1、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軸平行， 表現 出良好的平

2、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 53 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

3、們所關 心的，為了計算精確，網格要細化，單元邊長為 05；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、力常數都 是較重要的物理量， 它們的大小需滿足設計

4、要求， 因而將這些量設為 狀態變量。尺寸、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 =進行計算，得到輸出力。有限元法通常包括虛功

5、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 14，寬為 6，設計電機行程為 3，再加上2 的支架寬度和余量， 線圈長 9 ，同理減去寬方向的間隙和支架厚度， 線圈寬為 45，則線圈匝數為 200 匝，通入電流為 1，則安匝數為 200。 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

6、，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 1254 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 3 的量程內，最 大變化為 08。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 35，磁軛材料選擇工業純鐵 -4 ，線圈支架材料選 擇硬鋁，線圈為直徑 045 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 13888，理論值為 1586，兩者相差 1972。 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