音圈電機的電磁場計算與分析

    鄒繼斌，王騫

    (哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱150001)

    摘要：介紹了音圈電機的結構；以電磁場計算為基礎，分析了磁路和電路參數對電機性能的影響；根據計算結果設計了一臺樣機，并進行了實驗研究。仿真和實驗結果驗證了利用數值計算進行音圈電機設計的有效性。

0引  言

    音圈電機是一種將電信號轉換成直線位移的直流伺服電機。以音國電機為動力的直線定位系統具有整體結構簡單、驅動速度快、定位精度高等優點，已廣泛應用于計算機磁盤驅動器、激光微調機、六自由度機器人手臂等高新技術設備中。

    評價音圈電機的指標包括出力大小和“力一位移”曲線的平滑度。在音圈電機設計中，需要合理確定各個尺寸和電磁參數，以得到理想的出力和“力一位移”曲線。盡管音圈電機的結構比較簡單，但是設計方法有其特殊性，目前關于該電機設計計算的參考文獻仍較少，僅有國外的產品介紹可供參考。音圈電機的出力和“力一位移”曲線的計算應以電磁場計算為基礎。本文在對該電機結構分析的基礎上，對電機內的電磁場進行了分析和計算。在電機體積一定的條件下，以提高出力為目標，分析了磁路和電路參數的影晌，并設計了一臺樣機，實驗結果與設計計算相吻合。

1音圈電機的基本結構與工作原理

    音圈電機的結構如圖l所示，主要由定子和動子組成。其中定子包括外磁軛、環形磁鋼、隔磁環和內磁軛，動子由音圈繞組和繞組支架組成。

音圈電機的工作原理與電動式揚聲器類似，即在磁場中放入一環形繞組，繞組通電后產生電磁力，帶動負載作直線運動；改變電流的強弱和極性，即可改變電磁力的大小和方向。

  繞組所受到的電磁力：

    F=NBil    (1)

式中：F——繞組受到的電磁力；

    N——線圈的總匝數；

    B——氣隙磁密；

    i——線圈流過的電流；

    l——線圈平均每匝的長度。

    式(1)表明：電機的出力主要取決于氣隙磁場的強弱、線圈的安匝數以及線圈每匝的長度。由于各參數互相關聯，所以必須合理設計各參數，才能使電機具有****的性能。具體來說，音圈電機的設計應遵循以下幾個基本原則：

    (1)在電機體積給定的情況下，應盡可能增加氣隙磁密與線圈總長度的乘積，以提高單位電流產生的磁推力。

(2)減小漏磁，降低磁路的飽和程度，從而減小電機的體積。

(3)合理設計電機定子和動子的軸向長度，以得到平滑的“力-位移”曲線。

2電磁場計算

音圈電機的設計與分析應以電磁場計算為基礎。由于音圈電機內的磁場是一個軸對稱場，所以可采用二維有限元法進行計算。本文以定子長30．5 mm、外徑38 mm的音圈電機為例進行磁場計算與設計分析。以圖2所示區域作為磁場的求解區域，且采用矢量磁位A對音圈電機的電磁場進行計算。

在計算區域內，磁位A滿足下式：

在本例中，可認為磁力線終止于求解邊界，即邊界條件為：

    A=O    (3)

根據這兩個方程，通過數值計算可得到音圈電機內的磁力線分布，如圖2所示。由此，可以得出電機徑向氣隙磁密沿軸向的分布，進而根據式(1)計算出電機的電磁力及“力-位移”曲線，這對簡化電機設計過程，縮短開發周期具有重大意義。

3設計參數對電機性能的影響

影響音圈電機性能的結構參數主要包括磁鋼厚度、音圈厚度、外磁軛厚度、極間距離和定動子長度。本文在電磁場計算的基礎上，以電機體積一定為約束條件，定量計算了不同尺寸下電機的出力和“力-位移”曲線，并分析了各參數對電機性能的影響。

3．1磁鋼厚度的影響

磁鋼厚度越大，則氣隙磁場越強，電機的出力也越大，但在電機外徑一定的條件下，音圈的直徑要減小。因此須適當選擇磁鋼厚度，才能使電機出力****。

    在保證電機外徑和音圈厚度一定的條件下，不同磁鋼厚度時電機徑向氣隙磁密沿軸向的分布圖和力一位移”曲線分別如圖3、圖4所示。計算中為了保證磁路的飽和程度基