双磁路旋转式音圈电机的峰值参数与电磁阻尼的研究

作     者：任留阳 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李勇

授予年度：2016年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：旋转式音圈电机 双磁路 峰值参数 电磁阻尼 电枢反应 

摘      要：音圈电机(VCA)是一种只在有限范围内往复运动的特种电机。与传统电机相比,VCAs具有体积小、无齿槽力矩、直接驱动、高定位精度、低转子惯量及线性控制特性等优点,主要用于驱动轻型小惯量负载。按磁路结构来分,音圈电机可分为单磁路VCAs和双磁路VCAs,按运动形式来分,音圈电机又可分为直线式音圈电机(LVCA)和旋转式音圈电机(RVCA),后者主要应用于航空航天等领域的有限转角范围内的精密伺服驱动系统。本文以双磁路旋转式音圈电机为主要研究对象,借助有限元计算软件Maxwell,深入分析了其峰值参数和转子参数的关系、电磁阻尼的机理和抑制方法、电枢反应的机理和抑制方法,并制作样机进行了实验研究。目前关于音圈电机本体设计的文献大多集中在电磁设计和定子参数优化上,忽略了转子参数对电机性能的影响。本文采用简化磁路法推导了旋转式音圈电机的峰值力矩和峰值功耗的解析表达式,并分析了导线直径和线圈有效面积等参数对峰值力矩和峰值功耗的影响。根据其应用特点,还分析了这种电机所特有的安装尺寸和环境温度的影响,并总结了改善旋转式音圈电机峰值转矩特性的几种可行措施。当前国内未见电磁阻尼效应的相关文献。本文分析了单、双磁路RVCAs的电磁阻尼的产生机理,通过理论推导得到了阻尼力的解析表达式,并利用有限元方法进行了验证。证明了单磁路RVCAs中的电磁阻尼由磁场极性不同引起;双磁路RVCAs中的电磁阻尼由磁场层数不同或磁场边缘效应引起,且由磁场层数不同引起的阻尼力的幅值是由磁场边缘效应引起的阻尼力的幅值的30倍。借助ANSYS Workbench软件,仿真验证了铝合金制的转子框架散热性能和强度都优于聚酰亚胺制的转子框架。对于铝合金制的转子框架,横向开口使形变量仅增大了4.24%,纵向开口使形变量增大了5倍,所以纵向开口应该尽量避免。本文还研究了RVCAs的电枢反应问题,在磁路分析的基础上提出了用于抑制双磁路RVCAs电枢反应的导磁体断开结构,并与传统的导磁体开孔结构进行对比,仿真结果证明了定子上下板断开的结构具有最均匀的气隙磁密,还提出了在断口中补充磁钢的结构,以弥补导磁体断开所带来的气隙磁密下降,进而提高转矩。然后又进一步对断口宽度以及断口处补充磁钢的厚度进行了优化,得到了更佳均匀的气隙磁密。最后,研制了样机,并测试了峰值指标、转子框架各个支撑臂之间的电压、转子位于行程不同位置时的峰值转矩,实验结果与理论和仿真分析结果符合,证明了上述分析方法的正确性。