盤式繞組旋轉式音圈電機

盤式繞組旋轉式音圈電機是一種新型音圈電機。旋轉式音圈電機由於體積小，安裝方便，在航空航天上越來越多地被用來驅動小慣量負載在有限轉角內運動。盤式繞組音圈電機結構上具有一定優勢，因為其軸向尺寸小，還可以無約束自由轉動。影響音圈電機期可靠工作的因素主要有兩點，即應力和溫升。對盤式繞組旋轉式音圈電機不同工作狀態下的熱載荷進行了分析，並建模對其熱應力和熱變形進行了仿真計算，計算結果表明所選擇材料可以滿足音圈電機長期可靠工作要求。

基本介紹

• 中文名：盤式繞組旋轉式音圈電機
• 外文名：Coil winding rotary drum motor
• 類型：電力設備
• 特點：旋轉式
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

簡介

旋轉式音圈電機由於體積小，安裝方便，在航空航天上越來越多地被用來驅動小慣量負載在有限轉角內運動。盤式繞組音圈電機結構上具有一定優勢，因為其軸向尺寸小，還可以無約束自由轉動。影響音圈電機期可靠工作的因素主要有兩點，即應力和溫升。對盤式繞組旋轉式音圈電機不同工作狀態下的熱載荷進行了分析，並建模對其熱應力和熱變形進行了仿真計算，計算結果表明所選擇材料可以滿足音圈電機長期可靠工作要求。論文工作對工程實際具有很好的參考價值。

在很多航空航天設備上，需要驅動機構驅動一些力矩較小慣量較小的負載，在有限的角度範圍內做精確的位置掃描。傳統的驅動方式是使用步進電機或有限轉角力矩電機，但步進電機力矩波動較大，控制精度低;有限轉角電機體積和轉動慣量都較大，因此旋轉式音圈電機是替代有限轉角力矩電機的理想選擇。音圈電機(Voice Coil Motor, VCM)是一種特殊結構的電機，有直線運動和旋轉運動兩種形式。

一個典型的旋轉式音圈電機結構如圖1所示。

和傳統的有限轉角力矩電機相比，旋轉式音圈電機的突出優勢在於:

1體積小，重量輕。傳統的有限轉角力矩電機一般由定子部件和轉子部件兩部分組成，這兩部分都是圓柱形結構，占據空間較大。旋轉式音圈電機則只是占據有限轉角範圍內的弧形空間，比如±15度，剩餘的空間都可以用來裝配其它部件。所以，旋轉式音圈電機特別適宜於套用在需要考慮驅單元體積和重量的場合。

2安裝便利。傳統的有限轉角力矩電機一般要通過法蘭裝配定子部件，而旋轉式音圈電機一般計成矩形或者圓弧型，通過底角或者底而就可以完成裝配，而且要求的精度也不高。

3控制特性極佳。這是旋轉式音圈電機最突出的優點。它的動子部件主要由兩部分組成，通電的銅線和鋁製的底座。由於沒有鋼等鐵磁材料，所以氣隙磁場幾乎不變，帶來的最大好處就是動子慣量小動態性能好，而且輸出力矩和控制電流幾乎就是線性關係。

音圈電機近年來得到大量套用和推廣，自VCM進入獨立套用階段以來，音圈電機首先在歐美和日本等國家得到極大重視。美國BEI Technologies INC公司研製的直線式音圈電機多達幾十種，其出力範圍在0.3-300N，運動行程為0.5-v50mm;其研製的旋轉式音圈電機擺角範圍從0-600. BEI Kimco Magnetics公司的音圈電機產品也包括線性型和旋轉型，該公司的磁通聚集技術對於減小電氣時間常數，提升氣隙磁密有重要意義。在音圈電機的計算和設計方而，目前通過較為簡單的二維有限元等效替代直線電機的磁場分布情況則較為普遍睜。另外，針對音圈電機溫度場和熱變形的相關研究並不多見.套用於空間環境下的音圈電機與普通的電機同，既要適應高低溫環境，又要解決沒有空氣對流時候的散熱問題。而且由於音圈電機結構的特殊性，其導熱問題比普通的永磁電機要複雜。為此，對套用於空間環境下的音圈電機的熱載荷進行了分析，在此基礎上對盤式繞組旋轉式音圈電機的熱應力和熱變形情況進行了仿真計算，最後進行了實驗測試。

盤式繞組旋轉式音圈電機的結構

一般地，旋轉式音圈電機主要用來驅動有限轉角慣性負載，所以其動子只是在有限轉角範圍內做往復擺動。普通磁路結構的旋轉式音圈電機是軸向對稱雙層結構，像圖1中顯示的那樣。該類結構主要有兩個缺點:

1)軸向尺寸較大，相當於兩個單元電機並列，個別時候給部件裝配帶來不便。

2)中間有一個磁扼需要套在動子中，不但使定子部件、動子部件互相約束，而且側而的支撐底座使得動子只能有限轉角運動，而不能360度自由旋轉。在一些精粗禍合的精密儀器中，粗瞄和精瞄是分階段操作的，往往需要音圈電機動子隨著系統軸系做360度旋轉，這時候普通結構的旋轉式音圈電機就不能滿足要求了。

一個盤式繞組旋轉式音圈電機的結構示意圖如圖2所示。和圖1中單極性磁路結構不同的是，這裡採用雙極性磁路設計，所以電機是單層結構，軸向尺寸大大壓縮。另外，由於定子扼已經給主磁通提供足夠的磁路，左右兩個側而不需要鐵磁性材料支撐，所以動子部件可以360度自由旋轉，滿足特殊設備需要。

盤式繞組旋轉式音圈電機結構分析

在航空航天領域，對有限轉角負載進行精密伺服驅動，音圈電機是最主要的驅動單元。一般的為減重，也為適應音圈電機的結構特點，設計時音圈電機的動子只能在有限範圍內轉動。對於一些特殊的設備，要求旋轉部分既能連續多圈旋轉進行掃描，又能在確定目標範圍內進行小範圍精密控制。因此，驅動部分的音圈電機動子不能在旋轉方向上有機械限制，現有的音圈電機結構都不能滿足這個要求，而且目前的產品中都不能實現這個功能。

盤式繞組旋轉式音圈電機的結構特點

圖2-1是目前國外企業研製的典型旋轉型音圈電機。這種結構的音圈電機需要左右兩側定子扼組成閉合磁路，因此動子部件的轉角範圍受到限制，只能在目標範圍內轉動。此外，該結構音圈電機軸向尺寸較大，不適宜用於一些套用於一些低矮空間的負載驅動。除此之外，由於動子部件橫貫整個定子扼，該結構的音圈電機在裝配時容易出現機械禍合:即由於磁鋼的相互作用力使得在裝配電機時，容易破壞橫貫的動子部件。

總結

對盤式繞組旋轉式音圈電機的工作原理進行分析以及結構分析可以得出以下結論:

（1）式繞組旋轉式音圈電機的工作原理和其他型式的音圈電機相似。線圈繞組中通以電流在磁場中受到電磁力的作用而產生兩種不同的運動形式。但盤式繞組旋轉式音圈電機有其特殊的結構特點:包括旋轉方向沒有機械限制，裝配時無機械禍合，軸向尺寸大大降低等等，這對某些特殊場合具有重要的工程意義。

（2)盤式繞組旋轉式音圈電機的結構約束體現在軸向厚度主要取決於磁鋼厚度，電機徑向高度取決於所需最大力矩。通過電機空載等效磁路的分析可以發現:盤式繞組旋轉式音圈電機音圈電機的氣隙磁密主要取決於永磁體剩磁、永磁體厚度、氣隙寬度等等，在設計盤式繞組旋轉式音圈電機時需綜合考慮這些因素。

(3)盤式繞組旋轉式音圈電機中的結構參數對電機的性能具有較大的影響。定子扼厚度增加一倍時，氣隙磁密幅值增大9.9 %，電機扼部磁密下降22.3%，同時電機定子扼重量增加一倍。當盤式繞組旋轉式音圈電機隔磁寬度增加一倍時，氣隙磁密幅值增大4.1 %，氣隙磁密平均值變化不大，電機扼部磁密下降3.6%，同時電機旋轉方向上寬度增加。這些為此類電機的設計提供大的方向，具體參數的選擇必須根據具體套用場合選擇。

(4)完成盤式繞組旋轉式音圈電機本體方面的基本設計。通過有限元分析軟體仿真音圈電機本體中關鍵性的結構參數對電機性能的影響，綜合各方面考慮因素求解出音圈電機本體的基本結構參數，為接下來的理論研究工作提供模型基礎。