高性能辐射取向环对圆柱型音圈电机的影响论文.pdf

计 新 议特电棚 2 o l 3 年 第 4 1 卷 第 4 期 c ， ： 一 一 一 一 一 ： 一 ： 高性能辐射取 向环对圆柱型音圈电机的影响 林 曼， 张杰， 闰阿儒 ， 李 东 ( 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 ， 浙江宁波 3 1 5 2 0 1 ) 摘要： 对粉末冶金烧结和热压工艺制备的两种辐射取 向环进行了磁环和装机对比测试。不同测试温度下， 热压辐射环的静态磁性能均优于烧结辐射环。相同充磁电流下， 同尺寸的热压辐射环圆周磁通比烧结辐射环提高 近 5 0 。将两种辐射环装入同一圆柱型音圈电机， 相同测试条件下， 热压环电机 比烧结环电机增大了 1 5 的推 力， 且到达8 0 截止温度的时间延长一倍 以上， 测试结果表明高性能辐射环可有效提高圆柱型音圈电机的性能。 关键词： 辐射取向环； 热压磁体 ； 圆柱型音圈电机 中图分 类号 ： t m3 0 3 3 文献标识码 ： a 文章编号 ： 1 0 0 4 - 7 0 1 8 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 0 2 8 - 0 3 effe c t s o f hi g h pe rfo r ma nc e ra d i a l l y or i e nt e d ri ng m ag n e t s o n cy l i n dr i c a l vo i c e co i l m o t o r l i n mi n， z ha n g j i e， y a n a- r lz ， l i do n g ( n i n g b o i n s t i t u t e o f ma t e r i a l t e c h n o l o g y&e n g i n e e r i n g ， c a s ， n i n g b o 3 1 5 2 0 1 ， c h i n a ) ab s t r a c t ： ma d e i n t h e s i n t e r e d a n d t h e h o t - p r e s s e d p r o c e s s ，t h e t wo k i n d s o f r a d i a l l y o ri e n t e d ri n g ma g n e t s a n d mo t o r s u s i n g t h e m w e r e c o mp a r e d t h e i n s t i n c t ma g n e t i c p r o p e r t i e s o f t h e h o t p r e s s e d r i n g s a r e b e t t e r t h a n t h o s e o f t h e s i n t e r e d rin g s a t d i f f e r e n t t e mp e r a t u r e c o mp a r e d wi t h t h e s a me d i me n s i o n s o f t h e s i n t e r e d r i n g s ， t h e fl u x a r o u n d t h e h o t p r e s s e d r i n g s i n c r e a s e d n e a r l y 5 0 a t t h e s a me ma g n e t i z e d c u r r e n t t h e n t h e t w o k i n d s o f r a d i a l l y o rie n t e d r i n g s w e r e a s s e mb l e d t o t h e s a me c y l i n d ric a l v o i c e c o i l mo t o r c o mp a r e d wi t h t h e mo t o r w i t h t h e s i n t e r e d r i n g ma g n e t s ， t h e mo t o r w i t h t h e h o t - p r e s s e d r i n g ma g n e t s i n c r e a s e d 1 5 f o r c e a n d mo r e t h a n 1 0 0 t i me b e f o r e s t o p p e d a t 8 0 i n t h e s a me t e s t i n g c o n d i t i o n t h e s e r e s u l t s s h o w t h a t h i g h p e rfo r ma n c e r a d i a l l y o r i e n t e d r i n g ma g n e t s a r e c ri t i c a l f o r t h e c y l i n d r i c al v o i c e c o i l mo t o r ke y wo r d s ： r a d i all y o rie n t e d r i n g ；h o t - p r e s s e d ma g n e t ；c y l i n d r i c al v o i c e c o i l mo t o r 0引 言 作为一种短行程高频率 的直线 电机， 圆柱型音 圈电机具有高频响、 高精度的特点， 广泛应用于机械 加工 、 医疗 、 半导体 、 航空等领域 ， 例如 阀门制动器 、 小型精密替换测量仪 、 振动平 台以及主动式减振系 统等产品。 目前对音圈 电机 的研究 多集 中在结 构模型设计 、 反馈控制方法、 热平衡分析与应用技术 等方面 ， 而对其 中影 响成本与效能 的重要部件 之一的永磁材料 的研究少见报道。因此， 我们对烧 结法和热压法制得的辐射环进行了静态磁性能和充 磁后特性表征 ， 并利用其分别组装 了圆柱型音 圈电 机 ， 分析了两种性能的辐射环对电机的主轴表面磁 通 、 线圈温度和推力大小的影响。 1音圈电机磁体阵列 电机中常用磁体的形状有方块、 瓦片和圆环 等 。按取向方 向不 同， 永磁 环主要 分为辐射环 、 多极环和轴向环三种， 如图1 所示。其中， 多极环和 辐射环可 以沿着圆周方 向充磁 ， 从而产生正弦波形 收稿 13 期 ： 2 0 1 2 - 1 1 1 7 基金项 目： 国家科技部国际合作项 目 ( 2 0 1 0 d f b 5 3 7 7 0 ) 的磁通分布 ， 可适用于一些需要采用特殊磁体阵列 的电机 中 j 。 ( a )辐射 ( b )多极 ( c )轴向 图 1 磁环的三种取向方式 多极环和辐射环均可进行多极充磁。但对多极 环进行多极充磁时 ， 充磁极数与磁环制造时的取 向 极数必须保持一致 ， 否则将严重影响磁环的磁性能。 而对辐射环进行多极充磁时， 充磁极数不受限制， 如 可辐射充磁成 内外单极的磁环。因此辐射磁环在使 用方面有较多的便利 。 辐射环上切出的磁体在直径、 切 向和轴向的退 磁 曲线如图2 所示 ， 其特点是取向方 向的磁性能显 图2 辐射环直径、 轴向和切向的磁性能 l ， ld 2 8 4 1 o 0 |i 、 高性能辐射取向环对圆柱型音 圈电 机的 影响 蔓 熏 蔓 塑 著大于另外两个非取 向方 向的磁性能 。 图 3是我 们设 计的 圆柱型音 圈电机结构 示意 图， 磁环紧贴电机铁心 ， 电机线 圈绕在绝缘骨架 外， 线圈与磁环之间留有气隙。 图 3 圆柱型音 圈电机结构不 意图 圆柱型音圈电机的剖面为轴对称分布 ， 故通过 ma x w e l l 软件有限元仿真获得采用 辐射环和轴 向环 的音圈电机磁力线分布 图。由图 4可知 ， 对于相 同 牌号的永磁材料 ， 采用辐射环的电机的气 隙磁密 明 显强于采用轴向环的电机。考虑到音圈电机的结构 限制及推力体积比的要求， 选用辐射环有利于在气 隙中形成更大的径向磁场。 图 4 采用辐 射环和轴向环的音圈电机的气隙磁密 对于钕铁硼永磁材料 ， 由于其较大的各 向异性 场使得磁环制造时取 向困难 ， 因此采用热压方法 比 用传统的粉末冶金烧结法， 更容易获得高性能的辐 射环 。烧结环的辐射取向来源于两同极( n或 s ) 电磁铁相对互斥所产生 的磁场 ， 因此当环尺寸小时 取 向效果尤其差 。热压环的辐射取 向来源于高温下 磁体晶粒随压力方 向转动 ， 相 比之下这种取 向方式 要均匀得多。两种生产方式对 比， 烧结环 的制造成 本低但性能不高， 特别是一些小尺寸或大高径比产 品成品率很低。而热压环的磁性能高， 产品尺寸限 制少， 但制造成本高， 在一定程度上影响了该类产品 的市场推广力。 2实验方法 辐射 环 的 尺寸 为外 径 3 4 m m、 内径2 8 m m、 高 7 5 mm， 分别采用粉末冶金烧结和热压法制造 。 将辐射环沿直径方 向切出尺 寸 1 m m 1 m m 3 m m( 取 向 方 向 )的 磁 体 ， 采 用 振 动 样 品 磁 强 计 ( v s m) 测试 2 0 一1 2 0 退磁 曲线。将两种磁环在 4 k a电流下辐射充磁 ， 采用三维表面磁通测试仪测 试磁环沿圆周和轴 向的磁通 。 将两种辐射环分别组装成电机主轴， 采用三维 表面磁通测试仪测试主轴的轴向磁通。将两种电机 主轴， 先后装入同一音圈电机。 在相同的负荷 、 线 圈、 工件 台系统和环境温度 下 ， 运行 同一加减速曲线 ， 通过多路温度采集器检测 线圈温度 。相同条件下 ， 给线 圈通 同样大小的直流 电， 通过六 自由度力传感器检测音圈电机推力 。 3结果 与讨论 3 1磁环静态磁性能及充磁后特性表征 图 5为烧 结辐 射 环 和热 压辐 射 环在 2 o 1 2 0 ( 2 9 33 9 3 k) 的退磁 曲线。从 图中可 以看 出， 相同温度下 ， 热压 环的剩磁均高于烧结环； 热压 环 的剩磁和 内禀矫顽力等静态磁参数随温度升高的 降低幅度要小于烧结磁环。 ( a )烧结环 ( b )热压环 图 5 不同温度下辐射环退磁曲线 随后对两种辐射环在相同 4 k a电流下进行辐 射充磁 ， 采用三维表面磁通测试仪 ， 对比沿圆周和轴 向的磁通。从图 6 ( a ) 可以看出， 热压环的圆周磁通 要高于烧结环， 增幅接近 5 0 。而且热压辐射环的 磁通不均匀性要小于烧结磁环， 由 7 左 右下降到 约 3 ， 这对于需要磁通波动小的应用 领域无 疑是 有利的。两种环在轴 向磁通上存 在较大 的区别 ， 如 图6 ( b ) 所示。除预计的热压环轴向磁通更高以外， 烧结环的轴 向磁通分 布存在一较宽的平 台， 而热压 环则呈现抛物线状 ， 因此推测热压环充磁没有达到 完全饱和 ， 需要更大的充磁磁场才会出现如烧结环 的磁通饱和平台。 高 性 能 辐 射 取 向 环 ( a )圆周方向 ( b )轴向方向 j 对 图 6辐 射 环 表 面 磁 通 i 霹 3 2电机结构和主轴磁通 型 将充磁后的辐射环固定在音圈电机的铁心， 采i 圈 用三维表面磁通测试仪， 由最靠近电机底部处( 即 ； 图2的电机磁环阵列的左端) 向外测试辐射环的外j 表面磁通 ， 结果如图7所示。可以看出， 由于磁环阵 响 列一端有铁心形成导磁回路， 而另一端为开路产生 漏磁， 故整体磁通分布呈现逐渐降低的趋势。和两 2 9 一 一 一 一 叠 _若 讣lj 吒0 高 性 计 斩 饭持电棚 2 0 1 3 年 第 4 l 卷 第 4 期 ， z 一 - - 一 ： = ： 种环单个的轴向磁通分布相一致 ， 烧结环阵列出现 了数个平 台， 而热压环 阵列 则出现 了数个抛物线。 整体上， 由于热压环的高磁性能， 使得热压环阵列的 磁通面积要高于烧结环阵列 。对测量结果导出的数 据， 采用最小二乘法计算两种辐射环轴向磁通所围 的面积 ， 两者之 比约为 1 1 5 ， 因此预计 热压 环电机 会有较好 的性能表现 。 d m nl 图7 两种音圈电机主轴的轴向磁通分布 3 3电机温升和推力对 比 设置 c o p l e y电机驱动器 ( x s j 一 1 0 ) ， 让音圈电机 往复运行频率 7 hz 行程 1 5 m m的加减速 曲线。多 路温度采集器( a t 4 3 2 0 ) 每隔 5 s 采集一次紧贴于线 圈之上的热电阻温度 ， 温度信号采集到上位机后 ， 得 出两种辐射环电机的温升曲线 。当测试过程中电机 线圈温度超过 8 5 c 停止实验。 两种辐射环组成 电机的温升曲线如图 8所示 ， 可以看出： 无论是在起点或终点， 烧结环电机的温升 速度明显快于热压环 电机 ， 而热压环 电机的温升随 着时间的延长逐渐趋缓 ， 预计随着时间的延长 ， 温度 将达到一个稳定值。以相同的8 0 c 计算， 热压环电 机到达的时间要 比烧结环电机长一倍 以上。因此两 者对 比， 热压环电机要更为适合高温和高稳定性下 的使用。 1 6 ： 琵 ： 6 ： 0 t | 图9 不同电流下两种电机的推力对比 4结论 ( 1 )热压法制得的永磁辐射环具有更高的磁性 能和更好的温度特性。 ( 2 ) 采用高性能辐射环可提高圆柱型音圈电机 的效能， 有效降低电机 的温升速度和提 高电机的推 力。 ( 3 )圆柱型音圈电机 的推力大小和电机主轴磁 体阵列轴向磁通所 围的面积成正比。 参考文献 1 兴连国， 周惠兴， 侯书林 ， 等 音圈电机研究及应用综述 j 微 电机 ， 2 0 1 1 ， 4 4 ( 8 ) ： 8 2 8 7 2 邹继斌， 王骞 音圈电机的电磁场计算与分析 j 微特电机， 2 0 0 8， 3 6 ( 2 ) ： 4 - 6 3 b a n i k r， g w e o n d g d e s i g n a n d o p t i m i z a t i o n o f v o i c e c o i l m o t o r f o r a p p l i c a t i o n i n a c t i v e v i b r a t i o n i s o l a t i o n j s e n s o m a n d a c tu a t o r s a， 2 0 0 7 ， 1 3 7 ( 2 ) ： 2 3 6 2 4 3 4 l i j u a n ， l i u y a n j i e ， s u n l i n i n g me c h a n i s m a n d c o n t r o l o f l i n e a r p o s i t i o n i n g f o r i c w i r e b o n d e r s c 2 0 0 5 i e e e i n t e r n a t i o n a l co n f e r e n c e o n ele c t r o n i c pa c k a g i n g t e c h n o l o g y 2 0 0 5： 1 7 1 -1 7 4 5 l i u y u ， z h a n g mi n g ， z h u yu ， e t a 1 o p t i m i z a t i o n o f v o i c e c o i l no - t o r t o e n h a n c e d y n a mi c r e s p o n s e b a s e d o n a n i mp r o v e d ma gn e t i c e q u i v a l e n t c i r c u i t mo d e l j i e e e t r a n s a c t i o n o n m a g n e t i c s ， 2 0 1 1 ， 4 7 ( 9 ) ： 2 2 4 72 2 5 1 6 唐任远 现代永磁电机理论 与设 计 m 北 京 ： 机械工 业出版 社 ， 1 9 9 7 ： 1 0 0 7 ki m h j ， k i m d h a p p l i c a t i o n o f p o l a r z n i s o t r o p i e n d f e b r i n g t y p e p e r m