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(jiǎn)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(lái)越廣泛，用來(lái)驅(qū)動(dòng)小慣量負(fù)載在有限范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在較小的角度范圍內(nèi)做精確的位置掃描時(shí)，要求其具有較高的力矩密度和較小的力矩波動(dòng)。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)較大，控制精度低;有限轉(zhuǎn)角電機(jī)體積和轉(zhuǎn)動(dòng)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(guó)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(shí)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(jì)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(guò)有限元算法進(jìn)行精確計(jì)算的過(guò)程。韓國(guó)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(jì)的方法［3］，通過(guò)該方法合理的設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)外最新研究現(xiàn)狀，對(duì)一種新型軸向磁路旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)進(jìn)行了研究，對(duì)其電樞反應(yīng)問(wèn)題和定子底座材料的影響進(jìn)行了專門研究和對(duì)比。本文的研究成果對(duì)于此類電機(jī)的設(shè)計(jì)和分析提供了依據(jù)，對(duì)于其理論研究和工程應(yīng)用具有重要的參考價(jià)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(dòng)路徑呈弧形。根據(jù)氣隙磁場(chǎng)方向與運(yùn)動(dòng)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(chǎng)方向與運(yùn)動(dòng)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(chǎng)中的電樞線圈通電時(shí)，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(chǎng)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(zhǎng)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(huì)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(dòng)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(shuō)，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(duì)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(shí)氣隙磁通的表達(dá)式。由于鐵心相對(duì)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(jì)。另外，把漏磁磁路簡(jiǎn)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:

汕頭海岸電臺(tái)目前承擔(dān)著覆蓋范圍內(nèi)A1、A2海區(qū)的遇險(xiǎn)、緊急、安全、日常海上無(wú)線電通信等功能，是為履行國(guó)際海事組織（IMO）公約而建設(shè)起來(lái)的集近、中、遠(yuǎn)距離水上無(wú)線電通信功能的船岸無(wú)線電通信系統(tǒng)，涵蓋了HF/MF/VHF等頻段，具備了SSB/FM無(wú)線電話和NBDP/DSC無(wú)線電報(bào)等功能，承擔(dān)著船舶遇險(xiǎn)報(bào)警、安全通信、海上安全信息播發(fā)等任務(wù)，是船舶航行安全必不可少的一套通信保障系統(tǒng)，它包括了收信臺(tái)、發(fā)信臺(tái)和無(wú)線電話臺(tái)，其中收信臺(tái)和無(wú)線電話臺(tái)位于汕頭海事局辦公大樓，與汕頭海事搜尋救助分中心同址，由市電、應(yīng)急發(fā)電機(jī)及1臺(tái)48KVA APC英飛系列UPS供電，電力供應(yīng)情況可靠穩(wěn)定。

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(chǎng)計(jì)算

在Ansoft 中建立仿真模型，對(duì)音圈電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算。磁鋼選用燒結(jié)NdFeB35，定子軛選用10 號(hào)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(chǎng)仿真結(jié)果

對(duì)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(guò)氣隙自成一個(gè)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(shí)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(duì)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(shì)。

2.2 負(fù)載磁場(chǎng)仿真結(jié)果

對(duì)電機(jī)動(dòng)子繞組施加80 ～640 AT 的電流激勵(lì)，得到電機(jī)負(fù)載時(shí)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(chǎng)發(fā)生了畸變。

圖6 不同電流時(shí)的負(fù)載氣隙磁密曲線

動(dòng)子繞組通不同電流時(shí)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?cè)絹?lái)越嚴(yán)重，力位曲線的傾斜越明顯。

圖7 不同電流時(shí)的電機(jī)力位曲線

為了定量地表征電樞反應(yīng)的影響，對(duì)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(guò)數(shù)值方差來(lái)表示，對(duì)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(shí)，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(shí)也會(huì)大大增加電樞反應(yīng)的影響，同時(shí)增加定子部件的重量。

左右定子底座選用導(dǎo)磁材料時(shí)的空載磁力線分布圖如圖8 所示，此時(shí)磁力線仍然對(duì)稱分布，但主磁路形成了三個(gè)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(shí)的空載磁力線分布圖

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

圖9 氣隙磁密對(duì)比曲線

圖10 力矩位移對(duì)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(huì)有所增加。軛部磁密曲線計(jì)算結(jié)果如圖11 所示。計(jì)算結(jié)果表明，左右定子軛從硬鋁合金變?yōu)?0 號(hào)鋼后，上下軛部磁密最大值由原來(lái)的2.5 T 降至2.3 T，而左右部分則從原來(lái)的－0.8 T 增加為－2.2 T。

圖11 軛部磁密計(jì)算結(jié)果對(duì)比

基于圖9、圖10 的兩種方案的綜合對(duì)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(jià)的同時(shí)，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(duì)于具有位置閉環(huán)的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，力位曲線的畸變可以通過(guò)其他方式補(bǔ)償，力矩系數(shù)增加帶來(lái)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(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)本文的分析和計(jì)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(wèn)題。電樞反應(yīng)會(huì)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(shì)的大小相關(guān)，電樞磁勢(shì)越大，畸變?cè)絿?yán)重。

(3)對(duì)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(shí)重量也會(huì)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(jì)。

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