哈爾濱工業(yè)大學(xué)柴嘉偉、貴獻(xiàn)國(guó)：音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及應(yīng)用綜述

原創(chuàng)2021-05-14 06:58·電氣技術(shù)

作者介紹

柴嘉偉，碩士，研究方向?yàn)橛来烹姍C(jī)多目標(biāo)優(yōu)化。參與項(xiàng)目為高速力矩電機(jī)190SJMG-M038CH研發(fā)、直線電機(jī)XJT140-188系列改進(jìn)與研發(fā)、SSMD技術(shù)合作項(xiàng)目等。

貴獻(xiàn)國(guó)，博士，副教授，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)多物理場(chǎng)耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)、永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制。參與項(xiàng)目為主持臺(tái)達(dá)科技基金項(xiàng)目1項(xiàng)，國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)子項(xiàng)目1項(xiàng)，參與國(guó)家863項(xiàng)目和重大科技專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目2項(xiàng)。2015年與深圳科力電機(jī)開(kāi)發(fā)系列永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)，已經(jīng)全面實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；2017年與中航三洋壓縮機(jī)有限公司合作開(kāi)發(fā)高升力電動(dòng)機(jī)。與青島同日電機(jī)有限公司、佛山德瑪特智能裝備科技有限公司、黑龍江特通電氣有限公司、哈工大機(jī)器人集團(tuán)等多個(gè)企業(yè)有項(xiàng)目合作關(guān)系。

音圈電機(jī)以其響應(yīng)速度快、定位精度高等出色的性能，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，本文回顧總結(jié)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)音圈電機(jī)的研究成果，對(duì)音圈電機(jī)的技術(shù)概況進(jìn)行總結(jié)歸納。有助于讀者快速地系統(tǒng)了解音圈電機(jī)的發(fā)展歷程以及研究熱點(diǎn)。

音圈電機(jī)理論基礎(chǔ)

音圈電機(jī)是一種基于安培力原理而設(shè)計(jì)的往復(fù)頻率極快的直驅(qū)式電機(jī)，其原理為線圈動(dòng)子在永磁體中通電后會(huì)受安培力作用，如圖1。通過(guò)控制線圈電流的方向來(lái)控制線圈運(yùn)動(dòng)的方向，通過(guò)控制線圈通過(guò)電流的大小來(lái)控制線圈所受推力的大小。根據(jù)不同的分類(lèi)方式，音圈電機(jī)可以分為：外磁式和內(nèi)磁式結(jié)構(gòu)、短音圈和長(zhǎng)音圈結(jié)構(gòu)、動(dòng)圈式和動(dòng)磁式等結(jié)構(gòu)。

圖1 安培力原理圖

其中，內(nèi)磁式結(jié)構(gòu)有效解決了外磁式結(jié)構(gòu)存在的磁干擾問(wèn)題，但由于結(jié)構(gòu)限制在特定的場(chǎng)合必須使用帶有屏蔽的外磁式結(jié)構(gòu)；隨著永磁材料的發(fā)展，短音圈結(jié)構(gòu)相對(duì)于長(zhǎng)音圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯；動(dòng)圈式結(jié)構(gòu)相對(duì)于動(dòng)磁式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，線性推力便于控制，但存在飛線問(wèn)題；平板型和弧型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是推力較小，圓筒型結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但推力較大。

高推力音圈電機(jī)

音圈電機(jī)的有效氣隙較大導(dǎo)致氣隙磁通密度較低，進(jìn)而影響電機(jī)的推力，最初設(shè)計(jì)音圈電機(jī)的首要考慮是提高音圈電機(jī)的出力。

提高音圈電機(jī)推力的優(yōu)化主要分為兩種，一種為磁路優(yōu)化，即采用多面多磁極結(jié)構(gòu)、聚磁磁極結(jié)構(gòu)和Halbach磁極結(jié)構(gòu)等磁極陣列，在相同的永磁材料用量下，提高氣隙磁密，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的大推力；另一種為線圈優(yōu)化，即采用銅鐵或銅鋁混合線，減小氣隙磁阻或動(dòng)子質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)推力的提高，但會(huì)增大繞組損耗，故音圈電機(jī)高推力的研究主要集中在磁路優(yōu)化方面。

提高音圈電機(jī)定位精度

隨著裝備制造高精尖發(fā)展，在滿(mǎn)足推力的基礎(chǔ)上對(duì)音圈電機(jī)的定位精度的要求越來(lái)越高，如何提高定位精度是研究的熱點(diǎn)之一。

對(duì)音圈電機(jī)的永磁體、鐵軛和端部等結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到均勻動(dòng)子行程內(nèi)的磁通密度、抑制音圈電機(jī)的端部效應(yīng)和渦流損耗的目的，都有助于提高電機(jī)的定位精度。設(shè)計(jì)制造多自由度的音圈電機(jī)可以減少多個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)時(shí)誤差疊加，有利于實(shí)現(xiàn)加工系統(tǒng)的高精度。

音圈電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)展前景

音圈電機(jī)以其出色的性能，在攝像頭、快速反射鏡鏡、引線鍵合機(jī)等需要精密控制領(lǐng)域得到應(yīng)用，隨著我國(guó)裝備制造向著高精尖的發(fā)展，相信對(duì)于音圈電機(jī)有著大量的需求，如光刻機(jī)、引線鍵合機(jī)等芯片、半導(dǎo)體加工制造裝備。隨著智能手機(jī)逐步引入多攝像頭、光學(xué)變焦等技術(shù)也會(huì)增多音圈電機(jī)的需求，音圈電機(jī)具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前，音圈電機(jī)的研究熱點(diǎn)有如下幾個(gè)方面：

1）提高音圈電機(jī)的推力

隨著稀土材料加工研制工藝的進(jìn)步，將高性能的永磁材料以及Halbach陣列和多面多磁極等結(jié)構(gòu)應(yīng)用到音圈電機(jī)的設(shè)計(jì)中，初步解決音圈電機(jī)推力低的問(wèn)題，但電機(jī)的推力依然有著巨大的提升空間，新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)建和高性能材料的應(yīng)用，都將有助于進(jìn)一步提高音圈電機(jī)的推力。

2）提高音圈電機(jī)的定位精度

音圈電機(jī)主要應(yīng)用于高精度領(lǐng)域，提高電機(jī)的定位精度是一個(gè)永久課題，如優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以均勻磁通密度、抑制端部效應(yīng)和渦流損耗，研制多自由度電機(jī)解決誤差積累問(wèn)題等。音圈電機(jī)在理論上具有無(wú)限的控制精度，但在實(shí)際使用之中會(huì)受到外部干擾，進(jìn)一步加深對(duì)音圈電機(jī)控制的研究有重要價(jià)值。

3）減小音圈電機(jī)的體積

在推力不變的前提下，減小電機(jī)的體積有利于節(jié)省電機(jī)的制造材料，同時(shí)可間接減小如手機(jī)、工作臺(tái)等設(shè)備的體積，節(jié)省了設(shè)備的制造成本，與國(guó)家的“去成本”政策相契合。并且，對(duì)于精密醫(yī)療儀器如掃描儀，航空設(shè)備如反射鏡平臺(tái)等設(shè)備的體積有著嚴(yán)格限制，音圈電機(jī)的小型化研究有重要的實(shí)用價(jià)值。

結(jié)論

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)音圈電機(jī)本體結(jié)構(gòu)的研究，對(duì)音圈電機(jī)的技術(shù)概況進(jìn)行綜述。本文分別對(duì)外磁式和內(nèi)磁式、短音圈和長(zhǎng)音圈、動(dòng)圈式和動(dòng)磁式、平板型弧型和圓筒型的結(jié)構(gòu)以相應(yīng)的特點(diǎn)進(jìn)行全面闡述，對(duì)如何提高音圈電機(jī)輸出力常數(shù)和定位精度的方法進(jìn)行歸納總結(jié)，對(duì)音圈電機(jī)的應(yīng)用前景和熱點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行分析討論。

音圈電機(jī)發(fā)展至今，以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、精度高等優(yōu)越性能得到廣泛應(yīng)用，特別在于手機(jī)變焦、精密工作臺(tái)等高精密領(lǐng)域具有突出優(yōu)勢(shì)，相信隨著研究的不斷深入，音圈電機(jī)會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展。

引用本文

柴嘉偉， 貴獻(xiàn)國(guó). 音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及應(yīng)用綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 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.