航空用盤式繞組旋轉式音圈電機的熱應力與熱變形分析*

李 勇 王 亮 張 波 王 騫 趙 博

航空用盤式繞組旋轉式音圈電機的熱應力與熱變形分析*

李 勇 王 亮 張 波 王 騫 趙 博

（哈爾濱工業大學電氣工程系 哈爾濱 150001）

旋轉式音圈電機由于體積小，安裝方便，在航空航天上越來越多地被用來驅動小慣量負載在有限轉角內運動。盤式繞組音圈電機結構上具有一定優勢，因為其軸向尺寸小，還可以無約束自由轉動。影響音圈電機期可靠工作的因素主要有兩點，即應力和溫升。本文對盤式繞組旋轉式音圈電機不同工作狀態下的熱載荷進行了分析，并建模對其熱應力和熱變形進行了仿真計算，計算結果表明所選擇材料可以滿足音圈電機長期可靠工作要求。論文工作對工程實際具有很好的參考價值。

旋轉音圈電機 盤式 熱應力 熱變形

1 引言

在很多航空航天設備上，需要驅動機構驅動一些力矩較小慣量較小的負載，在有限的角度范圍內做精確的位置掃描。傳統的驅動方式是使用步進電機或有限轉角力矩電機，但步進電機力矩波動較大，控制精度低；有限轉角電機體積和轉動慣量都較大，因此旋轉式音圈電機是替代有限轉角力矩電機的理想選擇。

音圈電機（Voice Coil Motor，VCM）是一種特殊結構的電機，有直線運動和旋轉運動兩種形式。一個典型的旋轉式音圈電機結構如圖1所示[1]。

圖1 一個典型的旋轉式音圈電機Fig.1 A typical rotary voice coil motor

和傳統的有限轉角力矩電機相比，旋轉式音圈電機的突出優勢在于:

（1）體積小，重量輕。傳統的有限轉角力矩電機一般由定子部件和轉子部件兩部分組成，這兩部分都是圓柱形結構，占據空間較大。旋轉式音圈電機則只是占據有限轉角范圍內的弧形空間，比如±15度，剩余的空間都可以用來裝配其它部件。所以，旋轉式音圈電機特別適宜于應用在需要考慮驅動單元體積和重量的場合[2]。

（2）安裝便利。傳統的有限轉角力矩電機一般要通過法蘭裝配定子部件，而旋轉式音圈電機一般設計成矩形或者圓弧型，通過底角或者底面就可以完成裝配，而且要求的精度也不高。

（3）控制特性極佳。這是旋轉式音圈電機最突出的優點。它的動子部件主要由兩部分組成，通電的銅線和鋁制的底座。由于沒有鋼等鐵磁材料，所以氣隙磁場幾乎不變，帶來的最大好處就是動子慣量小動態性能好，而且輸出力矩和控制電流幾乎就是線性關系。

音圈電機近年來得到大量應用和推廣，自VCM進入獨立應用階段以來，音圈電機首先在歐美和日本等國家得到極大重視。美國BEI Technologies INC公司研制的直線式音圈電機多達幾十種，其出力范圍在0.3～300N，運動行程為0.5～50mm；其研制的旋轉式音圈電機擺角范圍從0～60o。BEI Kimco Magnetics公司的音圈電機產品也包括線性型和旋轉型，該公司提出的磁通聚集技術對于減小電氣時間常數，提升氣隙磁密有重要意義。在音圈電機的計算和設計方面，目前通過較為簡單的二維有限元等效替代直線電機的磁場分布情況則較為普遍[3-6]。另外，針對音圈電機溫度場和熱變形的相關研究并不多見[7]。

應用于空間環境下的音圈電機與普通的電機不同，既要適應高低溫環境，又要解決沒有空氣對流時候的散熱問題。而且由于音圈電機結構的特殊性，其導熱問題比普通的永磁電機要復雜。為此，本文對應用于空間環境下的音圈電機的熱載荷進行了分析，在此基礎上對盤式繞組旋轉式音圈電機的熱應力和熱變形情況進行了仿真計算，最后進行了實驗測試。本文的研究成果可以為此類電機的設計和分析提供依據，并對工程應用提供參考。

2 盤式繞組旋轉式音圈電機的結構

一般地，旋轉式音圈電機主要用來驅動有限轉角慣性負載，所以其動子只是在有限轉角范圍內做往復擺動。普通磁路結構的旋轉式音圈電機是軸向對稱雙層結構，像圖1中顯示的那樣。該類結構主要有兩個缺點:

（1）軸向尺寸較大，相當于兩個單元電機并列，個別時候給部件裝配帶來不便。

（2）中間有一個磁軛需要套在動子中，不但使定子部件、動子部件互相約束，而且側面的支撐底座使得動子只能有限轉角運動，而不能360度自由旋轉。在一些精粗耦合的精密儀器中，粗瞄和精瞄是分階段操作的，往往需要音圈電機動子隨著系統軸系做360度旋轉，這時候普通結構的旋轉式音圈電機就不能滿足要求了。

一個盤式繞組旋轉式音圈電機的結構示意圖如圖2所示。和圖1中單極性磁路結構不同的是，這里采用雙極性磁路設計，所以電機是單層結構，軸向尺寸大大壓縮。另外，由于定子軛已經給主磁通提供足夠的磁路，左右兩個側面不需要鐵磁性材料支撐，所以動子部件可以360度自由旋轉，滿足特殊設備需要。

圖2 盤式繞組旋轉式音圈電機的磁路結構Fig.2 Magnetic route of a disk winding rotary VCM

3 音圈電機的熱載荷分析

根據應用場合的不同，旋轉式音圈電機的工作狀況分為定位狀態和掃描狀態兩種。工作在定位狀態時，音圈電機繞組中通以橫幅的直流電，電機輸出力矩為一恒定值；工作在掃描狀態時，音圈電機繞組中通的電流又可以分為三角波和正弦波兩種。通常，音圈電機需要在掃描和定位兩種工況之間來回切換，電機掃描一定時間以后停止工作，等待下一個觸發指令完成相應的動作。

旋轉式音圈電機的熱源來源于損耗，由三部分組成:線圈的銅損、定子鐵心中的鐵損和摩擦損耗。對于輕型慣性負載，摩擦損耗可以忽略不計。音圈電機工作在定位狀態時，電流恒定磁場恒定沒有鐵耗，而掃描狀態的頻率最高也就幾赫茲，鐵心損耗和渦流損耗都是mW級別的，因此兩種工作狀態下的鐵耗都可以忽略不計。所以，音圈電機的熱源主要集中在動子線圈的銅損上。

（1）定位狀態下的銅耗

因為這時需要電機輸出一恒定力矩，所以對應的銅耗為:

式中 Im——線圈中的直流電流，與負載有關；

Ra——線圈電阻。

（2）正弦波掃描狀態下的銅耗

式中 Im——線圈中正弦波電流幅值。

（3）三角波掃描狀態下的銅耗

繞組電流波形為三角波，通過積分可以計算出其等效銅耗即為:

式中 Im——線圈中三角波電流幅值。

由此，可以得到如下規律:

（1）同樣的峰值電流條件下，定位狀態下的熱載荷最大，正弦波掃描狀態次之，三角波掃描狀態最小。也就是說，影響音圈電機熱可靠性的最嚴重狀態，是定位狀態。

（2）不管哪種工作狀態，采用銅耗等效的原則，熱載荷都可以等效成直流電流對應的銅耗進行計算。

（3）由于熱源主要集中在音圈電機的動子上，所以動子的熱變形和熱應力計算最重要。

4 音圈電機動子的熱應力分析

4.1動子材料選擇

一般地，熱應力的產生原因主要包括兩種情況。（1）構件內部溫度不均勻。一個構件內部的溫度分布不同導致相鄰部分受到影響，互相之間不能自由膨脹收縮產生熱應力。（2）不同構件熱膨脹系數不同。不同的構件組合成部件，如果各個構件材料的熱膨脹系數不同，熱變形就會不同，同樣也要導致熱應力的產生。顯然對于本文的研究對象，這兩種情況都存在。

動子部件主要由三部分構成:線圈，動子底座和灌封膠。為了減小熱應力，各部分材料的選擇要兼顧其傳熱性能，以使各部分之間的溫度梯度較小。除去自身的主要性能外，為了更好地傳熱，各部分材料應該導熱系數盡量大，并選擇熱膨脹系數盡量接近使得整體變形趨勢一致。為此，三部分的材料選取如表1所示。

表1 動子各部件材料的物理參數Tab.1 Parameters of rotor component materials

4.2繞組銅損導致的熱應力

采用正弦波掃描方式，峰值電流1.5A時，動子組件的溫度分布云圖如圖3所示。可以看出，由于灌封膠和銅線、動子底座的溫差相差較大，灌封膠中間區域的熱應力最大（31.5MPa），而動子底座和繞組銅線的溫度相近，所以熱應力非常小。4.3環境溫度變化導致的熱應力

圖3 繞組銅損產生的熱應力Fig.3 Thermal stress generated by winding copper loss

如果放在艙外，一個航天設備面臨的最大問題是外界環境溫度變化，因為溫差可能達到二三百度。而且由于沒有空氣對流，長時間工作后電機繞組本身溫度也會很高。環境溫度為180℃時的熱應力云圖如圖4所示，對應環境溫度-20℃到180℃區間的動子部件熱應力曲線如圖5。由圖中數據可知，由于環境溫度變化導致的冷收縮應力和熱膨脹應力基本對稱，而且環境溫度180℃時等效熱應力最大值可達10.24MPa。

圖4 環境溫度變化產生的熱應力（環境溫度180℃）Fig.4 Thermal stress caused by environment temperature

圖5 動子部件熱應力隨外界溫度變化曲線Fig.5 Variation of thermal stress of rotor with environment temperature

5 音圈電機動子的熱變形分析

由于動子各部件熱膨脹系數的不同，隨著溫度變化，其熱變形也將不同，進而影響動子各組件之間的機械配合和整個部件的牢固性，對工作可靠性產生影響。

環境溫度為180℃時音圈電機動子部件的全局形變如圖6所示。可以看出，各部位的形變尺寸存在明顯的差異。在灌封膠中心位置總體形變最小，動子底座四個頂角形變最大。計算結果表明，環境溫度為20℃時動子組件中形變最大值僅為0.9 μm，而當環境溫度為180℃時動子組件形變量最大值為57μm。顯然溫差越大，動子組件的變形越明顯。

圖6 音圈電機動子部件形變云圖（環境溫度180℃）Fig.6 Deformation cloud map of VCM rotor

根據模型計算了在X，Y，Z三個方向上動子部件中三種材料的熱形變尺寸，Y方向上的計算結果如圖7所示。基本的變化規律是:

（1）動子部件中繞組形變最小，動子底座形變最大，但三種材料的熱變形趨勢基本一致，這有利于在機構發生熱變形時材料之間保持良好的機械配合，降低因熱應力帶來的機械疲勞。

（2）形變的總體趨勢是Z方向最小，X方向次之，Y方向最大。在低溫區（環境溫度低于22℃）時，運動方向切向形變量和徑向形變量比較接近；隨著溫度的升高，徑向形變量逐漸超出運動方向切向形變量，部件之間的形變尺寸逐漸加大。

（3）總的形變量和動子部件結構尺寸相比可以忽略不計，電機可以長時間可靠運行。

圖7 動子各組件Y軸方向的熱變形Fig.7 Deformation of all rotor components in Y direction

6 實驗與結論

音圈電機的空載氣隙磁密是最重要的參數，它直接決定電機力矩系數的大小。實驗測得樣機氣隙磁密幅值為0.69T，與三維有限元場仿真出來的結果（0.67T）比較一致。

樣機的實驗測試系統如圖8所示。把樣機裝配到試驗臺上，通過直流穩壓電源給電機繞組供電，再通過彈簧拉力計測試其輸出力矩。樣機的輸出力矩曲線如圖9所示，對應峰值電流2.5A，電機輸出力矩可以達到0.75Nm，工作范圍內平均力矩系數為0.3N.m/A，符合設計技術指標。

圖8 樣機實驗測試Fig.8 Test system of the prototype

圖9 樣機輸出力矩測試曲線Fig.9 Measured output torque of the prototype

結論:

（1）盤式繞組旋轉式音圈電機的三種工作狀態中，定位狀態是熱負荷最嚴重的。而在整個電機中，動子部分的線圈是發熱最嚴重的部件。

（2）選取合適的材料，可以有效降低旋轉式音圈電機動子部件的熱應力和熱變形，保證電機的長期可靠運行。計算結果表明，動子底座用硬鋁合金，灌封膠用環氧樹脂是較好的選擇。

（3）所設計的盤式繞組旋轉式音圈電機軸向尺寸小，且可以無約束旋轉，具有一定的特殊用途。電機的力矩系數達到了0.3 N.m/A，可以滿足中小載荷的驅動要求。

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Analysis of Thermal Stress and Deformation of Disk Winding Rotary Voice Coil Motor Used in Space

Li Yong Wang Liang Zhang Bo Wang Qian Zhao Bo
（Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China）

Rotary voice coil motors (VCM) are more widely used in space equipment because of their small volume and flexible installation, to drive some small inertia load to achieve a precise control in a limited range of angles. Disk winding VCM has some special advantages because it’s very thin in axial direction, and can freely rotates with no limits. Stress and temperature raise are two key factors influencing operating reliability of the motors. In this paper, thermal loads of the disk winding VCM under different working state are analyzed, and thermal stress and deformation are calculated in a thermal model. Calculation results indicate that the selected materials of the motor can meet the requirements of long term reliable working. The work in this paper can be used for a reference in practical engineering.

rotary voice coil motor; disk type; thermal stress; deformation

TM351

李 勇 男，1964年出生，教授，博士生導師，主要從事無刷直流電機靜音驅動系統、旋轉軸系自動平衡、特種電磁機構等方面的研究。

國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）資助項目（2013CB035605）。

2014-08-10

王 亮 男，1986年出生，博士研究生，主要從事永磁電機和新型電磁機構方面的研究。