音圈电机的电磁场计算与分析

    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。

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。以音国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，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。

    评价音圈电机的指标包括出力大小和“力一位移”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“力一位移”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“力一位移”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。在电机体积一定的条件下，以提高出力为目标，分析了磁路和电路参数的影晌，并设计了一台样机，实验结果与设计计算相吻合。

1音圈电机的基本结构与工作原理

    音圈电机的结构如图l所示，主要由定子和动子组成。其中定子包括外磁轭、环形磁钢、隔磁环和内磁轭，动子由音圈绕组和绕组支架组成。

音圈电机的工作原理与电动式扬声器类似，即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=NBil    (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。

    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****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。

(2)减小漏磁，降低磁路的饱和程度，从而减小电机的体积。

(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30．5 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：

在本例中，可认为磁力线终止于求解边界，即边界条件为：

    A=O    (3)

根据这两个方程，通过数值计算可得到音圈电机内的磁力线分布，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。

3设计参数对电机性能的影响

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-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

磁钢厚度越大，则气隙磁场越强，电机的出力也越大，但在电机外径一定的条件下，音圈的直径要减小。因此须适当选择磁钢厚度，才能使电机出力****。

    在保证电机外径和音圈厚度一定的条件下，不同磁钢厚度时电机径向气隙磁密沿轴向的分布图和力一位移”曲线分别如图3、图4所示。计算中为了保证磁路的饱和程度基