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1、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轴平行， 表现 出良好的平
2、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 53 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
3、们所关 心的，为了计算精确，网格要细化，单元边长为 05；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、力常数都 是较重要的物理量， 它们的大小需满足设计
4、要求， 因而将这些量设为 状态变量。尺寸、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 =进行计算，得到输出力。有限元法通常包括虚功
5、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 14，宽为 6，设计电机行程为 3，再加上2 的支架宽度和余量， 线圈长 9 ，同理减去宽方向的间隙和支架厚度， 线圈宽为 45，则线圈匝数为 200 匝，通入电流为 1，则安匝数为 200。 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
6、，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 1254 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 3 的量程内，最 大变化为 08。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 35，磁轭材料选择工业纯铁 -4 ，线圈支架材料选 择硬铝，线圈为直径 045 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 13888，理论值为 1586，两者相差 1972。 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