（电机与电器专业论文）基于三维磁场计算的永磁音圈电机结构优化设计.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t v o i c ec o i lm o t o r ( v c m ) i sas p e c i a lt y p eo fl i n e a re l e c t r i cm a c h i n e r y ，w h i c hi ss i m i l a rt ot h e v o i c ec o i lo fl o u d h a i l e ri nw o r kp r i n c i p l e t h ev c mp o s s e s s i n ga d v a n t a g e so fs m a l l v o l u m e ， l i g h t w e i g h ta n df a s t - a c t i o nc a na c h i e v eh i g ho r i e n t a t i o np r e c i s i o na n de q u a l i t yi m p e t u s i th a s b e e na d o p t e di nd i s kd r i v e r so fc o m p u t e r ，s p a c e f l i g h ta p p a r a t u s e s ，p r e c i s er a n g ef i n d e r , e x a c t l a t h ea n dm o b i l et e l e p h o n ew i d e l ys i n c et h ev c mw a se x c o g i t a t e da tp r e s e n t ，t h ev c me x i s t w i d e l yi nc o n s u m p t i o na n dp r o d u c t i o nm a r k e t ，e s p e c i a l l yi nt h et o pg r a d eh o m ee l e c t r i c a l a p p l i a n c ea n dc o m p u t e rm a r k e t t h ep e r m a n e n t - m a g n e tv c m d e s i g na n dc o n f i g u r a t i o no p t i m i z a t i o nh a v eb e e ns t u d i e db a s e do n t h ee x i s t i n gp r o c e s st e c h n i c si no r d e rt os o l v et h es h o r t a g eo fv c md e s i g np r e s e n t l ya n dt h e p r o b l e mo f u n d e r p r o d u c t i o n t h em a i nw o r ka n dr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y ，t h ev c mw o r kt h e o r yh a sb e e ni n t r o d u c e d ，a n d t h ed i f f e r e n t c o n f i g u r a t i o na n d c o r r e s p o n d i n gt r a i to f t h e s es t y l e sh a sb e e np r e s e n t e d ，s u c ha st h ei n n e r - m a g n e t i s mm o t o ra n dt h e o u t e r - m a g n e t i s mm o t o r ，t h el o n g t r a v e lm o t o ra n ds h o r t t r a v e lm o t o r ，t h ec o i l - m o v es t y l ea n d m a g n e t m o v es t y l e ，t h el i n e a rm o t o ra n dt h er o t a r ym o t o r , a n ds oo n t h ep r a r p o s eo fm o m e n t c o n s t a n ta n dt h ei n f l u e n c et ot h ep e r f o r m a n c eo fm o t o rh a sb e e ne x p a t i a t e d a n dt h et y p i c a l a p p l i c a t i o n so fv c m i nc d - r o md r i v e r s ，h a r d d i s kd r i v e sa n dt h et e s t - b e do fe l e c t r i c - b r u s h w h e r ev c mp r o v i d e ss t a t i cp r e s s u r eh a v eb e e ni n t r o d u c e di nd e t a i l s s e c o n d l y ，t h es i m u l a t i o ns o f t w a r ea n s y sh a sb e e nu s e di nt h es i m u l a t i v e d i s c u s s i o no f e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，b a s e do nt h eb a s i ct h e o r yo f v c m t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) a n d i t sa p p l i c a t i o ni nt h es i m u l a t i o no f e l e c t r o m a g n e t i s mh a v eb e e ni n t r o d u c e d t h ev c ms i m u l a t i o n m o d e lh a sb e e ns e tu p ，a n dt h ec a l c u l a t i o n sh a v eb e e nf i n i s h e db a s e do na p p l i c a t i o ne x a m p l e s t h i r d l y ，t h ed e s i g np r o c e s so fp e r m a n e n t m a g n e tv c mh a sb e e ni n t r o d u c e di nd e t a i l s s o m e d e s i g nm e t h o dh a sb e e nb r o n g h tf o r w a r df o rr e f e r e n c e ，f o re x a m p l e ，t h eq u a n t i t a t i v ec a l c u l a t i o n ， w h i c hi n c l u d e st h em a t e r i a lc h o i c eo ft h ep e r m a n e n t m a g n e t ，t h ev o l u m er e c k o n e da n dt h e c o i l c i r c l ec o m p u t a t i o na n dt y p ec h o i c eo f c o i l ，a n dt h eh o l i s t i cs t r u c t u r ed e s i g ni nm e c h a n i s m l a s t l y ，s e v e r a lc o n f i g u r a t i o no p t i m i z a t i o ns c h e m e sh a v e b e e np u tf o r w a r db a s e do nt h e f u n d a m e n t a lo fv c md e s i g n t h ee l e c t r o m a g n e t i s ma n dp e r f o r m a n c es i m u l a t i o ns t u d i e so ft h e s e c o n f i g u r a t i o n sh a v eb e e nf i n i s h e dr e s p e c t i v e l yu s i n ga n s y ss o f t w a r e s e v e r a lp r o j e c t sh a v e b e e nd i s c u s s e di nt h i st h e s i s ，s u c ha st h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h es i n g l e e x c i t a t i o ns t r a c t u r eu s i n g a b s t f t a c t n d f e bp e r m a n e n t m a g n e ta n dt h ec o n v e n t i o n a ld o u b l e e x c i t a t i o n s t r u c t u r eu s i n gf e r r i t e ，t h e i n f l u e n c eo np e r f o r m a n c eo fa d d i n gap o l e b o o ti nv c m ，t h es h o r t e dt u r ne f f e c t so nt h ed y n a m i c r e s p o n dv e l o c i t yo f v c m ，a n d e t c k e yw o r d s ：v o i c ec o i lm o t o r ，p e r m a n e n t - m a g n e t ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，c o n f i g u r a t i o n o p t i m i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究：【作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤生盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：刁易轧 签字目期：膨年，上月琴日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解蠢盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名曼嚷鏖 签字日期：参年2 月屿日 签字日期：盈衅忙月才日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 音圈电机( v o i c ec o i lm o t o r , v c m ) 是一种直线运动电机，属于特种电机范 畴，因其工作原理与扬声器相似丽得名。v c m 体积小，重量轻，没有传动机构， 比推力高，并且定位精确，可有效地消除噪声和自锁死现象。自其问世以来，广 泛地应用于光盘驱动器、硬盘驱动器、医疗器械、航天仪器( 例如航天制冷机) 、 精密测距仪器( 例如霍尔位移测量装置) 、活塞车床刀架和移动电话( 作为振动 电机) 等领域。音圈电机具有体积小、比推力大、控制简便、寻道取数速度快、 定位精度和刚度都很高的特点，是一种性能非常先进的直线电机。 按照励磁方式的不同，v c m 可以分为电励磁和永磁体励磁两种。由于采用 永磁体励磁的v c m 具有结构简单、设计制造相对容易等等不可比拟的优势，使 其应用范围远比采用电励磁结构的v c m 广泛。本文将着重探讨永磁结构的 v c m 。 永磁材料的发展经过了从2 0 世纪3 0 年代的铝镍钴( a l n i c o ) 永磁，到6 0 年 代的铁氧体和稀土永磁，直到最新的钕铁硼( n d f e b ) 永磁的发展过程，相应的永 磁v c m 的发展也经过了从采用铁氧体永磁到采用钕铁硼永磁的发展过程。目前 世界钕铁硼材料大部分( 6 0 以上) 用来生产计算机硬盘及光盘驱动器的v c m 组件，作为寻道和聚焦机构的伺服驱动；与软盘驱动器寻道用的步进电机相比， v c m 响应速度快，控制精度高，适合应用在大容量高密度的存储机构中。 1 2v c m 的特点 v c m 属于特种直线电机，较之传统的旋转电机，其特点是很明显的。 1 ) 采用音圈电机驱动的传动装置，不需要任何转换装置而直接产生推力， 因此，它可以省去中间转换机构，简化了整个装置或系统，保证了运行的可靠性， 提高传递效率，降低制造成本，易于维护。 2 ) 普通旋转电机由于受到离心力的作用，其圆周速度受到限制，而音圈电 机运行时，它的零部件和传动装置不像旋转电机那样会受到离心力的作用，因而 它的直线速度可以不受限制。 第一章绪论 3 ) 音圈电机是通过电能直接产生直线电磁推力的，它在驱动装嚣当中，其 运动时可以无机械接触，使传动零部件无磨损，从而大大减少机械损耗。 4 ) 旋转电机通过钢绳、齿条、皮带等转换机构将旋转运动转换成直线运动， 这些转换机构在运行中，其噪声是不可避免的，而音圈电机是靠电磁推力驱动装 置运行的，故整个装置或系统噪声很小或无噪声，运行环境好。 由上可见，音圈电机驱动的直线驱动装置与系统从总体上来说，优于通过旋 转变换的直线驱动装置与系统。但是，由于驱动用音圈电机本身磁路开断所具有 的特点，在一些场合的使用中，由于其功率因数和效率与同容量旋转电机相比要 低，1 2 1 故在一些直线运动的装置或系统中，是否采用音圈电机应权衡利弊得失。 1 3国内外v 删发展状况 在西方和日本等工业发达国家，音圈电机已大量生产，并且应用范围非常广 泛，取得了很高的经济效益。 以美国s m a c 公司生产的音圈电机为例，其用途是作为直线旋转直线执 行器。线性特性：行程0 1 5 0 m m ，推力1 0 - 5 0 0 n ( 约1 5 0 k g ) ，最小可以控制 到o 0 5 n 。旋转特性：可多角度旋转，推力达到o 0 3 1 0 n m ，速度可达到 1 5 0 5 0 0 0 r m i n ，分辨率为0 0 7 度( 零背隙齿轮) 、0 0 0 7 度( 直接驱动) 。其主 要应用范围在：按键、开关检测( 汽车开关检测，手机按键或p d a 检测，薄 膜式按键测试，阀类、感应器、继电器之检测，电脑键盘检测，自动提款机按键 检测；机械手指( 力量可控制，灵敏的触感可处理脆弱零件) ；高解析度 旋转( o 0 1 度) ；高周期速率应用( 点焊，疲劳测试等) ：电容器调谐： 高速x y 平台；管座插装( 轻力的接触，再增加力量插装，可延长碰触 件寿命) ：取件、定位和放置( 石英晶体组装，1 0 0 0 件d , 时) ；磁盘机 组合( 用于磁片盘的测量和定位) 。 由上可见，其设计性能已经达到了较高的水平，且应用范围非常广泛。 v c m 生产成本中占主要地位的是永磁材料。我国是世界上稀土蕴藏量最丰 富的国家，具有得天独厚的资源优势，目前稀土永磁的产量也居世界第一，其中 钕铁硼永磁的2 0 0 3 年产量达9 5 0 0 吨，占全球总产量的5 0 】。与之对比的，由 于我国的设计能力与生产制造工艺的落后，v c m 产业化生产至今未能实现。并 且国内商品化生产的钕铁硼永磁材料稳定性较差，均匀性和一致性与国外有较大 差距，因而永磁电动机在高温运行时失磁现象时有发生。 我国对音圈电机也进行了一些开发，但我们起步较晚，仍处于初期阶段，研 究主要集中在工程应用中的设计和电机力矩常数( b l 值) 的测试这两个领域。 第一章绪论 v c m 电机本身及其相关控制系统的设计只是停留在试验阶段。由于日本、欧洲 等发达国家所具有的先进技术工艺以及强大的科研力量，使得其v c m 成品的价 格偏低；而以我国现有的设计与生产条件，自主研发并量产化v c m ，其成本远 比进口产品高，性能也未必达到国外产品的水平，这就使得投资在v c m 上的市 场风险非常大。于是就有了这样的情况发生，一方面我们大量出口永磁材料，另 一方面由发达国家加工好的高性能v c m 随着工程装备大量进口。实际生产中， 由于工艺水平不高，达不到设计要求，产业化生产还是空白点。 1 4课题意义 在v c m 的结构设计、生产加工和应用中，需要着重对下列问题进行研究和 分析。 2 1 1 ) 磁路结构和设计计算 为了充分发挥各种永磁材料的磁性能，特别是稀土永磁的优异磁性能，用最 少的永磁材料和加工费用制造出高性能的v c m ，就不能简单套用传统的永磁电 机或电励磁电机的结构和设计计算方法。必须建立新的设计概念，重新分析和改 进磁路结构和控制系统；必须应用现代设计方法，研究新的分析计算方法，以提 高设计计算的准确度；必须研究采用先进的测试方法和工艺。 2 ) 控制问题 v c m 制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其 磁场极为困难，不能以改变励磁的方法来调节输出力及响应速度。但随着i g b t 、 d s p 等电力电子器件和控制技术的迅猛发展，完全可以不必进行磁场控制而只进 行电枢控制。设计时需要把稀土永磁材料、电力电子器件和微机控制三项技术结 合起来，使v c m 在崭新的工况下运行。 3 ) 不可逆退磁问题 如果设计或使用不当，永磁v c m 在过高( 钕铁硼永磁) 或过低( 铁氧体永 磁) 温度时，在冲击电流产生的电枢反应作用下，或在剧烈的机械振动时有可能 产生不可逆退磁，或者称之为失磁，使电机性能降低，甚至无法使用。因而，既 要研究开发适用于电机制造厂使用的检查永磁材料热稳定性的方法和装置，又要 分析各种不同结构形式的抗去磁能力，以便在设计和制造时，采用相应措施来保 证永磁v c m 不失磁。 4 ) 成本问题 铁氧体永磁电机，由于结构工艺简单、质量减轻，总成本一般比电励磁电机 低，因而得到了极为广泛的应用。由于稀土永磁目前价格还比较贵，稀土永磁电 第一章绪论 v c m 电机本身及其相关控制系统的设计只是停留在试验阶段。由于日本、欧洲 等发达国家所具有的先进技术工艺以及强大的科研力量，使得其v c m 成品的价 格偏低；而以我国现有的设计与生产条件，自主研发并量产化v c m ，其成本远 比进口产品高，性能也未必达到国外产品的水平，这就使得投资在v c mr 的市 场风险非常大。于足就有了这样的 青况发生，一方面我们大量出口永磁利料，另 一方面由发达国家加工好的高件能v c m 随着工程装备大量进u 。实际生产中， 由于工艺水平小高，达小到设计要求，产业化生产还是空白点。 1 4课题意义 在v c m 的结构设计、生产加工和应用中，需要着重对下列问题进行研究和 分析。 2 1 lj 磁路结构和设计计算 为了充分发挥各种永磁材料的磁性能，特别是稀土永磁的优异磁性能，用最 少的永磁材料和加： 费用制造出高性能的v c m ，就不能简单套用传统的永磁电 机或电励磁电机的结构和设计计算方法。必须建立新的设计概念，重新分析和改 进磁路结构和控制系统；必须应用现代设计方法，研究新的分析计算方法，以提 高设计计算的准确度；必须研究采用先进的测试方法和工艺。 2 ) 控制问题 v c m 制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其 磁场极为困难，不能以改变励磁的方法来调节输山力及响应速度。但随者i g b t 、 d s p 等电力电子器件和控制技术的迅猛发展，完全可以不必进行磁场控制而只进 行电枢控制。设计时需要把稀土永磁材料、电力电了器件和微机控制三项技术结 合起来，使v c m 在崭新的工况下运行。 3 ) 不可逆退磁问题 如果设计或使用不当，永磁v c m 在过高( 钕铁硼永磁) 或过低( 铁氧体永 磁) 温度时，在冲击电流产生的电枢反应作用下，或在剧烈的机械振动时宵可能 产生不可逆退磁，或者称之为失磁，使电机性能降低，甚至无法使用。因而，既 要研究开发适用于电机制造厂使用的检查永磁材料热稳定性的方法和装置，又要 分析各种不同结构形式的抗去磁能力，以便在没计和制造时，采用相应措施来保 证永磁v c m 不失磁。 4 ) 成本问题 铁氧体永磁电机，由于结构工艺简单、质量减轻，总成本一般比电励磁电机 低，因而得到了极为广泛的应用。由于稀土永磁目前价格还比较贵，稀| ：永磁电 低，因而得到了极为广泛的应用。由于稀土永磁目前价格还比较贵，稀土永磁电 第一章绪论 机的成本一般比电励磁电机高，这需要用它的高性能和运行费用的节省来补偿。 在某些场合，例如应用在计算机磁盘驱动器中的音圈电动机，采用钕铁硼永磁后 性能提高，体积和质量显著减小，总成本反而降低。在设计时既需要根据具体使 用场合和要求，进行性能、价格的比较后决定取舍，又要进行结构工艺的创新和 设计优化以降低成本。 研究和解决上述课题，将引起电机设计与生产的变革，推动电机学科不断向 前发展。 2 】 1 5本论文的工作、预期结果和创新点 本文将通过对v c m 的力特性及磁场特性进行分析计算，导出v c m 的设计 过程和公式方法，其中包括结构设计和材料选择( 包括磁钢、磁轭、音圈等) 。 针对目前我国v c m 设计制造存在的问题，如：v c m 没有励磁线圈，怎 样保证在一定的气隙内产生所需要的磁通；大多数应用场合都对v c m 性能 要求很高，如快速响应速度、高精度定位、谐振频率高等；体积过大，限制 了其应用场合；优化控制策略，减小伺服控制部分及整体尺寸：降低成本。 本文将着重对电机本体进行研究，通过有限元分析软件a n s y s ，对各类改进的 v c m 结构建立模型( 如选择适当材料并优化结构使气隙磁场变强且均匀，通过 增加适当厚度的短路环使响应速度提高等) ，在理论分析的基础上，通过磁场仿 真分析验证方案；并在此基础上进一步提出v c m 电机的结构优化方案( 如参照 双绕组变压器基本理论，采用了短路环夹层结构等) 。 4 第二章v c m 电机的结构及基本原理 第二章v c m 基本理论与结构 本章将介绍v c m 的工作原理及其基本公式，及其各种分类方式及应用范圈 最后介绍v c m 的几种典型应用及相应的结构特点。 2 1v c mt 作原理 2 1 1 基本原理 音圈电机的电机静子由磁钢和铁柱构成，动子则由质量较好的线圈和骨架组 成。由磁钢产生的磁场经极靴匀磁，即在动圈行程内产生大致均匀的磁场，当线 圈通电后，通电导线在磁场中受到一个轴向电磁力，使音圈运动，其运动速度和 方向因电流的大小和方向而异。 图2 1 是一种最简单的音圈电机的结构示意图。 l 一磁轭 2 、3 一永磁体 4 一线圈5 一支架 图2 1 音圈电机结构示意图 2 ，1 ，1 1 电磁力和力常数公式 电磁力的表达式为( = b 5 l 。，玩是动圈所在处的平均气隙磁通密度，l 是 电机动圈绕组导体的总长度，这两个量是表征电机内部的重要参数，只取决于所 给电机的尺寸和材料，所以其乘积易是一个特性参数，称为力常数。 电磁力正比于动圈的体积、磁通密度玩以及电流密度j 。 第二章v c m 电机的结构及基本原理 2112 力平衡方程式 由力学知识可知，电磁力克服了动子的静摩擦力才能使动子产生直线运动。 电机输出的力f 2 并不等于电磁力e ，因为电机本身有机械摩擦存在，设电机本 身摩擦力为f o ，则当只= + r 时，电机处在匀速稳定运动状态。在实际应用 中，往往需要音圈作加速运动，此时c ，2m 象，则电机的平衡方程式变为： e 2 岛十e + 2 只+ f 爪2 f + m 面d v 2 1 1 3 反电动势e 。和电压平衡方程式 1 ) 电枢绕组的反电动势e 。 通有电流，。的电枢绕组( 音圈) 在气隙磁密b 。中会产生电磁力f ，另一方 面电枢绕组一旦产生运动后，就会切割磁力线产生感应电动势， g 。= ( b 。l ) v 2 1 电动机的电压平衡方程式 设音圈端电压为u 。，电枢回路电阻为r 。( 动线圈本身电阻和串联的驱动电 路中的电阻) ，稳态时电枢回路电压平衡方程式为： u 。= e 。+ i o r 。= ( b 。) v + j 。r 。 稳态时电枢电流： 驴等产 实际上音圈电机在控制系统中通常处在动态情况下，此时电枢绕组的电感是 不可忽略的，因而动态时的电压平衡方程式为 “。一。“ + t 鲁 电机工作时，气隙磁场已经是由永磁体和动圈电流共同产生的负载磁场。【2 7 】 动圈电流的存在会使永磁体在退磁曲线上的等效工作点产生移动，这时，气隙磁 场中的永磁体磁通中。、线圈磁通咖。以及漏磁通m ；，都成为动圈位移x 和动圈 电流i 的函数，即： 中m ( x ，i ) = 中。( t ，i ) + 0 5 ( z ，i ) 对于稀土永磁直线电机，其动圈的安匝数通常为永磁体磁动势的2 0 以下， 第二章v c m 电机的结构及基本原理 在电机一般的磁饱和情况下，线圈磁通o ，可以足够精确的表示为： 巾。( x ，i ) = 中( 工，i ) + 中( z ，i ) ， 其中，m 。( 一i ) 是载流线圈磁通；中。( 工，i ) 是电枢反应磁场与线圈交链的径 向磁通。 与此相应的，当v c m 工作时，作用在动圈的电磁力f ( x ，i ) 可认为由两个分 量构成：空载线圈磁场与线圈电流的作用力：) ( 置i ) 、磁路对线圈不对称引起的磁 阻推力：( x ，f ) 。 f ( x ，i ) = 厶( z ，i ) + f a x ，i ) = 中。o ( x ) i w i , + 中。，( x ) i w l 其中，一动圈轴向长度，w 一动圈匝数。 磁阻推力的存在，使得v c m 的动圈在其行程内的比推力不均匀，这对光盘 驱动器伺服系统实现高精度的聚焦定位是非常不利的，应尽量减小。解决的方法 包括采用长极靴、短动圈结构，以及尽量降低磁路的磁饱和程度等。 2 7 1 2 1 2 现有技术的缺点 现有的音圈电机技术，其主要缺点是音圈电机的输出力太小，且电机从启动 到达到稳态有时间延迟。 主要原因在于： 1 ) 音圈中通过的电流太大时，音圈产生的磁场与气隙磁场相互作用，造成 了电机磁场的非线性，限制了电机输出力随着电流增大而增大； 2 ) 音圈工作时温度上升，因而不能够长时间通以大电流。 3 ) 由于线圈电感的存在，工作电流总是渐变地达到稳态。 2 2v c m 力矩常数的意义 2 2 1 力矩常数介绍 力常数是综合反映v c m 性能的主要参数，它直接影响系统的运动速度和精 度。根据不同系统的具体需要，要求音圈电机的比值在系统允许的范围内，并 且在整个电机工作行程中保持相对均匀。 1 ) 对于直线式音圈电机，音圈导体通电后受到的轴向力 f = b l j 其中b 为气隙磁密，为线圈中切割磁力线的导线长度，j 为音圈电流。 2 ) 对于摇臂式音圈电机则受到力矩 第二章v c m 电机的结构及基本原理 m = b l i r 式中，r 为被驱动装跫的力臂长，砚为力矩常数。从而有： b l = f i j b l r = f r i( 21 ) 在上述关系式中，f 、，容易测定，因此公式( 2 一1 ) 常作为电机测试的原理 公式。这里各参数的量纲是f ( 牛顿，) ，( 安培，a ) ，r ( 米，m ) ，b l ( 牛 顿安培，n a ) ，b l r ( 牛米安培，n ，a ) 。 在实际运行过程中，音圈电机总是处在机电暂态过程中，其机电耦合模型可 用下面方程表示： 电压平衡方程： “：r 孚+ r i + ( 皿) v ( 2 2 ) 口f 动力平衡方程： f ：m a ，( b l ) i = ”_ d v ( 2 3 ) 口f 上面公式( 2 2 ) 和( 2 - 3 ) 中， m 为音圈电机运动部分的质量，r 和为音圈 电机线圈的电阻和电感，u 为音圈电机的驱动电压，v 为音圈电机的运动速度。 2 2 2 力矩常数测量方法 综合上述基本公式，可以推导出测量力( 矩) 常数的公式： b l = f i b l r = f r l 高精度的测量结果取决于高精度的电磁力f 测量和高精度的电流控制，以 及相应的数据处理技术。 具体测量中，输出力的测量应采用高精度的拉压力传感器。而电流控制若采 用恒流源电路，难以达到要求的精度，并且不易满足大电流变档的要求；解决的 方法是采用软硬件结合的计算机闭环控制。具体内容可参阅参考论文 8 1 0 1 3 ，本文不再赘述。 2 2 3 力矩常数对v c m 性能的影响 力( 矩) 常数的基本意义就是单位电流能够产生的电磁力的大小。因此，当 力( 矩) 常数越大时，产生相应的力所需的电流值也就越小，这样设计有很多优 点，可以减小电机尺寸，相应的发热量也就减小，并且可以改善气隙磁场的特性。 肛值的波动带来系统整个环路开环增益的波动，从而引起定位精度的变化。 在光盘驱动器和硬盘中，光头( 磁头) 的寻道时间与b 值的平方根成反比，当b l 第二章v c m 电机的结构及基本原理 值增大时，相应的寻道时间可以缩短。 2 3v c m 结构分类 2 3 1 内磁式结构与外磁式结构 根据磁钢在音圈电机中所处的位置不同，音圈电机可以分为内磁式和外磁式 两种结构。如下图2 2 ( a ) 、2 - 2 ( b ) 所示。【3 内磁式音圈电机的磁路比外磁式的短，漏磁较小。当v c m 应用于光盘驱动 器中的光学调焦系统中时，由于激光束要穿过音圈电机，因此音圈电机中间必须 预留一个通光的孔，不宜使用内磁式结构。 6 l o e ：z ： ：；o i 害| | |圈昌 nn 一 ss l 2 i 4 1 、2 、3 - 永磁体，4 一磁轭，5 一线圈，6 一极靴 ( a ) 图2 - 2 外磁式与内磁式v c m 结构示意图 2 3 2 长音圈结构与短音圈结构 按照音圈相对于工作气隙的长度，可以分为长音圈和短音圈结构。其基本结 构如下图2 - 3 ( a ) 和2 3 ( b ) 。 1 ) 长音圈结构的音圈长度( 工作气隙长度+ 最大行程长度) 缺点：长音圈结构充分利用了磁体产生的磁密，但是只有一部分音圈处于工 作气隙中，电功率利用不足；长音圈电机在磁钢轴向长度外侧，有为数不小的漏 磁通。 优点：允许较小的磁铁系统，体积较小。 解决的方法通常有采用双面磁钢和加钢屏蔽环。 第二章v c m 电机的结构及基本原理 2 ) 短音圈结构的工作气隙长度( 音圈长度+ 最大行程长度) 短音圈结构则恰好相反，其整体体积较大，但是功耗小，可以允许较大的电 流通过音圈。 图2 - 3 短音圈与长音圈v c m 结构示意图 2 3 3 动圈式结构与动铁式结构 ( b ) 按照音圈电机中运动的是音圈还是磁铁系统，又可以分为动音圈式结构和固 定音圈( 动铁式) 结构。 动音圈结构中，固定的磁铁可以做大，得到的磁场较强，但由于音圈运动， 容易出现断路故障，且由于产生大量的热量，音圈中的允许电流较小。 固定音圈时，线圈易散热，但是运动的磁铁部分应当尽量减轻重量，因此磁 场较弱。 2 3 4 直线式结构与摇臂式结构 按照动圈部分的具体运动方式，v c m 又可以分为直线式和摇臂式。 一般直线式v c m 较为常见，而摇臂式v c m 多用于计算机硬盘存储器中， 作为寻道伺服电机。相关内容可参阅参考文献 1 2 1 4 1 5 。本文着重研究应用 更为广泛的直线v c m 。 广l l l 塑 第二章v c m 电机的结构及基本原理 2 4v c m 的主要应用范围 按照功能用途，v c m 主要可分为力电机、功电机和能电机。 1 ) 力电机是指v c m 产生的推力，主要作用于在静止物体或低速设备上。 它以短时、低速运行为主，在本章下面的第2 4 3 小节所介绍的v c m 在电刷试 验台上的应用即属于此类；除此之外，还可以用在阀门的开闭、门窗的移动、机 械手的操作、推车等等。这种电机的效率较低，甚至为零( 如对静止物体施加力， 效率即为零) 。对此类电机不能用效率这个指标去衡量它，而是用推力功率的 比来衡量，即在一定的电磁推力下，其输入的功率越小，则说明其性能越好。 2 ) 功电机主要作为长期连续运行的直线电机，可以用效率等指标来衡量其 性能。v c m 在光盘驱动器和硬盘驱动器中的应用即属于此类，在本章2 4 1 和 2 4 2 小节中将予以介绍。 3 ) 能电机是指运动构件在短时间内能产生极高能量的驱动电机，主要是指 在短时间、短距离内提供巨大的直线运动能。这类直线电机的主要性能指标是能 效率。 能效率= 输出的动能电源所提供的电能 下面几小节将介绍v c m 的若干典型应用场合。 2 4 1v c m 在硬盘驱动器中的应用及其结构特点 硬盘的容量是以m b ( 兆) 和g b ( 千兆) 为单位的。早期的硬盘容量低f ， 大多以m b 为单位。1 9 5 6 年9 月i b m 公司制造的世界上第一台硬盘存储系统只 有区区的5 m b ，而现今硬盘技术的飞速发展，使得数百g b 容量的硬盘也进入 到家庭用户当中。6 0 年代研制的1 4 i n ( i n 为非法定单位，1 加= 2 5 4 c m ) 磁盘驱 动器，采用了铁氧体永磁v c m 。自从采用钕铁硼永磁后，驱动器尺寸不断缩小， 数据存取时间显著减少，存储容量增加。1 9 8 4 年磁盘驱动器缩小到以5 2 5 加盘 为主：进入上世纪9 0 年代，3 5 抽磁盘驱动器迅速增长并成为主流：现在2 5 加和 1 8 加磁盘驱动器的技术也基本成熟并投入应用。目前，全世界烧结钕铁硼的大 部分( 6 0 以上) 用来生产计算机硬盘及光盘驱动器的v c m 组件。计算机发展 速度很快，对存储介质要求越来越高，相应的对驱动电机磁钢性能的要求也越来 越高。日、美等国每年的钕铁硼永磁销售量的一半左右用于制造v c m 。 硬盘依据其磁头的驱动方式不同，可以分为步进电机驱动和v c m 驱动两种。 较早的存储设备如软驱和老式硬盘，一般都用步进电机寻道，这是因为当时 的存储密度低，磁道的间隔相对较大，不需要很高的精度。步进电机的特点是每 通一次电就翻转1 2 或1 3 圈，经过机械降速系统( 比如若干齿轮和蜗杆) 达到 第二章v c m 电机的结构及基本原理 需要的位置。步进电机驱动机构的结构紧凑，控制简单，但是整个驱动定位系统 是开环控制，步进电机靠脉冲信号驱动，因此定位精度比较低、存取时间较长。 图2 - 4 硬盘结构图 现在的存储系统存储密度大大增加( 比如光驱和硬盘) ，存储介质的数据轨道 间距非常小，步进电机逐渐不能满足要求，而v c m 的出现弥补了这个问题。 计算机磁盘驱动器中用以驱动读写磁头作往复运动的v c m 需要高性能磁 体，以保证足够的灵敏度、较小的体积和质量，钕铁硼永磁满足了这一要求。 早期的硬盘的寻道指令的执行是靠向步进电机发相应的指令，而现代的硬盘 的寻道是靠一个硬盘上先期写入的伺服信息和对音圈电机的指令来定位。硬盘生 产商利用一个特殊的机器，在硬盘表面写入以同心圆形式分布的密集伺服编码， 这种编码代表了相应位置和硬盘旋转中心的距离，密度是一般磁道密度的一倍到 几倍，利用v c m 线性地控制磁头的移动。磁头移动过程中，不断地读取伺服编 码的信息，硬盘的控制系统就能随时确定硬盘磁头的位置。整个定位系统是一个 带有速度和位置反馈的闭环调节自动控制系统，驱动速度快，而且定位精度高。 现在的磁盘驱动器基本都采用了v c m 驱动和伺服盘定位。 采用v c m 进行磁头定位还有一个优点。对于早期采用步进电机为磁头定位 的硬盘而言，其驱动电源停止供电时磁头所外的磁道位置，也就是磁头停靠的磁 道位置，若不采取必要措施，显然存在划伤磁盘的危险。因用户关机时磁头总是 处于数据区，而处于“0 0 磁道”位置的机会较多。如果“0 0 磁道”以外的其余 数据区被划伤，将使数据信息丢失，并且使磁盘容量减小；而一旦“0 0 磁道” 被划伤，由于引导区受损，硬盘基本报废。对于这类硬盘，为保护数据区域，特 别是“0 0 磁道”的安全，必须在工作结束但关机之前借助专用的磁头复位软件， 第二章v c m 电机的结构及基本原理 将磁头停车在特定的着陆区。而采用音圈电机作为磁头的驱动电机，在其组件中 设有磁头组件复位弹簧，无论在工作过程中磁头处于什么位置，一旦断电，磁头 将在复位弹簧的作用下立即回到着陆区，保证磁头的起飞、着陆动作在着陆区进 行，不会划伤重要的引导区以及数据区。 常见的硬盘驱动器中的寻道取数v c m ，其直径1 0 4 1 4 0 m m ：有效行程5 2 6 0 d i m ，附加行程3 8 4 6 m m 。 2 4 2v c m 在光盘驱动器中的应用及其结构特点 由于音圈电机可以做到相当小的体积，且其重量轻，比推力高，尤其是其动 圈部分可以以直线运动的方式输出力，这些优点使其非常适合应用在计算机光盘 驱动器聚焦伺服部分的力驱动系统中。 光头组件是一个相当复杂的系统，它主要分两个大部分：悬浮的光头和基座。 图2 - 5 光盘驱动器 图2 - 6 光盘驱动器结构图 由于标准光盘( c d - r o m ) 的光刻盘轨呈螺旋状由中心向外沿扩展，其相邻 光道的距离是定值，因此机座的横向移动仍由步进电机来实现，作为粗略的横向 光头定位。这对响应速度的要求并不严格，步进电机完全可以胜任。 第二章v c m 电机的结构及基本原理 惑、i姚雠q 、 i 、：永随阵： 随继 咒 透镜 5 - ：线削6 - - j l f | 腑? t j ! ；| 雠蚓 图2 7 光盘驱动器v c m 结构图 但对于纵向的位移，即光头的聚焦调节，对响应速度的要求非常高。在此情 况下，设计采用v c m 来驱动光头的动子部分是非常必要的。光盘在光驱中不可 能保证与主轴完全垂直，所以对光头而言光盘会不断上下起伏；而光头与光盘必 须严格保证距离以保证良好的聚焦，否则光电接受器不能得到正确的光信号。为 此，光头的高度必须随光盘不断调整，这个过程是由光头和伺服系统实时完成的。 伺服系统发现光头的读取出现偏差( 但是还能勉强读取信号) ，则伺服系统将对 光头的高度进行调整；出现偏差再调整，从而保证光头可以连续不间断的读取信 号。如果没有光盘，初始化后光驱光头开始上下移动，若不能正确对焦，则认定 没有光盘。 其工作原理如图2 7 所示。电机由两块永磁体励磁，工作线圈共有5 个，线 圈1 即为动圈，通直流电后产生z 轴方向的力，用于光头调焦：线圈2 、3 、4 、 5 作串联，通电后作微小位移，主要用于动子部分的y 轴方向的定位。 考虑到音圈电机将应用于光驱中，体积一定要小，所以电机本应有的中轴被 省去。实际电机动子部分的支撑和初步定位是这样实现的：电机动子部分的导线 共有两个回路( 线圈1 是一个回路，线圈2 、3 、4 、5 相串联作为第二个回路) ， 共4 个端子与电源相连，由于选择了具有高弹性的导电材料作为连接线圈和电源 的导线介质，四根弹性导线的空间位置截面呈矩形，这样既可以支撑运动部分， 又可以在光驱工作时给动圈供电。基于这四根支撑导线的弹力，动子的初始位置 ( 线圈不通电时) 在z 轴的最大行程处，系统工作时只需在动圈中通以一个方 向的电流即可，从而简化控制。 4 蜀浏圈h崮 剐崮黼门倒 第二章v c m 电机的结构及基本原理 2 4 3v c m 在电刷试验台中的应用及其结构特点 在电刷试验转台中，需要测量出施于电刷的正压力。在类似这样的应用场合 中，要求电机驱动的动作部分保持静止，而只作为施力单元。 h i 在这里应用到音圈电机是非常适合的。 i ! 一l 。i 斟= 一；纠旃一、：卜求越体 图2 - 8 电刷试验台静压力音圈电机结构图 1 ) 音圈电机的动圈在整个测量系统处于施力状态，行程为零；通过音圈电 机的动圈，把力传递给电刷。 2 ) 音圈电机输出的力精度很高。在施力状态下，其输出特性，= 厂( f ) 有很 高的线性度，在正常工作区间内其输出力基本上正比于工作电流。 电机采用动圈式长音圈结构。为了保证输出力与电流的线性关系，需要在音 圈通电状态下，贯穿于线圈的磁通是恒定的。为此，电机采用了双面磁钢，音圈 导线的两面均正对永磁体，使磁力线尽量集中在沿磁钢轴向长度的位置上。在磁 钢轴向长度的外侧有为数不小的漏磁通，而且分布很不规则。这样一来，当音圈 在气隙中运动时，若轴线偏离磁钢轴线，音圈所链过的磁通将发生变化，从而会 破坏音圈电机出力与电流之间的严格正比关系。 在这个音圈电机的设计中，首先考虑的是如何把磁极轴向长度以外部分的漏 磁通减小到最小程度，采用双面磁钢是一种减小漏磁的方法：另一个重要措施即 沿磁钢轴向长度的两侧，加钢环，使磁钢边缘之磁通被屏蔽环所屏蔽。永磁体采 用温度系数小于万分之十二的钕铁硼材料，确保磁通量不受温度变化的影响。【“】 第三章电机电磁场有限元( f e m ) 仿真分析基本理论 第三章电机电磁场有限元( f e m ) 仿真分析的基本理论 本章主要内容为介绍电机电磁场的基本理论，有限元( t h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o