电子论文-音圈电机的电磁场计算与分析

音圈厚度不但影响电机绕组的安匝数 ,同时影 响气隙磁密 ,两者相互矛盾 。而电机的出力与这两 项乘积成正比 ,因此存在最优厚度使电机出力最大 。 在磁钢厚度 hm = 3 mm 时 ,对应于不同的音圈厚度 , 电机的“力 - 位移 ”曲线如图 5 所示 。图中 , b表示 音圈厚度 。
影响音圈电机性能的结构参数主要包括磁钢厚 度 、音圈厚度 、外磁轭厚度 、极间距离和定动子长度 。 本文在电磁场计算的基础上 ,以电机体积一定为约 束条件 ,定量计算了不同尺寸下电机的出力和“力
析 满足电机的行程要求为主 ,否则会造成电机体积的
度 ,其中影响较大的是磁钢厚度和音圈厚度 。 (3) 为了减小漏磁并降低磁路的饱和程度 ,在
关键词 :音圈电机 ;电磁场 ;数值计算 中图分类号 : TM 383. 4 + 1 文献标识码 : A 文章编号 : 1004 - 7018( 2008) 02 - 0004 - 03
Ca lcula tion and Ana lysis of the Electromagnetic F ield of Vo ice Co il Actua tors
式 (1)表明 :电机的出力主要取决于气隙磁场
的强弱 、线圈的安匝数以及线圈每匝的长度 。由于
各参数互相关联 ,所以必须合理设计各参数 ,才能使 电机具有最优的性能 。具体来说 ,音圈电机的设计 应遵循以下几个基本原则 :
(1) 在电机体积给定的情况下 ,应尽可能增加 气隙磁密与线圈总长度的乘积 ,以提高单位电流产 生的磁推力 。
直径将减小。所以必须合理地设计外磁轭厚度。
算 与
在磁钢厚度和音圈厚度一定时 ,减小电机的外
分 析
磁轭厚度 ,得到电机内部的磁力线分布如图 6所示 。
与图 2相比 ,电机的漏磁明显增大 ,气隙磁场相应地
减弱 。
5
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Key words: voice coil actuators; electromagnetic field; numerical calculation
0 引 言
音圈电机是一种将电信号转换成直线位移的直
流伺服电机 。以音圈电机为动力的直线定位系统具
有整体结构简单 、驱动速度快 、定位精度高等优点 ,
图 10 实验曲线与仿真曲线对比图
5 结 论
通过本文的计算分析 ,可得出以下结论 :
(1) 数值计算是进行音圈电机设计的有效方
法 ,可以准确地计算出电机的出力和特性 。
(2) 影响音圈电机的结构参数包括磁钢厚度 、
图 8 不同极间距离时的“力 - 位移 ”曲线对比
音圈厚度 、外磁轭厚度 、极间距离以及定子和动子长
图 6 减小外磁轭厚度时电机内的磁力线分布
图 7给出了在磁钢厚度 hm = 3 mm、音圈厚度 b = 3. 8 mm 时 ,不同外磁轭厚度所对应的电机“力 位移 ”曲线 。
图 9 不同动子长度时的“力 - 位移 ”曲线对比
4 实验结果
图 7 不同外磁轭厚度时的“力 - 位移 ”曲线对比
从图 7可以看出 :外磁轭厚度过小 ,电机的出力 也较小 ;但外磁轭厚度过大 ,也会降低电机的出力 。 对本文计算的电机 ,外磁轭厚度选为 3 mm 较合理 。 3. 4 极间距离的影响
设De计sig分n a析nd analysis
2008年第 2期
音圈厚度 b = 3. 8 mm、极间距离 c = 2 mm 时 ,对于不 同的动子长度 ,电机的 “力 - 位移 ”曲线如图 9 所 示 。图中 , Lm 表示动子长度 。可见 ,改变动子长度 可以得到更平滑的“力 - 位移 ”曲线 。
设De计sig分n a析nd analysis
音圈电机的电磁场计算与分析
2008年第 2期
邹继斌 ,王 骞
(哈尔滨工业大学 ,黑龙江哈尔滨 150001)
摘 要 :介绍了音圈电机的结构 ;以电磁场计算为基础 ,分析了磁路和电路参数对电机性能的影响 ;根据计算结 果设计了一台样机 ,并进行了实验研究 。仿真和实验结果验证了利用数值计算进行音圈电机设计的有效性 。
图 1 音圈电机结构图
在磁场中放入一环形绕组 ,绕组通电后产生电磁力 , 带动负载作直线运动 ;改变电流的强弱和极性 ,即可 改变电磁力的大小和方向 。
绕组所受到的电磁力 :
F = NB il
(1)
式中 : F 绕组受到的电磁力 ;
N 线圈的总匝数 ;
B 气隙磁密 ;
i 线圈流过的电流 ;
l 线圈平均每匝的长度 。
的磁力线分布 ,如图 2所示 。由此 ,可以得出电机径
向气隙磁密沿轴向的分布 ,进而根据式 ( 1 )计算出
电机的电磁力及“力 - 位移 ”曲线 ,这对简化电机设
计过程 ,缩短开发周期具有重大意义 。
图 2 音圈电机内的磁力线分布
3 设计参数对电机性能的影响
图 3 不同磁钢厚度时电机径向气隙磁密沿轴向的分布图
图 4 不同磁钢厚度时的“力 - 位移 ”曲线对比
由图 3可知 ,磁钢厚度越大 ,气隙磁场越强 ;但 厚度为 3 mm 时 ,其性能较为理想 。 同时可以看出 ,底部磁极对应的气隙磁场略大于外 部磁极对应的磁场 ,这是由于电机内磁路的不对称 而引起的 ;它将造成“力 - 位移 ”曲线左右两段的不 对称 。 3. 2 音圈厚度的影响
算的参考文献仍较少 ,仅有国外的产品介绍可供参
考 。音圈电机的出力和“力 - 位移 ”曲线的计算应
以电磁场计算为基础 。本文在对该电机结构分析的
基础上 ,对电机内的电磁场进行了分析和计算 。在
音 电机体积一定的条件下 ,以提高出力为目标 ,分析了
圈 电
磁路和电路参数的影响 ,并设计了一台样机 ,实验结
(3) 合理设计电机定子和动子的轴向长度 ,以 得到平滑的“力 - 位移 ”曲线 。
2 电磁场计算
音圈电机的设计与分析应以电磁场计算为基
础 。由于音圈电机内的磁场是一个轴对称场 ,所以 可采 用 二 维 有 限 元 法 进 行 计 算 。本 文 以 定 子 长
3015 mm、外径 38 mm 的音圈电机为例进行磁场计 算与设计分析 。
以图 2所示区域作为磁场的求解区域 ,且采用
矢量磁位 A 对音圈电机的电磁场进行计算 。
在计算区域内 ,磁位 A 满足下式 :
52 A 5 r2
+
1 r
5A 5r
-
1 r2
A
+
52 A 5z2
= - μJ
(2)
在本例中 ,可认为磁力线终止于求解边界 ,即边界条
件为 :
A =0
(3)
根据这两个方程 ,通过数值计算可得到音圈电机内
音
可以看出 ,极间距离对电机的出力也有较明显
圈
电 的影响 。对本文的算例 ,极间距离选为 2 mm 时比
机 的
较合理 。
电 磁
3. 5 定子和动子长度的影响
场
定子和动子长度的选取主要影响电机“力 - 位
计
算 移 ”曲线的平滑度 。定子长度一定时 ,适当改变动
与 分
子长度 ,可以使“力 - 位移 ”曲线更平滑 ,但是应以
已广泛应用于计算机磁盘驱动器 、激光微调机 、六自
由度机器人手臂等高新技术设备中 [ 1, 2 ] 。
评价音圈电机的指标包括出力大小和“力 - 位
移 ”曲线的平滑度 。在音圈电机设计中 ,需要合理
确定各个尺寸和电磁参数 , 以得到理想的出力和
“力 - 位移 ”曲线 。尽管音圈电机的结构比较简单 ,
但是设计方法有其特殊性 ,目前关于该电机设计计
ZOU J i - bin, WAN G Q ian (Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)
Abstract: The structure of voice coil actuators was introduced in this paper and the influences of parameters in mag2 netic and electrical circuits to the performance were also discussed based on the calculation of the electromagnetic field. A p rototype was designed according to the results and some experiments were carried out. The experimental and the calculated results confirmed the availability of numerical calculation in the design of voice coil actuators.
本文在对音圈电机的结构和电磁场分析的基础 上 ,根据数值计算得到的优化参数设计了一台样机 , 并进行了实验研究 。其中 ,样机的设计参数为磁钢 厚度 hm = 3 mm、外磁轭厚度 hj1 = 3 mm、音圈厚度 b
= 3. 8 mm、极间距离 c = 2 mm、动子长度 Lm = 3115 mm。图 10给出了该样机的计算和实验结果 。从图 中可见 ,电机的出力较大 ,“力 - 位移 ”曲线的平滑 性较好 ,其设计较为合理 。图中两条曲线的误差小 于 3% ,而这主要是由于在样机中 ,环形磁钢是由平 行充磁的瓦形磁钢拼接而成的 。
- 位移 ”曲线 ,并分析了各参数对电机性能的影响 。 3. 1 磁钢厚度的影响