基于三维磁场计算的永磁音圈电机结构优化设计.pdf

第一章绪论1 ．1引言第一章绪论音圈电机( V o i c eC o i lM o t o r , V C M ) 是一种直线运动电机，属于特种电机范畴，因其工作原理与扬声器相似丽得名V C M 体积小，重量轻，没有传动机构，比推力高，并且定位精确，可有效地消除噪声和自锁死现象自其问世以来，广泛地应用于光盘驱动器、硬盘驱动器、医疗器械、航天仪器( 例如航天制冷机) 、精密测距仪器( 例如霍尔位移测量装置) 、活塞车床刀架和移动( 作为振动电机) 等领域音圈电机具有体积小、比推力大、控制简便、寻道取数速度快、定位精度和刚度都很高的特点，是一种性能非常先进的直线电机按照励磁方式的不同，V C M 可以分为电励磁和永磁体励磁两种由于采用永磁体励磁的V C M 具有结构简单、设计制造相对容易等等不可比拟的优势，使其应用范围远比采用电励磁结构的V C M 广泛本文将着重探讨永磁结构的V C M 永磁材料的发展经过了从2 0 世纪3 0 年代的铝镍钴( A l N i C o ) 永磁，到6 0 年代的铁氧体和稀土永磁，直到最新的钕铁硼( N d F e B ) 永磁的发展过程，相应的永磁V C M 的发展也经过了从采用铁氧体永磁到采用钕铁硼永磁的发展过程。

目前世界钕铁硼材料大部分( 6 0 ％以上) 用来生产计算机硬盘及光盘驱动器的V C M组件，作为寻道和聚焦机构的伺服驱动；与软盘驱动器寻道用的步进电机相比，V C M 响应速度快，控制精度高，适合应用在大容量高密度的存储机构中1 ．2V C M 的特点V C M 属于特种直线电机，较之传统的旋转电机，其特点是很明显的⋯1 ) 采用音圈电机驱动的传动装置，不需要任何转换装置而直接产生推力，因此，它可以省去中间转换机构，简化了整个装置或系统，保证了运行的可靠性，提高传递效率，降低制造成本，易于维护2 ) 普通旋转电机由于受到离心力的作用，其圆周速度受到限制，而音圈电机运行时，它的零部件和传动装置不像旋转电机那样会受到离心力的作用，因而它的直线速度可以不受限制第一章绪论3 ) 音圈电机是通过电能直接产生直线电磁推力的，它在驱动装嚣当中，其运动时可以无机械接触，使传动零部件无磨损，从而大大减少机械损耗4 ) 旋转电机通过钢绳、齿条、皮带等转换机构将旋转运动转换成直线运动，这些转换机构在运行中，其噪声是不可避免的，而音圈电机是靠电磁推力驱动装置运行的，故整个装置或系统噪声很小或无噪声，运行环境好。

由上可见，音圈电机驱动的直线驱动装置与系统从总体上来说，优于通过旋转变换的直线驱动装置与系统但是，由于驱动用音圈电机本身磁路开断所具有的特点，在一些场合的使用中，由于其功率因数和效率与同容量旋转电机相比要低，1 2 1 故在一些直线运动的装置或系统中，是否采用音圈电机应权衡利弊得失1 ．3国内外v 删发展状况在西方和日本等工业发达国家，音圈电机已大量生产，并且应用范围非常广泛，取得了很高的经济效益以美国S M A C 公司生产的音圈电机为例，其用途是作为直线＆旋转／直线执行器线性特性：行程0 1 5 0 m m ，推力1 0 - 5 0 0 N ( 约1 ～5 0 k g ) ，最小可以控制到O ．0 5 N 旋转特性：可多角度旋转，推力达到O ．0 3 ～1 ．0 N ．m ，速度可达到1 5 0 ～5 0 0 0 r ／m i n ，分辨率为0 ．0 7 度( 零背隙齿轮) 、0 ．0 0 7 度( 直接驱动) 其主要应用范围在：①按键、开关检测( 汽车开关检测，按键或P D A 检测，薄膜式按键测试，阀类、感应器、继电器之检测，电脑键盘检测，自动提款机按键检测；②机械手指( 力量可控制，灵敏的触感可处理脆弱零件) ；③高解析度旋转( O ．0 1 度) ；④高周期速率应用( 点焊，疲劳测试等) ：⑤电容器调谐：⑥高速x ．Y 平台；⑦管座插装( 轻力的接触，再增加力量插装，可延长碰触件寿命) ：⑧取件、定位和放置( 石英晶体组装，1 0 0 0 件／d , 时) ；⑨磁盘机组合( 用于磁片盘的测量和定位) 。

由上可见，其设计性能已经达到了较高的水平，且应用范围非常广泛V C M 生产成本中占主要地位的是永磁材料我国是世界上稀土蕴藏量最丰富的国家，具有得天独厚的资源优势，目前稀土永磁的产量也居世界第一，其中钕铁硼永磁的2 0 0 3 年产量达9 5 0 0 吨，占全球总产量的5 0 ．】％与之对比的，由于我国的设计能力与生产制造工艺的落后，V C M 产业化生产至今未能实现并且国内商品化生产的钕铁硼永磁材料稳定性较差，均匀性和一致性与国外有较大差距，因而永磁电动机在高温运行时失磁现象时有发生我国对音圈电机也进行了一些开发，但我们起步较晚，仍处于初期阶段，研究主要集中在工程应用中的设计和电机力矩常数( B L 值) 的测试这两个领域第一章绪论V C M 电机本身及其相关控制系统的设计只是停留在试验阶段由于日本、欧洲等发达国家所具有的先进技术工艺以及强大的科研力量，使得其V C M 成品的价格偏低；而以我国现有的设计与生产条件，自主研发并量产化V C M ，其成本远比进口产品高，性能也未必达到国外产品的水平，这就使得投资在V C M 上的市场风险非常大于是就有了这样的情况发生，一方面我们大量出口永磁材料，另一方面由发达国家加工好的高性能V C M 随着工程装备大量进口。

实际生产中，由于工艺水平不高，达不到设计要求，产业化生产还是空白点1 ．4课题意义在V C M 的结构设计、生产加工和应用中，需要着重对下列问题进行研究和分析[ 2 11 ) 磁路结构和设计计算为了充分发挥各种永磁材料的磁性能，特别是稀土永磁的优异磁性能，用最少的永磁材料和加工费用制造出高性能的V C M ，就不能简单套用传统的永磁电机或电励磁电机的结构和设计计算方法必须建立新的设计概念，重新分析和改进磁路结构和控制系统；必须应用现代设计方法，研究新的分析计算方法，以提高设计计算的准确度；必须研究采用先进的测试方法和工艺2 ) 控制问题V C M 制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其磁场极为困难，不能以改变励磁的方法来调节输出力及响应速度但随着I G B T 、D S P 等电力电子器件和控制技术的迅猛发展，完全可以不必进行磁场控制而只进行电枢控制设计时需要把稀土永磁材料、电力电子器件和微机控制三项技术结合起来，使V C M 在崭新的工况下运行3 ) 不可逆退磁问题如果设计或使用不当，永磁V C M 在过高( 钕铁硼永磁) 或过低( 铁氧体永磁) 温度时，在冲击电流产生的电枢反应作用下，或在剧烈的机械振动时有可能产生不可逆退磁，或者称之为失磁，使电机性能降低，甚至无法使用。

因而，既要研究开发适用于电机制造厂使用的检查永磁材料热稳定性的方法和装置，又要分析各种不同结构形式的抗去磁能力，以便在设计和制造时，采用相应措施来保证永磁v C M 不失磁4 ) 成本问题铁氧体永磁电机，由于结构工艺简单、质量减轻，总成本一般比电励磁电机低，因而得到了极为广泛的应用由于稀土永磁目前价格还比较贵，稀土永磁电第一章绪论V C M 电机本身及其相关控制系统的设计只是停留在试验阶段由于日本、欧洲等发达国家所具有的先进技术工艺以及强大的科研力量，使得其V C M 成品的价格偏低；而以我国现有的设计与生产条件，自主研发并量产化V C M ，其成本远比进口产品高，性能也未必达到国外产品的水平，这就使得投资在V C Mr 的市场风险非常大于足就有了这样的’} 青况发生，一方面我们大量出口永磁利料，另一方面由发达国家加工好的高件能V C M 随着工程装备大量进u 实际生产中，由于工艺水平小高，达小到设计要求，产业化生产还是空白点1 ．4课题意义在V C M 的结构设计、生产加工和应用中，需要着重对下列问题进行研究和分析[ 2 1lj 磁路结构和设计计算为了充分发挥各种永磁材料的磁性能，特别是稀土永磁的优异磁性能，用最少的永磁材料和加：[ ．费用制造出高性能的V C M ，就不能简单套用传统的永磁电机或电励磁电机的结构和设计计算方法。

必须建立新的设计概念，重新分析和改进磁路结构和控制系统；必须应用现代设计方法，研究新的分析计算方法，以提高设计计算的准确度；必须研究采用先进的测试方法和工艺2 ) 控制问题V C M 制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其磁场极为困难，不能以改变励磁的方法来调节输山力及响应速度但随者I G B T 、D S P 等电力电子器件和控制技术的迅猛发展，完全可以不必进行磁场控制而只进行电枢控制设计时需要把稀土永磁材料、电力电了器件和微机控制三项技术结合起来，使V C M 在崭新的工况下运行3 ) 不可逆退磁问题如果设计或使用不当，永磁V C M 在过高( 钕铁硼永磁) 或过低( 铁氧体永磁) 温度时，在冲击电流产生的电枢反应作用下，或在剧烈的机械振动时宵可能产生不可逆退磁，或者称之为失磁，使电机性能降低，甚至无法使用因而，既要研究开发适用于电机制造厂使用的检查永磁材料热稳定性的方法和装置，又要分析各种不同结构形式的抗去磁能力，以便在没计和制造时，采用相应措施来保证永磁V C M 不失磁4 ) 成本问题铁氧体永磁电机，由于结构工艺简单、质量减轻，总成本一般比电励磁电机低，因而得到了极为广泛的应用。

由于稀土永磁目前价格还比较贵，稀| ：永磁电低，因而得到了极为广泛的应用由于稀土永磁目前价格还比较贵，稀土永磁电第一章绪论机的成本一般比电励磁电机高，这需要用它的高性能和运行费用的节省来补偿在某些场合，例如应用在计算机磁盘驱动器中的音圈电动机，采用钕铁硼永磁后性能提高，体积和质量显著减小，总成本反而降低在设计时既需要根据具体使用场合和要求，进行性能、价格的比较后决定取舍，又要进行结构工艺的创新和设计优化以降低成本研究和解决上述课题，将引起电机设计与生产的变革，推动电机学科不断向前发展[ 2 】1 ．5本论文的工作、预期结果和创新点本文将通过对V C M 的力特性及磁场特性进行分析计算，导出V C M 的设计过程和公式方法，其中包括结构设计和材料选择( 包括磁钢、磁轭、音圈等) 针对目前我国V C M 设计制造存在的问题，如：①V C M 没有励磁线圈，怎样保证在一定的气隙内产生所需要的磁通；②大多数应用场合都对V C M 性能要求很高，如快速响应速度、高精度定位、谐振频率高等；③体积过大，限制了其应用场合；④优化控制策略，减小伺服控制部分及整体尺寸：⑤降低成本本文将着重对电机本体进行研究，通过有限元分析软件A N S Y S ，对各类改进的V C M 结构建立模型( 如选择适当材料并优化结构使气隙磁场变强且均匀，通过增加适当厚度的短路环使响应速度提高等) ，在理论分析的基础上，通过磁场仿真分析验证方案；并在此基础上进一步提出V C M 电机的结构优化方案( 如参照双绕组变压器基本理论，采用了短路环夹层结构等) 。

4第二章v C M 电机的结构及基本原理第二章V C M 基本理论与结构本章将介绍V C M 的工作原理及其基本公式，及其各种分类方式及应用范圈最后介绍V C M 的几种典型应用及相应的结构特点2 ．1V C MT 作原理2 ．1 ．1 基本原理音圈电机的电机静子由磁钢和铁柱构成，动子则由质量较好的线圈和骨架组成由磁钢产生的磁场经极靴匀磁，即在动圈行程内产生大致均匀的磁场，当线圈通电后，通电导线在磁场中受到一个轴向电磁力，使音圈运动，其运动速度和方向因电流的大小和方向而异图2 —1 是一种最简单的音圈电机的结构示意图l 一磁轭2 、3 一永磁体 4 一线圈5 一支架图2 ．1 音圈电机结构示意图2 ，1 ，1 ．1电磁力和力常数公式电磁力的表达式为( = B 5 L ／玩是动圈所在处的平均气隙磁通密度，L 是电机动圈绕组导体的总长度，这两个量是表征电机内部的重要参。