略谈音圈电机结构的优化设计

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1新型聚磁式音圈电机传统的聚磁式结构

由轴向充磁磁环、径向充磁磁环和轭铁构成，其性能虽优于轴向充磁式和径向充磁式结构，出力大小也能满足要求，但其出力的平稳性不够好。图6是由ANSYS仿真得到的聚磁式结构气隙磁场随轴向位移变化的曲线，很容易看出随着轴向位移的变化，磁场强度变化较大，这将导致电磁力变化大，出力不平稳。通过研究发现，在聚磁式结构径向充磁磁环下面加一个非导磁材料制成的隔磁环，将径向磁环与轴向磁环分隔开，这样不仅能减小漏磁，更能使气隙磁场均匀，大大改善出力的平稳性。其结构见图7，气隙磁场随轴向位移的变化。在较长的一段轴向位移内，磁感应强度曲线几乎与X轴平行，表现出良好的平稳性，故改进后的新型聚磁式结构将工作得更加平稳可靠。

2音圈电机的优化设计

在确定音圈电机的结构形式后，利用ANSYS对音圈电机进行了优化设计。由于音圈电机不可避免地会有漏磁，所以为了模拟的环境更接近真实情况，在建立的音圈电机模型之外，又建立了3倍于模型面积的空气模型。因此，磁路系统的几何模型中主要是由永磁体、内外磁轭、线圈支架和气隙组成的一个静态磁场回路，几何上为轴对称结构，故可采用二维模型来代替三维模型。另外，磁路系统是关于Y轴对称的，所以对磁路的一半建模即可。对二维静态磁场进行分析，网格划分时采用PLANE53单元，为四边形八节点单元。受力线圈所在气隙处的磁场分布和永磁体的工作点是我们所关心的，为了计算精确，网格要细化，单元边长为0.5mm；其他部分根据磁场强度的大小由密到疏划分网格。设计音圈电机时，应保证有足够的作用力，并兼顾最大磁感应强度、长度和高度等。在优化初始过程中发现，优化结果使气隙面积变得很大，有效线圈长度也变得很大，而磁感应强度变得较小，这样，音圈电机虽然作用力很大，但线圈质量也很大，磁能利用率很低，发热严重。因此，需对气隙中的磁感应强度进行限制。另外，所用的永磁体材料钕铁硼价格较贵，为节省成本，且满足作用力的要求，优化以永磁体体积为目标函数。最大磁感应强度、直径、高度、气隙中的磁感应强度、力常数BL都是较重要的物理量，它们的大小需满足设计要求，因而将这些量设为状态变量。尺寸tqx、dqx、dycn、tycn、dycw、djn、txw等是会影响到永磁体大小、轭铁漏磁程度及音圈电机尺寸大小的结构参数，故将其设为设计变量。优化方法可选用零阶算法或一阶算法。本课题所涉及的模型不是很复杂，所以为了提高运算精度，在机时允许的情况下，采用一阶算法进行优化。经圆整的优化结果。该优化结果使永磁体体积有了较大幅度的减小，高度也较小，力常数和最大磁感应强度均满足要求。

3不同计算方法的计算结果对比

计算音圈电机产生的电磁力可用洛伦兹力法或有限元法获得。洛伦兹力法是通过仿真得到气隙磁场的磁感应强度后，认为气隙中磁感应强度处处相等，再利用公式F=BIL进行计算，得到输出力。有限元法通常包括虚功法和麦克斯韦张量法2种方法计算电磁力。虚功法是基于能量守恒原理和虚位移原理的一种计算方法。麦克斯韦张量法是利用等效的磁张力代替体积力来计算电磁力的方法。两种方法都能在ANSYS中实现。音圈电机中的力常数是通过洛伦兹力法计算获得。为验证力常数的正确性，再用有限元法计算。优化结果中，气隙长为14mm，宽为6mm，设计电机行程为3mm，再加上2mm的支架宽度和余量，线圈长9mm，同理减去宽方向的间隙和支架厚度，线圈宽为4.5mm，则线圈匝数为200匝，通入电流为1A，则安匝数F为200A。将此磁势加载在线圈上，计算其输出力。可看出，有限元法计算结果和洛伦兹力法计算结果较接近，验证了计算的正确性，同时也说明气隙中磁场分布的均匀性。电机的输出力随轴向位移不同而变化，会对控制、稳定性等产生不利影响，故有必要研究设计的音圈电机输出力的变化。对线圈施加1.254A的电流，研究不同轴向位移对输出力的影响，其结果见图9。可看出，输出力随轴向位移不同而出力均匀，在3mm的量程内，最大变化为0.8N。

4样机研制与性能测试

根据仿真计算结果制造出音圈电机，永磁体材料选择钕铁硼N35，磁轭材料选择工业纯铁D-T4A，线圈支架材料选择硬铝，线圈为直径0.45mm的漆包线。音圈电机样机的实物照片见图10，对音圈电机进行出力测试的实验装置。实验过程中，实际测得5组数据。求出力常数的平均值为13.888N/A，理论值为15.86N/A，两者相差1.972N/A。此外，通过测量也得到了力常数随动子位移的变化规律。

5结论

本文的重点在对应用于蠕动进给主轴的微细工具电极夹持用音圈电机进行优化设计，以达到尽量减小其体积、增大其出力的指标。分析和优化工作基于ANSYS有限元分析和优化模块来进行。优化设计完成后，进行加工和出力测试，验证了优化结果的正确性。

作者：张明玮白基成王燕青单位：哈尔滨工业大学机电工程学院