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1新型聚磁式音圈電機傳統的聚磁式結構

由軸向充磁磁環、徑向充磁磁環和軛鐵構成，其性能雖優于軸向充磁式和徑向充磁式結構，出力大小也能滿足要求，但其出力的平穩性不夠好。圖6是由ANSYS仿真得到的聚磁式結構氣隙磁場隨軸向位移變化的曲線，很容易看出隨著軸向位移的變化，磁場強度變化較大，這將導致電磁力變化大，出力不平穩。通過研究發現，在聚磁式結構徑向充磁磁環下面加一個非導磁材料制成的隔磁環，將徑向磁環與軸向磁環分隔開，這樣不僅能減小漏磁，更能使氣隙磁場均勻，大大改善出力的平穩性。其結構見圖7，氣隙磁場隨軸向位移的變化。在較長的一段軸向位移內，磁感應強度曲線幾乎與X軸平行，表現出良好的平穩性，故改進后的新型聚磁式結構將工作得更加平穩可靠。

2音圈電機的優化設計

在確定音圈電機的結構形式后，利用ANSYS對音圈電機進行了優化設計。由于音圈電機不可避免地會有漏磁，所以為了模擬的環境更接近真實情況，在建立的音圈電機模型之外，又建立了3倍于模型面積的空氣模型。因此，磁路系統的幾何模型中主要是由永磁體、內外磁軛、線圈支架和氣隙組成的一個靜態磁場回路，幾何上為軸對稱結構，故可采用二維模型來代替三維模型。另外，磁路系統是關于Y軸對稱的，所以對磁路的一半建模即可。對二維靜態磁場進行分析，網格劃分時采用PLANE53單元，為四邊形八節點單元。受力線圈所在氣隙處的磁場分布和永磁體的工作點是我們所關心的，為了計算精確，網格要細化，單元邊長為0.5mm；其他部分根據磁場強度的大小由密到疏劃分網格。設計音圈電機時，應保證有足夠的作用力，并兼顧最大磁感應強度、長度和高度等。在優化初始過程中發現，優化結果使氣隙面積變得很大，有效線圈長度也變得很大，而磁感應強度變得較小，這樣，音圈電機雖然作用力很大，但線圈質量也很大，磁能利用率很低，發熱嚴重。因此，需對氣隙中的磁感應強度進行限制。另外，所用的永磁體材料釹鐵硼價格較貴，為節省成本，且滿足作用力的要求，優化以永磁體體積為目標函數。最大磁感應強度、直徑、高度、氣隙中的磁感應強度、力常數BL都是較重要的物理量，它們的大小需滿足設計要求，因而將這些量設為狀態變量。尺寸tqx、dqx、dycn、tycn、dycw、djn、txw等是會影響到永磁體大小、軛鐵漏磁程度及音圈電機尺寸大小的結構參數，故將其設為設計變量。優化方法可選用零階算法或一階算法。本課題所涉及的模型不是很復雜，所以為了提高運算精度，在機時允許的情況下，采用一階算法進行優化。經圓整的優化結果。該優化結果使永磁體體積有了較大幅度的減小，高度也較小，力常數和最大磁感應強度均滿足要求。

3不同計算方法的計算結果對比

計算音圈電機產生的電磁力可用洛倫茲力法或有限元法獲得。洛倫茲力法是通過仿真得到氣隙磁場的磁感應強度后，認為氣隙中磁感應強度處處相等，再利用公式F=BIL進行計算，得到輸出力。有限元法通常包括虛功法和麥克斯韋張量法2種方法計算電磁力。虛功法是基于能量守恒原理和虛位移原理的一種計算方法。麥克斯韋張量法是利用等效的磁張力代替體積力來計算電磁力的方法。兩種方法都能在ANSYS中實現。音圈電機中的力常數是通過洛倫茲力法計算獲得。為驗證力常數的正確性，再用有限元法計算。優化結果中，氣隙長為14mm，寬為6mm，設計電機行程為3mm，再加上2mm的支架寬度和余量，線圈長9mm，同理減去寬方向的間隙和支架厚度，線圈寬為4.5mm，則線圈匝數為200匝，通入電流為1A，則安匝數F為200A。將此磁勢加載在線圈上，計算其輸出力。可看出，有限元法計算結果和洛倫茲力法計算結果較接近，驗證了計算的正確性，同時也說明氣隙中磁場分布的均勻性。電機的輸出力隨軸向位移不同而變化，會對控制、穩定性等產生不利影響，故有必要研究設計的音圈電機輸出力的變化。對線圈施加1.254A的電流，研究不同軸向位移對輸出力的影響，其結果見圖9。可看出，輸出力隨軸向位移不同而出力均勻，在3mm的量程內，最大變化為0.8N。

4樣機研制與性能測試

根據仿真計算結果制造出音圈電機，永磁體材料選擇釹鐵硼N35，磁軛材料選擇工業純鐵D-T4A，線圈支架材料選擇硬鋁，線圈為直徑0.45mm的漆包線。音圈電機樣機的實物照片見圖10，對音圈電機進行出力測試的實驗裝置。實驗過程中，實際測得5組數據。求出力常數的平均值為13.888N/A，理論值為15.86N/A，兩者相差1.972N/A。此外，通過測量也得到了力常數隨動子位移的變化規律。

5結論

本文的重點在對應用于蠕動進給主軸的微細工具電極夾持用音圈電機進行優化設計，以達到盡量減小其體積、增大其出力的指標。分析和優化工作基于ANSYS有限元分析和優化模塊來進行。優化設計完成后，進行加工和出力測試，驗證了優化結果的正確性。

作者：張明瑋白基成王燕青單位：哈爾濱工業大學機電工程學院