高效能双线圈音圈电机的设计与分析

吴 迪, 朱姿娜

(上海工程技术大学 机械与汽车工程学院, 上海 201620)

近年来,随着精密制造技术的发展,音圈电机因体积小、结构简单、高频响应、高精度以及换向方便等优点而广泛应用于半导体制造设备、光学电子显微镜、振动平台和主动减振系统等高精密运动系统中[1-3].音圈电机是一种特殊的直线电机,对其进行结构设计时应尽量满足以下两点[4]:1) 以最少的永磁体及导磁材料,设计具有高磁通密度的均匀气隙磁场,提高工作效率,产生尽可能大的推力;2) 在满足推力要求的前提下,尽量减小音圈电机的体积和运动部分的质量,使其具有更高的加速度和快速响应能力.

在不同的音圈电机设计中,为提高电机的有效输出力及动态性能,采用的技术方法主要包括选择不同磁体安装方式、磁路结构设计以及对线圈结构进行改进等[5].刘华等[6]研究了双磁体差动音圈电机的工作特性,主要对电机气隙磁场强度和线圈长度对结构参数的影响进行分析,归纳总结出双磁体差动音圈电机的一般设计步骤.寇宝泉等[7]对Halbach结构进行研究,得出在电机磁路设计中Halbach型永磁排列可以提供较大的气隙磁通密度正弦度.罗辞勇等[8]提出线圈前移式音圈电机结构,通过仿真分析和试验验证了这种方法可以有效解决直线型音圈电机平均出力小和出力密度不高的问题.以上研究可以看出,目前在对音圈电机结构的设计中,主要是分别对磁路结构和线圈结构进行局部的改进优化,而同时对磁路结构和线圈结构进行改进的研究不多.

本文以圆筒型音圈电机为研究对象,研究设计一种应用双层Halbach特殊阵列结构磁体的直线型音圈电机,同时对音圈数量进行调整,通过采用双层线圈的形式提升音圈电机磁体的利用率,并使用有限元软件Ansoft分析结构参数对电机推力的影响.

1 音圈电机数学模型

音圈电机是一种特殊形式的直线电机,其结构组成如图1所示,主要由永磁体、磁轭、线圈和线圈支架4个部分组成.其中,线圈绕组嵌放在线圈支架上作为电机初级,永磁体和磁轭作为电机次级.轴向充磁的圆柱永磁体在其与磁轭的气隙空间产生磁场,并作用于载流线圈,产生轴向电磁力.

音圈电机的工作原理是根据安培力原理,即通电线圈在磁场中受到安培力的作用,该安培力即为电机的推力,随线圈中电流方向和大小的变化,线圈做往返直线运动.安培力可以表示为

(1)

式中:F为安培力,N;I为电流,A;B为磁场强度,T;l为导体长度,m;dl为整个导体长度的变化量.

音圈电机工作时须克服动子的静摩擦力才能做直线运动.在实际应用中,电机做加减速直线运动须克服动子部分惯性力Fm,公式为

(2)

式中:m为动子部分总质量,kg;a为动子运动加速度,m/s2;v为动子运动速度,m/s;t为动子运动时间,s.

电机动子运动时存在动摩擦力Fc,与电机运动方向相反,设动摩擦系数为k,电机电磁推力为Fe,电机的力平衡方程为

Fc=kv

(3)

(4)

根据式(1)和式(4)可知,在对音圈电机进行设计时,可以通过改变气隙磁场强度、线圈电流大小以及线圈在磁场中的长度来提升电磁推力.同时音圈电机动子部分质量、运动速度和时间也影响电机推力.

2 音圈电机结构设计

2.1 Halbach永磁阵列磁路结构

普通音圈电机的磁路结构大都采用单磁体轴向充磁,如图2(a)所示.这种充磁方式的优点是结构简单、加工容易,但永磁体充磁方向单一,仅磁极附近磁通密度强,永磁体利用率不高.Halbach永磁阵列磁路结构是一种特殊的磁路排布结构,目标是用最少量的永磁体产生最强的磁场,充磁角度偏转90°的Halbach永磁阵列结构示意图如图2(b)所示.相比音圈电机中的轴向充磁,此结构具有多磁极、磁通密度强的优点.普通轴向充磁与充磁角度偏转90°的Halbach永磁阵列磁感线分布对比如图3所示.从图3(a)可以看出,单磁体轴向充磁的方式仅磁极两侧磁感线分布密集,磁极中间部分磁感线分布稀疏.从图3(b)可以看出,Halbach永磁阵列具有特殊的单边聚磁效应,磁体下部分磁感线分布明显高于磁体上部分,并且整个磁体下部分磁感线分布都很密集,这样的排布方式有利于提升永磁体的利用率.

图2 单磁体与单层Halbach永磁阵列充磁对比Fig.2 Comparison of magnetization between single magnet and single layer Halbach permanent magnet array

图3 单磁体与单层Halbach永磁阵列磁感线分布对比Fig.3 Comparison of magnetic induction line distribution between single magnet and single layer Halbach permanent magnet array

本文考虑将2个Halbach永磁阵列中磁通密度较强的一侧叠加形成高磁通密度磁场,并对Halbach永磁阵列充磁角度进行研究,对典型的充磁角度为45°和90°的Halbach永磁阵列进行对比分析.具体的研究方法为设定磁体总长度和厚度相等,对比分析充磁角度分别为45°和90°时的气隙磁通密度,2种充磁角度结构示意图如图4所示.仿真得到的气隙磁通密度曲线对比如图5所示.从图5可以看出,充磁角度为45°和90°的Halbach永磁阵列磁通密度分布趋势大致相同,但充磁角度为45°的磁体结构磁通密度曲线峰值明显高于充磁角度为90°的磁体结构,并且在峰值附近气隙磁通密度波动平缓,因此产生的安培力相对稳定,有利于音圈电机出力的平稳性.充磁角度为45°的双层Halbach永磁阵列的磁感线分布如图6所示.从图6磁感线分布可以看出,与图3(b)中单层Halbach永磁阵列磁感线的分布不同,图6中磁感线分布集中且磁通密度强.因此将充磁角度为45°的双层Halbach永磁阵列作为进一步研究的对象.

图4 不同充磁角度双层Halbach永磁阵列充磁对比Fig.4 Magnetization comparison of double-layer Halbach permanent magnet array with different magnetization angles

图5 充磁角度为45°和90°的双层Halbach永磁阵列气隙磁通密度曲线对比Fig.5 Comparison of air gap magnetic flux density curves of double-layer Halbach permanent magnet array with magnetization angles of 45° and 90°

图6 充磁角度为45°时双层Halbach永磁阵列磁感线分布图Fig.6 Magnetic induction lines distribution of double-layer Halbach permanent magnet array with magnetization angle of 45°

为进一步研究结构参数对电机性能的影响,采用有限元仿真对电机主要结构参数进行研究,主要研究气隙宽度和磁体厚度对磁通密度的影响.首先分析气隙宽度对磁通密度的影响,分别仿真气隙宽度为2、4、6和8 mm时气隙磁通密度沿电机轴向的分布,如图7所示.从图中可以看出,随着气隙宽度的增大,磁通密度逐渐减小,且4种不同尺寸气隙磁通密度沿轴向分布趋势相同.气隙宽度为2 mm时磁通密度最强,但是由于气隙宽度过小不利于线圈的装配和散热,因此选定气隙宽度为4 mm作为进一步研究的对象.气隙宽度确定4 mm后对磁体厚度进行研究,分别研究磁体厚度为5、7、9和11 mm时磁通密度的分布.仿真得到不同磁体厚度时磁通密度沿电机轴向的分布情况,如图8所示.通过图8可知,随着磁体厚度的增大,气隙磁通密度也增大,但随着磁体厚度的增大气隙磁通密度增量相对有所减缓,因此,为节约成本并提升永磁体的利用率,选择磁体厚度为5 mm.

图7 不同气隙宽度磁通密度分布Fig.7 Magnetic flux density distribution with different air gap widths

图8 不同磁体厚度磁通密度分布Fig.8 Magnetic flux density distribution with different magnet thicknesses

2.2 线圈结构

音圈电机中永磁材料的费用在制造成本中比重很大,考虑音圈电机的制造成本,选择合适的线圈设计结构以减少永磁材料的体积十分必要.目前音圈电机大都采用单音圈结构,具有结构简单且响应速度快的优点,但是单音圈结构电流负载受限,制约音圈电机推力的提升.针对该问题,结合式(1)可知线圈电流也是影响电机推力的一个重要因素,但线圈电流过大会导致电机过载或线圈过热,从而影响音圈电机的定位精度,因此本研究考虑使用双线圈结构.

本文研究一种高效能双线圈结构的音圈电机,在保持单线圈音圈电机内径和外径不变的情况下,在双层Halbach永磁结构中间再添加一层磁铁,并且中间层磁铁间隔排布,两种线圈结构的侧视图如图9所示.中间层磁铁仅分布在充磁角度偏转90°的磁铁中间.由于在双层磁铁中间增加了一层磁铁,气隙由一层变为两层,可将单线圈改进为双线圈;同时中间层磁铁可以起到增强气隙中间磁通密度的作用.两种线圈结构的音圈电机结构简图如图10所示.图中箭头方向代表充磁方向,线圈排布在永磁体气隙中间.

图9 不同线圈结构音圈电机侧视图Fig.9 Side view of voice coil motors with different coil structures

图10 不同线圈结构音圈电机结构简图Fig.10 Schematic diagram of voice coil motors with different coil structures

图10(b)的双线圈结构是对图10(a)单线圈结构的改进.相比于单线圈结构,双线圈的音圈电机因为增加一层气隙,永磁体总厚度减小.双线圈具有2个工作气隙,两层磁铁之间增加一层磁铁,线圈作为动子.由于中间部分线圈气隙磁场与两侧线圈气隙磁场反向,并且中间部分线圈绕组与两侧线圈缠绕方向相反,因此每组线圈所受到的推力方向相同.两种线圈结构音圈电机主要参数见表1.

表1 两种线圈结构音圈电机主要参数Table 1 Main parameters of voice coil motors with two coil structures

在对音圈电机两种结构进行仿真分析时,永磁体材料采用NdFe30,线圈材料选择铜.两种线圈结构除永磁体厚度和线圈层数不同外,其余参数均相同.对两种线圈结构的音圈电机3D模型进行仿真得到磁场强度分布,如图11所示.通过仿真云图可以看出,双线圈结构和单线圈结构磁场强度最高值分别在928 830和857 040 A/m附近,双线圈较单线圈音圈电机的磁场强度高约8.4%.

图11 不同线圈结构磁场强度分布图Fig.11 Magnetic field indensity distribution diagrams of different coil structures

通过设定线圈行程为2 mm,对两种结构进行仿真分析,步长选择0.1 mm.得到电机电磁推力随位移变化的曲线,如图12所示.由电机推力—位移曲线可知,在行程中间时,双线圈电机推力可达到4.20 N,单线圈为4.05 N,双线圈结构的音圈电机推力比单线圈提高了3.7%.通过计算双线圈节省的永磁体体积与单线圈结构的永磁体体积比值,得到磁铁利用率提升约53%,因此在音圈电机外形不变的情况下,双线圈结构的磁体利用率明显高于单线圈结构,音圈电机使用双线圈结构可节约永磁材料体积,节省制造成本.

图12 不同线圈结构电机推力—位移曲线Fig.12 Force-displacement curves of motor with different coil structures

3 结 语

1) 本文提出了一种双层Halbach永磁阵列排布方式,对比分析了充磁角度分别为45°和90°时的充磁方式,仿真结果显示充磁角度为45°的Halbach永磁阵列排布方式具有更强的气隙磁通密度.同时对音圈电机的结构参数进行研究,分析了气隙宽度和磁体厚度对磁通密度的影响,为音圈电机的设计提供了参考.

2) 对所提出的双线圈音圈电机结构进行仿真分析,结果显示,与普通音圈电机结构相比,双线圈音圈电机在保证推力的同时能有效节省永磁体的体积约53%,验证了改进音圈电机具有更高的推力效能.