高性能輻射取向環對圓柱型音圈電機的影響

林 旻，張 杰，閆阿儒，李 東

(中國科學院寧波材料技術與工程研究所，浙江寧波315201)

0 引 言

作為一種短行程高頻率的直線電機，圓柱型音圈電機具有高頻響、高精度的特點，廣泛應用于機械加工、醫療、半導體、航空等領域，例如閥門制動器、小型精密替換測量儀、振動平臺以及主動式減振系統等產品［1］。目前對音圈電機的研究多集中在結構模型設計、反饋控制方法、熱平衡分析與應用技術等方面［2－5］，而對其中影響成本與效能的重要部件之一的永磁材料的研究少見報道。因此，我們對燒結法和熱壓法制得的輻射環進行了靜態磁性能和充磁后特性表征，并利用其分別組裝了圓柱型音圈電機，分析了兩種性能的輻射環對電機的主軸表面磁通、線圈溫度和推力大小的影響。

1 音圈電機磁體陣列

電機中常用磁體的形狀有方塊、瓦片和圓環等［6］。按取向方向不同，永磁環主要分為輻射環、多極環和軸向環三種，如圖1所示。其中，多極環和輻射環可以沿著圓周方向充磁，從而產生正弦波形的磁通分布，可適用于一些需要采用特殊磁體陣列的電機中［7］。

圖1 磁環的三種取向方式

多極環和輻射環均可進行多極充磁。但對多極環進行多極充磁時，充磁極數與磁環制造時的取向極數必須保持一致，否則將嚴重影響磁環的磁性能。而對輻射環進行多極充磁時，充磁極數不受限制，如可輻射充磁成內外單極的磁環。因此輻射磁環在使用方面有較多的便利。

輻射環上切出的磁體在直徑、切向和軸向的退磁曲線如圖2所示，其特點是取向方向的磁性能顯著大于另外兩個非取向方向的磁性能［8］。

圖2 輻射環直徑、軸向和切向的磁性能

圖3是我們設計的圓柱型音圈電機結構示意圖，磁環緊貼電機鐵心，電機線圈繞在絕緣骨架外，線圈與磁環之間留有氣隙。

圖3 圓柱型音圈電機結構示意圖

圓柱型音圈電機的剖面為軸對稱分布，故通過Maxwell軟件有限元仿真獲得采用輻射環和軸向環的音圈電機磁力線分布圖。由圖4可知，對于相同牌號的永磁材料，采用輻射環的電機的氣隙磁密明顯強于采用軸向環的電機。考慮到音圈電機的結構限制及推力體積比的要求，選用輻射環有利于在氣隙中形成更大的徑向磁場。

圖4 采用輻射環和軸向環的音圈電機的氣隙磁密

對于釹鐵硼永磁材料，由于其較大的各向異性場使得磁環制造時取向困難，因此采用熱壓方法比用傳統的粉末冶金燒結法，更容易獲得高性能的輻射環［9］。燒結環的輻射取向來源于兩同極(N或S)電磁鐵相對互斥所產生的磁場，因此當環尺寸小時取向效果尤其差。熱壓環的輻射取向來源于高溫下磁體晶粒隨壓力方向轉動，相比之下這種取向方式要均勻得多。兩種生產方式對比，燒結環的制造成本低但性能不高，特別是一些小尺寸或大高徑比產品成品率很低。而熱壓環的磁性能高，產品尺寸限制少，但制造成本高，在一定程度上影響了該類產品的市場推廣力。

2 實驗方法

輻射環的尺寸為外徑34mm、內徑28mm、高7.5mm，分別采用粉末冶金燒結和熱壓法制造。

將輻射環沿直徑方向切出尺寸1mm×1mm×3mm(取向方向)的磁體，采用振動樣品磁強計(VSM)測試20℃ ～120℃退磁曲線。將兩種磁環在4 kA電流下輻射充磁，采用三維表面磁通測試儀測試磁環沿圓周和軸向的磁通。

將兩種輻射環分別組裝成電機主軸，采用三維表面磁通測試儀測試主軸的軸向磁通。將兩種電機主軸，先后裝入同一音圈電機。

在相同的負荷、線圈、工件臺系統和環境溫度下，運行同一加減速曲線，通過多路溫度采集器檢測線圈溫度。相同條件下，給線圈通同樣大小的直流電，通過六自由度力傳感器檢測音圈電機推力。

3 結果與討論

3.1 磁環靜態磁性能及充磁后特性表征

圖5為燒結輻射環和熱壓輻射環在20℃ ～120℃(293～393 K)的退磁曲線。從圖中可以看出，相同溫度下，熱壓環的剩磁均高于燒結環;熱壓環的剩磁和內稟矯頑力等靜態磁參數隨溫度升高的降低幅度要小于燒結磁環。

圖5 不同溫度下輻射環退磁曲線

隨后對兩種輻射環在相同4 kA電流下進行輻射充磁，采用三維表面磁通測試儀，對比沿圓周和軸向的磁通。從圖6(a)可以看出，熱壓環的圓周磁通要高于燒結環，增幅接近50%。而且熱壓輻射環的磁通不均勻性要小于燒結磁環，由7%左右下降到約3%，這對于需要磁通波動小的應用領域無疑是有利的。兩種環在軸向磁通上存在較大的區別，如圖6(b)所示。除預計的熱壓環軸向磁通更高以外，燒結環的軸向磁通分布存在一較寬的平臺，而熱壓環則呈現拋物線狀，因此推測熱壓環充磁沒有達到完全飽和，需要更大的充磁磁場才會出現如燒結環的磁通飽和平臺。

圖6 輻射環表面磁通

3.2 電機結構和主軸磁通

將充磁后的輻射環固定在音圈電機的鐵心，采用三維表面磁通測試儀，由最靠近電機底部處(即圖2的電機磁環陣列的左端)向外測試輻射環的外表面磁通，結果如圖7所示。可以看出，由于磁環陣列一端有鐵心形成導磁回路，而另一端為開路產生漏磁，故整體磁通分布呈現逐漸降低的趨勢。和兩種環單個的軸向磁通分布相一致，燒結環陣列出現了數個平臺，而熱壓環陣列則出現了數個拋物線。整體上，由于熱壓環的高磁性能，使得熱壓環陣列的磁通面積要高于燒結環陣列。對測量結果導出的數據，采用最小二乘法計算兩種輻射環軸向磁通所圍的面積，兩者之比約為1.15，因此預計熱壓環電機會有較好的性能表現。

圖7 兩種音圈電機主軸的軸向磁通分布

3.3 電機溫升和推力對比

設置Copley電機驅動器(XSJ－10)，讓音圈電機往復運行頻率7 Hz行程1.5mm的加減速曲線。多路溫度采集器(AT4320)每隔5 s采集一次緊貼于線圈之上的熱電阻溫度，溫度信號采集到上位機后，得出兩種輻射環電機的溫升曲線。當測試過程中電機線圈溫度超過85℃停止實驗。

兩種輻射環組成電機的溫升曲線如圖8所示，可以看出:無論是在起點或終點，燒結環電機的溫升速度明顯快于熱壓環電機，而熱壓環電機的溫升隨著時間的延長逐漸趨緩，預計隨著時間的延長，溫度將達到一個穩定值。以相同的80℃計算，熱壓環電機到達的時間要比燒結環電機長一倍以上。因此兩者對比，熱壓環電機要更為適合高溫和高穩定性下的使用。

圖8 兩種電機的溫升曲線

通過恒流源(固緯 PPE3351)產生1 A、1.25 A、1.5 A的恒定電流，通入采用兩種不同輻射環的電機中，采用六自由度力傳感器(ATI DAQ F/T)檢測音圈電機的推力大小，推力數據通過NI數據采集系統(USB6251)采集到上位機中。通過比較推力大小來得出電機性能高低。

兩種輻射環組成的電機在不同電流下的推力，如圖9所示，可以看出，在各種電流下，熱壓環電機的推力要比燒結環電機提高約15%，這一比例也和圖7中兩種電機磁環陣列軸向磁通圍繞面積的比例接近。

圖9 不同電流下兩種電機的推力對比

4 結 論

(1)熱壓法制得的永磁輻射環具有更高的磁性能和更好的溫度特性。

(2)采用高性能輻射環可提高圓柱型音圈電機的效能，有效降低電機的溫升速度和提高電機的推力。

(3)圓柱型音圈電機的推力大小和電機主軸磁體陣列軸向磁通所圍的面積成正比。

［1］興連國，周惠興，侯書林，等.音圈電機研究及應用綜述［J］.微電機，2011，44(8):82－87.

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［5］Liu Yu，Zhang Ming，Zhu Yu，et al.Optimization of voice coil motor to enhance dynamic response based on an improved magnetic equivalent circuit model［J］.IEEE Transaction on Magnetics，2011，47(9):2247－2251.

［6］唐任遠.現代永磁電機理論與設計［M］.北京:機械工業出版社，1997:100.

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