[科普中国]-盘式绕组旋转式音圈电机

简介

旋转式音圈电机由于体积小，安装方便，在航空航天上越来越多地被用来驱动小惯量负载在有限转角内运动。盘式绕组音圈电机结构上具有一定优势，因为其轴向尺寸小，还可以无约束自由转动。影响音圈电机期可靠工作的因素主要有两点，即应力和温升。对盘式绕组旋转式音圈电机不同工作状态下的热载荷进行了分析，并建模对其热应力和热变形进行了仿真计算，计算结果表明所选择材料可以满足音圈电机长期可靠工作要求。论文工作对工程实际具有很好的参考价值1。

在很多航空航天设备上，需要驱动机构驱动一些力矩较小惯量较小的负载，在有限的角度范围内做精确的位置扫描。传统的驱动方式是使用步进电机或有限转角力矩电机，但步进电机力矩波动较大，控制精度低;有限转角电机体积和转动惯量都较大，因此旋转式音圈电机是替代有限转角力矩电机的理想选择。音圈电机(Voice Coil Motor, VCM)是一种特殊结构的电机，有直线运动和旋转运动两种形式。

一个典型的旋转式音圈电机结构如图1所示。

和传统的有限转角力矩电机相比，旋转式音圈电机的突出优势在于:

1体积小，重量轻。传统的有限转角力矩电机一般由定子部件和转子部件两部分组成，这两部分都是圆柱形结构，占据空间较大。旋转式音圈电机则只是占据有限转角范围内的弧形空间，比如±15度，剩余的空间都可以用来装配其它部件。所以，旋转式音圈电机特别适宜于应用在需要考虑驱单元体积和重量的场合。

2安装便利。传统的有限转角力矩电机一般要通过法兰装配定子部件，而旋转式音圈电机一般计成矩形或者圆弧型，通过底角或者底而就可以完成装配，而且要求的精度也不高。

3控制特性极佳。这是旋转式音圈电机最突出的优点。它的动子部件主要由两部分组成，通电的铜线和铝制的底座。由于没有钢等铁磁材料，所以气隙磁场几乎不变，带来的最大好处就是动子惯量小动态性能好，而且输出力矩和控制电流几乎就是线性关系。

音圈电机近年来得到大量应用和推广，自VCM进入独立应用阶段以来，音圈电机首先在欧美和日本等国家得到极大重视。美国BEI Technologies INC公司研制的直线式音圈电机多达几十种，其出力范围在0.3-300N，运动行程为0.5-v50mm;其研制的旋转式音圈电机摆角范围从0-600. BEI Kimco Magnetics公司的音圈电机产品也包括线性型和旋转型，该公司的磁通聚集技术对于减小电气时间常数，提升气隙磁密有重要意义。在音圈电机的计算和设计方而，目前通过较为简单的二维有限元等效替代直线电机的磁场分布情况则较为普遍睁。另外，针对音圈电机温度场和热变形的相关研究并不多见.应用于空间环境下的音圈电机与普通的电机同，既要适应高低温环境，又要解决没有空气对流时候的散热问题。而且由于音圈电机结构的特殊性，其导热问题比普通的永磁电机要复杂。为此，对应用于空间环境下的音圈电机的热载荷进行了分析，在此基础上对盘式绕组旋转式音圈电机的热应力和热变形情况进行了仿真计算，最后进行了实验测试。

盘式绕组旋转式音圈电机的结构一般地，旋转式音圈电机主要用来驱动有限转角惯性负载，所以其动子只是在有限转角范围内做往复摆动。普通磁路结构的旋转式音圈电机是轴向对称双层结构，像图1中显示的那样。该类结构主要有两个缺点:

1)轴向尺寸较大，相当于两个单元电机并列，个别时候给部件装配带来不便。

2)中间有一个磁扼需要套在动子中，不但使定子部件、动子部件互相约束，而且侧而的支撑底座使得动子只能有限转角运动，而不能360度自由旋转。在一些精粗祸合的精密仪器中，粗瞄和精瞄是分阶段操作的，往往需要音圈电机动子随着系统轴系做360度旋转，这时候普通结构的旋转式音圈电机就不能满足要求了。

一个盘式绕组旋转式音圈电机的结构示意图如图2所示。和图1中单极性磁路结构不同的是，这里采用双极性磁路设计，所以电机是单层结构，轴向尺寸大大压缩。另外，由于定子扼已经给主磁通提供足够的磁路，左右两个侧而不需要铁磁性材料支撑，所以动子部件可以360度自由旋转，满足特殊设备需要。

盘式绕组旋转式音圈电机结构分析在航空航天领域，对有限转角负载进行精密伺服驱动，音圈电机是最主要的驱动单元。一般的为减重，也为适应音圈电机的结构特点，设计时音圈电机的动子只能在有限范围内转动。对于一些特殊的设备，要求旋转部分既能连续多圈旋转进行扫描，又能在确定目标范围内进行小范围精密控制。因此，驱动部分的音圈电机动子不能在旋转方向上有机械限制，现有的音圈电机结构都不能满足这个要求，而且目前的产品中都不能实现这个功能。

盘式绕组旋转式音圈电机的结构特点图2-1是目前国外企业研制的典型旋转型音圈电机。这种结构的音圈电机需要左右两侧定子扼组成闭合磁路，因此动子部件的转角范围受到限制，只能在目标范围内转动。此外，该结构音圈电机轴向尺寸较大，不适宜用于一些应用于一些低矮空间的负载驱动。除此之外，由于动子部件横贯整个定子扼，该结构的音圈电机在装配时容易出现机械祸合:即由于磁钢的相互作用力使得在装配电机时，容易破坏横贯的动子部件。

总结对盘式绕组旋转式音圈电机的工作原理进行分析以及结构分析可以得出以下结论:

（1）式绕组旋转式音圈电机的工作原理和其他型式的音圈电机相似。线圈绕组中通以电流在磁场中受到电磁力的作用而产生两种不同的运动形式。但盘式绕组旋转式音圈电机有其特殊的结构特点:包括旋转方向没有机械限制，装配时无机械祸合，轴向尺寸大大降低等等，这对某些特殊场合具有重要的工程意义。

（2)盘式绕组旋转式音圈电机的结构约束体现在轴向厚度主要取决于磁钢厚度，电机径向高度取决于所需最大力矩。通过电机空载等效磁路的分析可以发现:盘式绕组旋转式音圈电机音圈电机的气隙磁密主要取决于永磁体剩磁、永磁体厚度、气隙宽度等等，在设计盘式绕组旋转式音圈电机时需综合考虑这些因素。

(3)盘式绕组旋转式音圈电机中的结构参数对电机的性能具有较大的影响。定子扼厚度增加一倍时，气隙磁密幅值增大9.9 %，电机扼部磁密下降22.3%，同时电机定子扼重量增加一倍。当盘式绕组旋转式音圈电机隔磁宽度增加一倍时，气隙磁密幅值增大4.1 %，气隙磁密平均值变化不大，电机扼部磁密下降3.6%，同时电机旋转方向上宽度增加。这些为此类电机的设计提供大的方向，具体参数的选择必须根据具体应用场合选择。

(4)完成盘式绕组旋转式音圈电机本体方面的基本设计。通过有限元分析软件仿真音圈电机本体中关键性的结构参数对电机性能的影响，综合各方面考虑因素求解出音圈电机本体的基本结构参数，为接下来的理论研究工作提供模型基础。