| 音圈電機的電磁場計算與分析
鄒繼斌，王騫
(哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱150001)
摘要：介紹了音圈電機的結構；以電磁場計算為基礎，分析了磁路和電路參數對電機性能的影響；根據計算結果設計了一臺樣機，并進行了實驗研究。仿真和實驗結果驗證了利用數值計算進行音圈電機設計的有效性。
0引 言
音圈電機是一種將電信號轉換成直線位移的直流伺服電機。以音國電機為動力的直線定位系統具有整體結構簡單、驅動速度快、定位精度高等優點，已廣泛應用于計算機磁盤驅動器、激光微調機、六自由度機器人手臂等高新技術設備中。
評價音圈電機的指標包括出力大小和“力一位移”曲線的平滑度。在音圈電機設計中，需要合理確定各個尺寸和電磁參數，以得到理想的出力和“力一位移”曲線。盡管音圈電機的結構比較簡單，但是設計方法有其特殊性，目前關于該電機設計計算的參考文獻仍較少，僅有國外的產品介紹可供參考。音圈電機的出力和“力一位移”曲線的計算應以電磁場計算為基礎。本文在對該電機結構分析的基礎上，對電機內的電磁場進行了分析和計算。在電機體積一定的條件下，以提高出力為目標，分析了磁路和電路參數的影晌，并設計了一臺樣機，實驗結果與設計計算相吻合。
1音圈電機的基本結構與工作原理
音圈電機的結構如圖l所示，主要由定子和動子組成。其中定子包括外磁軛、環形磁鋼、隔磁環和內磁軛，動子由音圈繞組和繞組支架組成。
音圈電機的工作原理與電動式揚聲器類似，即在磁場中放入一環形繞組，繞組通電后產生電磁力，帶動負載作直線運動；改變電流的強弱和極性，即可改變電磁力的大小和方向。
繞組所受到的電磁力：
F=NBil (1)
式中：F——繞組受到的電磁力；
N——線圈的總匝數；
B——氣隙磁密；
i——線圈流過的電流；
l——線圈平均每匝的長度。
式(1)表明：電機的出力主要取決于氣隙磁場的強弱、線圈的安匝數以及線圈每匝的長度。由于各參數互相關聯，所以必須合理設計各參數，才能使電機具有****的性能。具體來說，音圈電機的設計應遵循以下幾個基本原則：
(1)在電機體積給定的情況下，應盡可能增加氣隙磁密與線圈總長度的乘積，以提高單位電流產生的磁推力。
(2)減小漏磁，降低磁路的飽和程度，從而減小電機的體積。
(3)合理設計電機定子和動子的軸向長度，以得到平滑的“力-位移”曲線。
2電磁場計算
音圈電機的設計與分析應以電磁場計算為基礎。由于音圈電機內的磁場是一個軸對稱場，所以可采用二維有限元法進行計算。本文以定子長30．5 mm、外徑38 mm的音圈電機為例進行磁場計算與設計分析。以圖2所示區域作為磁場的求解區域，且采用矢量磁位A對音圈電機的電磁場進行計算。
在計算區域內，磁位A滿足下式：
在本例中，可認為磁力線終止于求解邊界，即邊界條件為：
A=O (3)
根據這兩個方程，通過數值計算可得到音圈電機內的磁力線分布，如圖2所示。由此，可以得出電機徑向氣隙磁密沿軸向的分布，進而根據式(1)計算出電機的電磁力及“力-位移”曲線，這對簡化電機設計過程，縮短開發周期具有重大意義。
3設計參數對電機性能的影響
影響音圈電機性能的結構參數主要包括磁鋼厚度、音圈厚度、外磁軛厚度、極間距離和定動子長度。本文在電磁場計算的基礎上，以電機體積一定為約束條件，定量計算了不同尺寸下電機的出力和“力-位移”曲線，并分析了各參數對電機性能的影響。
3．1磁鋼厚度的影響
磁鋼厚度越大，則氣隙磁場越強，電機的出力也越大，但在電機外徑一定的條件下，音圈的直徑要減小。因此須適當選擇磁鋼厚度，才能使電機出力****。
在保證電機外徑和音圈厚度一定的條件下，不同磁鋼厚度時電機徑向氣隙磁密沿軸向的分布圖和力一位移”曲線分別如圖3、圖4所示。計算中為了保證磁路的飽和程度基本不變，在改變磁鋼厚度的同時，相應地調整外磁軛厚度。圖中，h表示磁鋼厚度，h表示外磁軛厚度。
由圖3可知，磁鋼厚度越大，氣隙磁場越強；但若磁鋼厚度過大，也會降低電機的出力。對于所計算的電機，磁鋼厚度為3 mm時，其性能較為理想。同時可以看出，底部磁極對應的氣隙磁場略大于外部磁極對應的磁場，這是由于電機內磁路的不對稱而引起的；它將造成“力-位移”益線左右兩段的不對稱。
3．2音圈厚度的影響
音圈厚度不但影響電機繞組的安匝數，同時影響氣隙磁密，兩者相互矛盾。而電機的出力與這兩項乘積成正比，因此存在****厚度使電機出力****。在磁鋼厚度h=3 mm時，對應于不同的音圈厚度，電機的“力-位移”曲線如圖5所示。圖中6表示音圈厚度。
可以看出，音圈厚度對電機出力的影響較為明顯，音圈厚度過大過或小都會使電機的出力降低。本例中音圈厚度選為3. 8 mm合理。
3．3外磁軛厚度的影響
外磁軛厚度主要影響磁路的飽和程度。厚度過小，飽和程度增加，電機的漏磁將增大；反之，厚度太大，音圈直徑將減小。所以必須合理地設計外磁軛厚度。
在磁鋼厚度和音圈厚度一定時，減小電機的外磁軛厚度，得到電機內部的磁力線分布如圖6所示。與圖2相比，電機的漏磁明顯增大，氣隙磁場相應地減弱。
圖7給出了在磁鋼厚度h=3 mm、音圈厚度b=3. 8 mm時，不同外磁軛厚度所對應的電機“力位移”曲線。
從圖7可以看出：外磁軛厚度過小，電機的出力也較小；但外磁軛厚度過大，也會降低電機的出力。對本文計算的電機，外磁軛厚度選為3 mm較合理。
3 4極間距離的影響
音圈電機的兩個環形磁極之間存在著較大的漏磁。漏磁場將使外磁軛的磁通增加，飽和程度增加；為了減小極問漏磁，在極間設計一個隔磁環，從而降低外磁軛部分的飽和程度，減小磁軛的厚度。但是極間距離必須合理設計，否則會影響電機的總磁通，反而降低電機的出力。
保持電機定子長度一定，當磁鋼厚度h=3mm、外磁軛厚度h=3 mm、音圈厚度6=3．8 m時，改變極間距離，得到電機在i=O．4 A時的“力- 位移”曲線如圖8所示。圖中，c表示極間距離。
可以看出，極間距離對電機的出力也有較明顯的影響。對本文的算例，極間距離選為2 mm時比較合理。
3．5定子和動子長度的影響
定子和動子長度的選取主要影響電機“力-位移”曲線的平滑度。定子長度一定時，適當改變動子長度，可以使“力-位移”曲線更平滑，但是應以滿足電機的行程要求為主，否則會造成電機體積的增加和成本的浪費。
在磁鋼厚度h=3 mrn、外磁軛厚度h=3 mm、音圈厚度b=3．8 mm、極間距離c=2mm時，對于不同的動子長度，電機的“力-位移”曲線如圖9所示。圖中，L表示動子長度。可見，改變動子長度可以得到更平滑的“力-位移”曲線。
4實驗結果
本文在對音圈電機的結構和電磁場分析的基礎上，根據數值計算得到的優化參數設計了一臺樣機，并進行了實驗研究。其中，樣機的設計參數為磁鋼厚度h=3 mm、外磁軛厚度h=3 mm、音圈厚度b=3．8 mm、極間距離c=2 mm、動子長度L=31．5mm。圖10給出了該樣機的計算和實驗結果。從圖中可見，電機的出力較大，“力-位移”曲線的平滑性較好，其設計較為合理。圖中兩條曲線的誤差小于百分之三，而這主要是由于在樣機中，環形磁鋼是由平行充磁的瓦形磁鋼拼接而成的。
5結論
通過本文的計算分析，可得出以下結論：
(1)數值計算是進行音圈電機設計的有效方法，可以準確地計算出電機的出力和特性。
(2)影響音固電機的結構參數包括磁鋼厚度、音圈厚度、外磁軛厚度、極間距離以及定子和動子長度，其中影響較大的是磁鋼厚度和音圈厚度。
(3)為了減小漏磁并降低磁路的飽和程度，在磁極之間設計隔磁環是非常必要的。影響音圈電機的結構參數包括磁鋼厚度、音圈厚度、外磁軛厚度、極間距離以及定子和動子長度，其中影響較大的是磁鋼厚度和音圈厚度。
(4)底部磁極對應的氣隙磁場略大于外部磁極對應的磁場，這是由于電機內磁路的不對稱而引起的；它將造成“力-位移”曲線左右兩段的不對稱。 |
