解宗梁，許京娟

(山東百特電機(jī)電器有限公司，山東 煙臺(tái) 265718)

隨著微加工和微電子技術(shù)的日益更迭發(fā)展，MEMS也不斷發(fā)展，研究人員借助微加工技術(shù)，制造了能滿足相關(guān)需求的微米納米結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)器械微小型化，基于此，在相關(guān)領(lǐng)域中MEMS技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，并打開(kāi)了全新的用途。智能化程度高、質(zhì)量小、體積小、能耗低和可批量制造是MEMS技術(shù)的顯著優(yōu)勢(shì)。在微電子技術(shù)高速發(fā)展背景下，MEMS技術(shù)也在日益完善發(fā)展，并成為一項(xiàng)非常重要的戰(zhàn)略前沿高新技術(shù)，深受社會(huì)各界的高度重視，投入了大量的資金和物力進(jìn)行研究[1]。在微電子技術(shù)催生下，電鍍、脈沖激光沉積、濺射、絲網(wǎng)印刷術(shù)等技術(shù)得以高速發(fā)展，為研究人員制造微米級(jí)尺寸的永磁體創(chuàng)設(shè)了機(jī)會(huì)，越來(lái)越多的研究者基于此電機(jī)進(jìn)行微型設(shè)計(jì)，所以研究微型電磁式電機(jī)具有至關(guān)重要的價(jià)值意義。

1 微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)概述

微機(jī)電系統(tǒng)主要由三部分組成，即控制電路、微傳感器、微執(zhí)行器，將控制電路和微型器件集為一體，借助收集獲取集成信息、執(zhí)行命令、處理信息等功能，構(gòu)建衛(wèi)星信息處理系統(tǒng)，這種系統(tǒng)將多功能集為一體，服務(wù)于宏觀大系統(tǒng)，通過(guò)電磁、光、電、聲等形式與外界進(jìn)行同行，在衛(wèi)星信息處理系統(tǒng)中通過(guò)對(duì)信息的加工處理，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)執(zhí)行相關(guān)指令，或是根據(jù)指令向外界系統(tǒng)傳遞信息，以此達(dá)到與其他系統(tǒng)協(xié)同工作的目的，從整體上促進(jìn)系統(tǒng)可靠性、自動(dòng)化、智能化的全面提升[2]。EMS結(jié)構(gòu)具體如圖1所示。

圖1 MEMS結(jié)構(gòu)

2 微永磁直線電機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

2.1 微永磁直線電機(jī)結(jié)構(gòu)

定子、導(dǎo)軌、動(dòng)力三部分是組成微永磁直線電機(jī)的重要部分，具體結(jié)構(gòu)示意圖如2所示：動(dòng)子即滑塊，主要以硅材料所制造的薄膜永磁體及背板構(gòu)成。其中，背板厚度為0.3 mm，長(zhǎng)寬均為2 mm的正方形，背板下與薄膜永磁體貼合，磁化方式為多極磁化，磁極厚度為0.02 mm，寬度為0.1 mm。定子則由硅質(zhì)基底以及AB兩相平面繞組構(gòu)成，厚度為0.5 mm，大小為9 mm×2 mm。其橫截面為 20 μm×20 μm，繞組長(zhǎng)度2 mm。氣隙尺寸為5 μm，電機(jī)主體部分由導(dǎo)軌支撐，電機(jī)整體厚度＜1.0 mm。具體參數(shù)如圖2所示。

圖2 MEMS永磁直線電機(jī)結(jié)構(gòu)

2.2 微永磁直線電機(jī)工作原理

其主要通過(guò)繞組和多極化薄膜永磁中的電流感應(yīng)讓二者相互作用來(lái)驅(qū)動(dòng)永磁直線電機(jī)運(yùn)行，電機(jī)運(yùn)行中薄膜永磁體磁化方向沿豎直方向，繞組電流和多極化薄膜永磁體電流方向具體如圖3所示。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，繞組產(chǎn)生的洛倫茲力是向左的，在電機(jī)中繞組是靜止部分，永磁是運(yùn)動(dòng)部分。永磁體在正確方向受到洛倫茲力的反作用力，就會(huì)讓滑塊水平向右移動(dòng)，同時(shí)在滑塊移動(dòng)時(shí)，繞組的工作磁場(chǎng)交替變化[3]。為了保持滑塊的運(yùn)動(dòng)方向不變，微永磁直線電機(jī)在工作中需要根據(jù)滑塊的位置，有效地轉(zhuǎn)化繞組中的電流方向，這樣一來(lái)就可以給A、B兩個(gè)階段的繞組通電，在電機(jī)運(yùn)動(dòng)中操作人員輔助適當(dāng)?shù)目刂颇Ｊ?，如此一?lái)，就可保持滑塊的推力方向，確?；瑝K能夠朝著相同運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，以減小部件在垂直方向上對(duì)滑塊的作用力，根據(jù)滑動(dòng)位置對(duì)A、B兩相繞組采用90°相位差正弦電流激勵(lì)。

圖3 MEMS永磁直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理

3 微永磁直線電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化磁場(chǎng)

為優(yōu)化靜態(tài)磁場(chǎng)，本次研究分析了氣隙長(zhǎng)度、永磁體寬度、永磁體厚度對(duì)氣隙磁密的影響。通過(guò)分析永磁厚度知曉，在微永磁直線電機(jī)結(jié)構(gòu)中永磁體厚度主要由氣隙磁密大小決定的，氣隙磁密大，相應(yīng)的永磁體厚度就越大，并在運(yùn)行中日趨穩(wěn)定，相應(yīng)地如果永磁體厚度較小，那么就會(huì)出現(xiàn)中間部分凹陷的情況，針對(duì)于此，選擇永磁體厚度主要在0.09~0.12 mm[4]。我們對(duì)分析永磁體寬度可知，在微永磁電機(jī)中當(dāng)永磁體無(wú)間隙排布時(shí)，永磁體氣隙磁密較大，在電機(jī)運(yùn)動(dòng)中極距的改變，導(dǎo)致推力出現(xiàn)與運(yùn)動(dòng)方向相反的力，就會(huì)進(jìn)一步減少推力合力，所以可基于不改變極距的情況下，優(yōu)化永磁體寬度，在增加永磁體寬度同時(shí)，微永磁直線電機(jī)氣隙磁密隨之近似成線性增加，并且可以明顯的看到，z軸分量分布的均勻性，所以在優(yōu)化設(shè)計(jì)中可選擇寬度在0.07~0.10 mm之間的永磁體。

通過(guò)分析氣隙長(zhǎng)度可以發(fā)現(xiàn)，微永磁直線電機(jī)氣隙磁密大小主要根據(jù)氣隙長(zhǎng)度的變化而變化，基于此我們需選擇氣隙磁密較大的氣隙長(zhǎng)度。如果所選擇的氣隙長(zhǎng)度過(guò)短，就會(huì)導(dǎo)致磁密z軸分量在電機(jī)中出現(xiàn)凹陷，導(dǎo)致為永磁電機(jī)永磁不均勻，這樣一來(lái)，電機(jī)就會(huì)產(chǎn)生較大的波動(dòng)，針對(duì)于此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中可選擇1~5 μm范圍內(nèi)的氣隙。

3.2 推力優(yōu)化

第一，通過(guò)分析氣隙影響可得知,隨著氣隙的增加近似線性的推力會(huì)逐漸減小，微永磁電機(jī)基于靜態(tài)優(yōu)化下所確定的1~5 μm氣隙范圍內(nèi)，3 μm的時(shí)候推力脈動(dòng)最小，能夠滿足相關(guān)需求。

第二，分析影響永磁體厚度的因素得知，當(dāng)我們?cè)黾佑来朋w厚度的同時(shí)，推力也會(huì)不斷變化，并且這種狀態(tài)逐漸與靜態(tài)時(shí)相同。在優(yōu)化過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要得到微永磁電機(jī)的推力脈動(dòng)曲線，我們將永磁體厚度設(shè)置為0.10 mm的時(shí)候，這個(gè)時(shí)候永磁體推力脈動(dòng)最小?；诖?，0.10 mm為最終的永磁體厚度。

第三，通過(guò)分析影響永磁體寬度得知，永磁體寬度的變化會(huì)影響推力，當(dāng)永磁體寬度為0.10 mm的時(shí)候，這個(gè)時(shí)候推力最大。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，雖然推力有所增加，但是總的來(lái)說(shuō)數(shù)值相差為合理的范圍內(nèi)，所以原始設(shè)計(jì)參數(shù)保持不變，還是0.10 mm。

第四，通過(guò)分析影響繞組間的因素得知。當(dāng)微永磁繞組間在20 μm的時(shí)候，這個(gè)時(shí)候電機(jī)的推力最大，但是脈動(dòng)最小，所以在優(yōu)化過(guò)程中可將繞組間距設(shè)置在 20 μm。

第五，通過(guò)分析影響繞組行根數(shù)我們可以得知，微永磁電機(jī)并行根數(shù)大于2，此時(shí)電機(jī)推力脈動(dòng)減少并逐漸平穩(wěn)，為了保障電機(jī)的穩(wěn)定性，我們需選擇2根并行根數(shù)。

3.3 氣隙磁場(chǎng)優(yōu)化

利用靜磁場(chǎng)分析，永磁體厚度與寬度比值越接近于1，在相同厚度中所產(chǎn)生的磁場(chǎng)便越大。結(jié)合推力分析可有效驗(yàn)證其正確性?；谠紖?shù)之下，氣隙密度與Z軸分量凹陷成反比，如氣隙磁密度小，則Z軸分量凹陷越明顯，而在實(shí)施優(yōu)化后其磁場(chǎng)分布如圖4~圖5所示。優(yōu)化前后的氣隙磁密均方根值分別為0.535 3和0.664 8，其上升幅度達(dá)到24%，且Z軸分量獲得顯著增加，畸變程度逐步縮小。

圖4 優(yōu)化前后氣隙密度對(duì)比

圖5 優(yōu)化前后氣隙磁密Z軸分量

3.4 推力優(yōu)化

經(jīng)優(yōu)化前后結(jié)果分析，其推力有效值變化顯著，優(yōu)化前為6.096 2 mN，優(yōu)化后為15.793 0 mN，其數(shù)據(jù)是前者的2.6倍。在推力脈動(dòng)的比較中，優(yōu)化前為12.034 0%，優(yōu)化后為8.241 7%，其數(shù)據(jù)下降近1/3。根據(jù)上述數(shù)據(jù)變化可知，在優(yōu)化設(shè)計(jì)后整體的推力及脈動(dòng)均顯著改善，證實(shí)了優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性。另外，優(yōu)化后的電機(jī)永磁體厚度有所增加，且氣隙長(zhǎng)度相應(yīng)減小，主要是基于增加厚度可增加薄層電流環(huán)，用以改善氣隙磁密增加Z軸方向的長(zhǎng)度，進(jìn)一步增加Bz，實(shí)現(xiàn)推力的持續(xù)增加。載流導(dǎo)體數(shù)目依賴于并行根數(shù)的增加而增加，使推力得到提升。具體見(jiàn)圖6。

圖6 優(yōu)化前后推力對(duì)比

從另一個(gè)角度來(lái)看，厚度的增大，會(huì)影響永磁體中間部分，并且會(huì)讓其相鄰磁極和磁通密度二者的交界處的磁通密度差值減少，基于此，氣隙磁密的z軸分量畸變程度減小，則會(huì)進(jìn)一步減小推力脈動(dòng)。

4 總結(jié)

綜上所述，優(yōu)化微永磁直線電機(jī)機(jī)構(gòu)，能顯著提升推力，讓推力脈動(dòng)得以減小，促進(jìn)電機(jī)工作效率和安全性的提升。因此，我們還要投入人力物力，不斷完善優(yōu)化微永磁直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)，改善脈動(dòng)和推力大小，提升電機(jī)工作質(zhì)效，助力相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。