，不存在反向電動勢。溫度傳感器的探頭與電機磁缸的外壁接觸，測量外壁的溫度，溫度傳感器通過夾具保持平衡。試驗條件為持續(xù)通有1A的直流電，溫度傳感器測量這一過程中磁缸外壁的溫度。由于傳感器不變置于電機內(nèi)部，為了測量電機不同位置的溫度，在電機持續(xù)工作280s后取下迅速測量電機內(nèi)壁、磁缸端部和線圈的溫度，用來驗證模型關(guān)于溫度分布的假設(shè)。

4 溫升特性分析

4.1 溫度模型驗證

圖2是持續(xù)通有1A的電流時，磁缸外壁溫度的變化趨勢。初始狀態(tài)，外壁溫度為環(huán)境溫度27℃，在280s之后達到38℃，變化的趨勢和溫度增加量均和仿真結(jié)果比較接近，驗證了音圈電機溫度瞬態(tài)模型。從圖中可以看出溫度逐漸上升但是升高的趨勢逐漸放緩。

4.2 穩(wěn)態(tài)溫度與持續(xù)推力

在驗證基于有限元法的音圈電機熱模型的基礎(chǔ)上，對其在不同電流的工作條件下的穩(wěn)態(tài)溫度進行仿真計算。由于電機的磁性元件使用的是N38材料，以磁缸內(nèi)壁80℃作為安全工作溫度可以得到持續(xù)工作的安全電流為2A，由于電機推力常數(shù)為12.7N/A，因此所對應(yīng)的持續(xù)推力為25.4N。

圖1 音圈電機溫升試驗

圖2 磁缸溫升曲線

4.3 瞬態(tài)溫升與可靠工作時間

隨著時間增加，磁缸溫度逐漸增加但是增幅逐漸放緩，這是由于溫度越高與環(huán)境溫度之間的溫差越大，單位時間內(nèi)對外散熱就越多。最終音圈電機線圈產(chǎn)熱和對外散熱會達到平衡狀態(tài)，達到某個溫度后不在增加，就是前面的穩(wěn)態(tài)溫度。由于電機有時需要在超過持續(xù)推力的條件下工作，故計算不同工況可靠工作時間（如圖3、圖4）。

圖3 不同工況的瞬態(tài)溫升

圖4 不同工況可靠工作時間

5 結(jié)語

（1）針對音圈電機的熱問題建立了有限元模型，并通過試驗證實了模型。音圈電機的線圈溫度高于磁缸，而磁缸的內(nèi)壁溫度高于端部和外壁。在電機溫升過程，溫升逐漸增加且增幅降低，最終當(dāng)線圈產(chǎn)熱和對外散熱達到平衡，溫度不在變化。

（2）音圈電機的穩(wěn)態(tài)溫度及電機達到熱平衡時的溫度決定了持續(xù)推力。電流越高穩(wěn)態(tài)溫度越高并且增幅越來越大。

（3）電流越大則電機溫度上升越快，并且平衡溫度越高。在超過持續(xù)推力的工況，電流越大則持續(xù)工作時間越短。

[1]武漢鵬. 音圈電機直驅(qū)式水液壓控制閥研制與試驗研究[D].大連海事大學(xué), 2015.

[2]張波. 盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機的研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2014.

TM301.4

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1671-0711（2016）12（上）-0160-02