音圈電機設計優(yōu)化與分析

潘新遠 常以濤 張長勝 錢俊兵

（1.云南錫業(yè)股份有限公司銅業(yè)分公司；2.昆明理工大學a.信息工程與自動化學院；b.民航與航空學院）

音圈電機是一種簡單的機電式直線電機，作為一種電磁驅動能量轉換器，在電機、航空及流體控制系統(tǒng)等領域有著廣泛的應用［1］。 音圈電機由永磁體和電流驅動的電磁線圈組成，是一種小型化的直線或旋轉驅動技術。 音圈電機滿足空間或質量限制應用中的運動控制要求，例如在移動攝影中作為照相機鏡頭的執(zhí)行器［2］，在醫(yī)療應用中作為左心室輔助設備［3］和呼吸機中的閥門控制［4］。更普遍地說，音圈電機已廣泛應用于各種領域，如汽 車懸架［5］、納米光 刻 和 計量 學［6］、激 光 雷達應用的光色散［7］、通用快速轉向鏡［8］和硬盤驅動器［9］。音圈電機的工作原理基于洛倫茲力定律，它將電流直接轉化為運動，而不需要中間形式的能量轉換［10］。 音圈電機具有結構簡單、體積小、響應快、速度高、加速度高及控制簡單等優(yōu)點，廣泛應用于高精度定位運動系統(tǒng)中［11～13］。

現代生產中經常需要高精度的快速響應直線運動。 如果用帶機械傳動的旋轉馬達來實現直線運動， 機械傳動會產生齒隙和較大的摩擦力，而音圈電機是一種直接驅動電機，它使用永久磁場和線圈繞組產生與施加到線圈繞組的電流成比例的力［14，15］，其固定部分為永磁體，運動部分為線圈繞組。

迄今為止，一些學者對音圈電機的性能提升已做出了較大的貢獻。 胡永珊等考慮到三維精密運動平臺存在模型不確定性和擾動不確定性，提出采用魯棒控制算法，并驗證了其較好的效果［16］。 Encica L等研究了磁路部分結構參數對靜態(tài)電磁力的影響［17］。吳帥等采用永磁Halbach陣列在每個冗余音圈電機中簡化系統(tǒng)結構，并基于解析磁路模型采用粒子群優(yōu)化方法對設計參數進行優(yōu)化，同時Halbach陣列可以消除磁干擾［18］。 這些結果表明：某些結構參數對音圈電機中的磁場分布有顯著影響。

1 結構設計

由于音圈電機應用場合的多樣化，不同場合的音圈電機有不同的設計要求。 根據文獻［19，20］， 一般來說音圈電機的設計應遵循以下基本原則：

a. 以最少的永磁體和導磁材料設計具有高磁通密度的均勻氣隙磁場，提高工作效率，產生盡可能大的推力。

b. 在滿足推力要求的前提下，盡量減小音圈直線電機的體積和運動部分的質量，使它具有更高的加速度和更快的響應能力。

在精密儀器中，音圈電機是作為作動器直接安裝于儀器中使用的。 精密機電系統(tǒng)要求音圈電機具有小安裝尺寸、高推力常數及低熱擴散等特殊的性能。 在優(yōu)化設計中，為了實現音圈電機小安裝尺寸、高推力常數，除了采用高磁密度的永磁體外， 還必須考慮對電機結構進行優(yōu)化設計。音圈電機的結構參數對線圈的電磁力有很大的影響。 為了獲得良好的性能，必須適當地指定這些參數。 基于有限元分析方法，對電機的驅動電流、勵磁機高度、氣隙及阻尼孔尺寸等主要參數進行了分析。 當電磁力在磁場中作用于帶電線圈時， 其方向可以根據安培定律的左手定律來確定。 因此，可以通過調節(jié)通電電流的方向和值來控制音圈電機的線圈上下移動。 施加在線圈上的電磁力F表示為：

式中 B——磁通密度；

I——電流；

L——線圈有效長度；

N——線圈匝數。

在永磁體的磁場中，磁場的能量分布于整個磁場空間，磁場空間內單位體積的磁能表示為：

式中 B——磁感應強度；

H——磁場強度；

w——磁場空間內單位體積的磁能；

μ——磁場空間中介質的磁導率。

由式（2）可知，在磁感應強度一定的磁場空間中，介質的磁導率μ介越大，相應的介質空間磁場的儲能的密度就越小，反之亦成立。 在音圈電機的磁場介質中，磁軛的磁導率遠大于空氣的磁導率，因此，音圈電機中的氣隙存儲了永磁體磁場絕大多數的磁能，即永磁體磁場的磁能主要消耗于音圈電機的氣隙中。

1.1 傳統(tǒng)結構

傳統(tǒng)矩形音圈電機的結構如圖1所示， 在電機永磁體的磁力線回路中， 只有一塊永磁體，即一塊永磁體對應一個氣隙磁場。

1.2 改進結構設計

筆者提出一種針對精密機電設備的改進音圈電機結構（圖2）。 為了便于和傳統(tǒng)的結構進行對比，在永磁體的材料和尺寸、磁軛的材料和厚度、氣隙的高度方面，改進的音圈電機都與傳統(tǒng)的音圈電機一致。

圖1 傳統(tǒng)矩形音圈電機結構

圖2 改進的音圈電機結構

如圖2所示，在改進的音圈電機結構中，每一磁力線回路經過2個磁場氣隙和4塊永磁體。 可以看出每一氣隙對應2塊永磁體， 對比傳統(tǒng)的音圈電機結構，改進結構利用有限的空間提高氣隙的磁感應強度，從而獲得更大的電機推力常數。 另外，動子線圈的結構設計應確保線圈兩受力邊的中心位置位于上下永磁體覆蓋的中心。

2 計算與仿真

電機電磁場數值計算是對電磁場的積分和微分方程進行離散化， 形成線性代數方程組，并對線性代數方程組進行求解，以獲得電磁場的近似解。 電機電磁場的二維交變電場求解器所滿足的復數拉普拉斯方程如下：

式中 σ——介質的電導；

ε——介電常數；

ω——激勵角頻率；

φ——標量電位。

電機電磁場的二維靜磁場求解器所滿足的非齊次標量波動方程如下：

式中 A——磁位矢量；

J——電流密度矢量。

電機電磁場的二維渦流場求解器所滿足的波動方程如下：

式中 IT——流過導體的總電流；

Ω——導體橫截面域。

電機電磁場的二維軸向磁場求解器所滿足的齊次波動方程如下：

圖3 傳統(tǒng)音圈電機磁場仿真結果

為進一步驗證改進音圈電機結構的可行性及其相比于傳統(tǒng)音圈電機結構的優(yōu)勢， 筆者采用Ansoft進行了仿真實驗， 圖3為傳統(tǒng)音圈電機磁場仿真結果， 圖4為改進結構音圈電機磁場仿真結果。 由圖3a和圖4a中磁力線分布可知，傳統(tǒng)音圈電機磁力線分布相比改進結構音圈電機磁力線分布更稀疏，因此新結構音圈電機磁場較強，進而可獲得較大的扭矩， 同時新型音圈電機磁力線分布相比傳統(tǒng)音圈電機磁力線分布更為均勻； 由圖3b和圖4b磁場云圖可知，新型音圈電機磁場更均勻、對稱，可以較好地遍及整個區(qū)域，因此新型音圈電機相比于傳統(tǒng)音圈電機在工作時更為穩(wěn)定，同時避免電機對殼體的沖撞，進而降低電機損耗。

圖4 改進結構音圈電機磁場仿真結果

現在用電磁場仿真對比分析兩種模型結構，以進一步確定新模型的優(yōu)點。 分別對兩種模型進行有限元的建模分析（圖3、4）。 在圖中，兩種音圈電機擁有相同的永磁體尺寸、磁軛厚度和氣隙尺寸。 比較兩種模型氣隙磁場的有限元仿真結果可知，改進結構模型的氣隙磁感應強度比傳統(tǒng)模型的氣隙磁感應強度分布更加均勻、集中，而且氣隙磁感應強度也明顯得到很大提高。 這就意味著，在上述同等條件下，改進結構模型的推力常數要高于傳統(tǒng)模型的推力常數。

改進的音圈電機結構模型的磁通回路充分利用了兩個線圈的氣隙作為磁通路。 因為導磁鋼的磁導率遠大于空氣的磁導率，為了有效避免永磁體磁場的能量浪費于非線圈的氣隙，傳統(tǒng)音圈電機結構模型就需要利用導磁鋼作為磁軛建立專門的磁通通路。

3 結果與討論

圖5、6分別為傳統(tǒng)音圈電機和改進結構音圈電機在相同工況條件（線圈電流10A，速度0m/s，位移0m）之下，各自的電磁推力曲線、電機反電動勢曲線和相繞組磁鏈曲線。 由圖5a、6a可知，傳統(tǒng)音圈電機的電磁推力曲線在上升階段出現超調，0.00～0.02ms內電磁推力變化范圍為623.840 80～623.842 52N， 變 化0.001 72N， 后 續(xù) 穩(wěn) 定 在623.842 42N，而改進結構音圈電機的電磁推力曲線相對較穩(wěn)定，未出現超調，在0.00～0.02ms內電磁 推 力 變 化 范 圍 為-1.343 196 ～-1.343 178kN，變化0.000 018kN， 后續(xù)穩(wěn)定在-1.343 178kN；由圖5b和圖6b電機反電動勢曲線可知，傳統(tǒng)音圈電機 反 電 動 勢 在0.00 ～0.02ms 內 變 化 范 圍 為0 ～170mV，最大反電動勢為170mV，改進結構音圈電機反電動勢在0.00～0.02ms 內變化范圍大致為-280～0mV，最大反電動勢絕對值為280mV；由圖5c和圖6c相繞組磁鏈曲線可知，傳統(tǒng)音圈電機相繞組磁鏈在0.00～0.02ms內變化范圍為1.749 678 0～1.749 681 3Wb，變化0.000 003 3Wb，后續(xù)穩(wěn)定在1.749 681 3Wb，改進音圈電機相繞組磁鏈在0.00～0.02ms內變化范圍為0.718 583 1～0.718 588 8Wb，變化0.000 005 7Wb，后續(xù)穩(wěn)定在0.718 588 8Wb。

圖5 傳統(tǒng)音圈電機的仿真曲線

圖6 改進結構音圈電機的仿真曲線

綜上所述，改進電機模型比傳統(tǒng)電機模型有著更加緊湊的結構，能更有效地利用永磁體的磁場能量于線圈氣隙，從而使音圈電機的線圈氣隙磁感應強度在小體積情況下得到有效的提高；改進電機模型比傳統(tǒng)電機模型推力常數大。

4 結束語

針對傳統(tǒng)音圈電機氣隙磁場磁感應強度不足的問題，設計了一種改進的氣隙磁感應強度結構，在傳統(tǒng)音圈電機的基礎上通過增加永磁體使得有限的空間氣隙可獲得更強的磁感應強度，進而提高電機的推力常數， 最后通過Ansoft電磁仿真軟件對所提改進結構進行仿真，并將仿真結果與傳統(tǒng)音圈電機在電磁推力、電機反電動勢和相繞組磁鏈3方面進行比較， 結果表明所提改進結構均有良好性能。