哈尔滨工业大学柴嘉伟、贵献国:音圈电机结构优化及应用综述

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哈尔滨工业大学柴嘉伟、贵献国:音圈电机结构优化及应用综述

柴嘉伟,硕士,研究方向为永磁电机多目标优化。参与项目为高速力矩电机190SJMG-M038CH研发、直线电机XJT140-188系列改进与研发、SSMD技术合作项目等。

哈尔滨工业大学柴嘉伟、贵献国:音圈电机结构优化及应用综述

贵献国,博士,副教授,研究方向为特种电机多物理场耦合优化设计、永磁电机驱动与控制。参与项目为主持台达科技基金项目1项,国家重大科技专项子项目1项,参与国家863项目和重大科技专项项目2项。2015年与深圳科力电机开发系列永磁交流伺服电动机,已经全面实现产业化;2017年与中航三洋压缩机有限公司合作开发高升力电动机。与青岛同日电机有限公司、佛山德玛特智能装备科技有限公司、黑龙江特通电气有限公司、哈工大机器人集团等多个企业有项目合作关系。

音圈电机以其响应速度快、定位精度高等出色的性能,在国民经济的诸多领域得到广泛应用,本文回顾总结国内外学者对音圈电机的研究成果,对音圈电机的技术概况进行总结归纳。有助于读者快速的系统了解音圈电机的发展历程以及研究热点。

音圈电机理论基础

音圈电机是一种基于安培力原理而设计的往复频率极快的直驱式电机,其原理为线圈动子在永磁体中通电后会受安培力作用,如图1。通过控制线圈电流的方向来控制线圈运动的方向,通过控制线圈通过电流的大小来控制线圈所受推力的大小。根据不同的分类方式,音圈电机可以分为:外磁式和内磁式结构、短音圈和长音圈结构、动圈式和动磁式等结构。

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图1 安培力原理图

其中,内磁式结构有效解决了外磁式结构存在的磁干扰问题,但由于结构限制在特定的场合必须使用带有屏蔽的外磁式结构;随着永磁材料的发展,短音圈结构相对于长音圈结构的优势越来越明显;动圈式结构相对于动磁式结构简单,线性推力便于控制,但存在飞线问题;平板型和弧型结构简单,但是推力较小,圆筒型结构相对复杂,但推力较大。

高推力音圈电机

音圈电机的有效气隙较大导致气隙磁通密度较低,进而影响电机的推力,最初设计音圈电机的首要考虑是提高音圈电机的出力。

提高音圈电机推力的优化主要分为两种,一种为磁路优化,即采用多面多磁极结构、聚磁磁极结构和Halbach磁极结构等磁极阵列,在相同的永磁材料用量下,提高气隙磁密,进而实现电机的大推力;另一种为线圈优化,即采用铜铁或铜铝混合线,减小气隙磁阻或动子质量,实现推力的提高,但会增大绕组损耗,故音圈电机高推力的研究主要集中在磁路优化方面。

提高音圈电机定位精度

随着装备制造高精尖发展,在满足推力的基础上对音圈电机的定位精度的要求越来越高,如何提高定位精度是研究的热点之一。

对音圈电机的永磁体、铁轭和端部等结构进行优化,达到均匀动子行程内的磁通密度、抑制音圈电机的端部效应和涡流损耗的目的,都有助于提高电机的定位精度。设计制造多自由度的音圈电机可以减少多个电机实现多自由度运动时误差叠加,有利于实现加工系统的高精度。

音圈电机的应用领域与发展前景

音圈电机以其出色的性能,在摄像头、快速反射镜镜、引线键合机等需要精密控制领域得到应用,随着我国装备制造向着高精尖的发展,相信对于音圈电机有着大量的需求,如光刻机、引线键合机等芯片、半导体加工制造装备。随着智能手机逐步引入多摄像头、光学变焦等技术也会增多音圈电机的需求,音圈电机具有广泛的应用前景。

目前,音圈电机的研究热点有如下几个方面:

1)提高音圈电机的推力

随着稀土材料加工研制工艺的进步,将高性能的永磁材料以及Halbach阵列和多面多磁极等结构应用到音圈电机的设计中,初步解决音圈电机推力低的问题,但电机的推力依然有着巨大的提升空间,新型拓扑结构的构建和高性能材料的应用,都将有助于进一步提高音圈电机的推力。

2)提高音圈电机的定位精度

音圈电机主要应用于高精度领域,提高电机的定位精度是一个永久课题,如优化拓扑结构以均匀磁通密度、抑制端部效应和涡流损耗,研制多自由度电机解决误差积累问题等。音圈电机在理论上具有无限的控制精度,但在实际使用之中会受到外部干扰,进一步加深对音圈电机控制的研究有重要价值。

3)减小音圈电机的体积

在推力不变的前提下,减小电机的体积有利于节省电机的制造材料,同时可间接减小如手机、工作台等设备的体积,节省了设备的制造成本,与国家的“去成本”政策相契合。并且,对于精密医疗仪器如扫描仪,航空设备如反射镜平台等设备的体积有着严格限制,音圈电机的小型化研究有重要的实用价值。

结论

本文结合国内外对音圈电机本体结构的研究,对音圈电机的技术概况进行综述。本文分别对外磁式和内磁式、短音圈和长音圈、动圈式和动磁式、平板型弧型和圆筒型的结构以相应的特点进行全面阐述,对如何提高音圈电机输出力常数和定位精度的方法进行归纳总结,对音圈电机的应用前景和热点问题进行分析讨论。

音圈电机发展至今,以其结构简单、响应速度快、精度高等优越性能得到广泛应用,特别在于手机变焦、精密工作台等高精密领域具有突出优势,相信随着研究的不断深入,音圈电机会得到进一步发展。

引用本文

柴嘉伟, 贵献国. 音圈电机结构优化及应用综述[J]. 电工技术学报, 2021, 36(6): 1113-1125. Chai Jiawei, Gui Xianguo. Overview of Structure Optimization and Application of Voice Coil Motor. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(6): 1113-1125.

DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200725

2021-05-13 原文

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