高性能辐射取向环对圆柱型音圈电机的影响

林 旻，张 杰，闫阿儒，李 东

(中国科学院宁波材料技术与工程研究所，浙江宁波315201)

0 引 言

作为一种短行程高频率的直线电机，圆柱型音圈电机具有高频响、高精度的特点，广泛应用于机械加工、医疗、半导体、航空等领域，例如阀门制动器、小型精密替换测量仪、振动平台以及主动式减振系统等产品［1］。目前对音圈电机的研究多集中在结构模型设计、反馈控制方法、热平衡分析与应用技术等方面［2－5］，而对其中影响成本与效能的重要部件之一的永磁材料的研究少见报道。因此，我们对烧结法和热压法制得的辐射环进行了静态磁性能和充磁后特性表征，并利用其分别组装了圆柱型音圈电机，分析了两种性能的辐射环对电机的主轴表面磁通、线圈温度和推力大小的影响。

1 音圈电机磁体阵列

电机中常用磁体的形状有方块、瓦片和圆环等［6］。按取向方向不同，永磁环主要分为辐射环、多极环和轴向环三种，如图1所示。其中，多极环和辐射环可以沿着圆周方向充磁，从而产生正弦波形的磁通分布，可适用于一些需要采用特殊磁体阵列的电机中［7］。

图1 磁环的三种取向方式

多极环和辐射环均可进行多极充磁。但对多极环进行多极充磁时，充磁极数与磁环制造时的取向极数必须保持一致，否则将严重影响磁环的磁性能。而对辐射环进行多极充磁时，充磁极数不受限制，如可辐射充磁成内外单极的磁环。因此辐射磁环在使用方面有较多的便利。

辐射环上切出的磁体在直径、切向和轴向的退磁曲线如图2所示，其特点是取向方向的磁性能显著大于另外两个非取向方向的磁性能［8］。

图2 辐射环直径、轴向和切向的磁性能

图3是我们设计的圆柱型音圈电机结构示意图，磁环紧贴电机铁心，电机线圈绕在绝缘骨架外，线圈与磁环之间留有气隙。

图3 圆柱型音圈电机结构示意图

圆柱型音圈电机的剖面为轴对称分布，故通过Maxwell软件有限元仿真获得采用辐射环和轴向环的音圈电机磁力线分布图。由图4可知，对于相同牌号的永磁材料，采用辐射环的电机的气隙磁密明显强于采用轴向环的电机。考虑到音圈电机的结构限制及推力体积比的要求，选用辐射环有利于在气隙中形成更大的径向磁场。

图4 采用辐射环和轴向环的音圈电机的气隙磁密

对于钕铁硼永磁材料，由于其较大的各向异性场使得磁环制造时取向困难，因此采用热压方法比用传统的粉末冶金烧结法，更容易获得高性能的辐射环［9］。烧结环的辐射取向来源于两同极(N或S)电磁铁相对互斥所产生的磁场，因此当环尺寸小时取向效果尤其差。热压环的辐射取向来源于高温下磁体晶粒随压力方向转动，相比之下这种取向方式要均匀得多。两种生产方式对比，烧结环的制造成本低但性能不高，特别是一些小尺寸或大高径比产品成品率很低。而热压环的磁性能高，产品尺寸限制少，但制造成本高，在一定程度上影响了该类产品的市场推广力。

2 实验方法

辐射环的尺寸为外径34mm、内径28mm、高7.5mm，分别采用粉末冶金烧结和热压法制造。

将辐射环沿直径方向切出尺寸1mm×1mm×3mm(取向方向)的磁体，采用振动样品磁强计(VSM)测试20℃ ～120℃退磁曲线。将两种磁环在4 kA电流下辐射充磁，采用三维表面磁通测试仪测试磁环沿圆周和轴向的磁通。

将两种辐射环分别组装成电机主轴，采用三维表面磁通测试仪测试主轴的轴向磁通。将两种电机主轴，先后装入同一音圈电机。

在相同的负荷、线圈、工件台系统和环境温度下，运行同一加减速曲线，通过多路温度采集器检测线圈温度。相同条件下，给线圈通同样大小的直流电，通过六自由度力传感器检测音圈电机推力。

3 结果与讨论

3.1 磁环静态磁性能及充磁后特性表征

图5为烧结辐射环和热压辐射环在20℃ ～120℃(293～393 K)的退磁曲线。从图中可以看出，相同温度下，热压环的剩磁均高于烧结环;热压环的剩磁和内禀矫顽力等静态磁参数随温度升高的降低幅度要小于烧结磁环。

图5 不同温度下辐射环退磁曲线

随后对两种辐射环在相同4 kA电流下进行辐射充磁，采用三维表面磁通测试仪，对比沿圆周和轴向的磁通。从图6(a)可以看出，热压环的圆周磁通要高于烧结环，增幅接近50%。而且热压辐射环的磁通不均匀性要小于烧结磁环，由7%左右下降到约3%，这对于需要磁通波动小的应用领域无疑是有利的。两种环在轴向磁通上存在较大的区别，如图6(b)所示。除预计的热压环轴向磁通更高以外，烧结环的轴向磁通分布存在一较宽的平台，而热压环则呈现抛物线状，因此推测热压环充磁没有达到完全饱和，需要更大的充磁磁场才会出现如烧结环的磁通饱和平台。

图6 辐射环表面磁通

3.2 电机结构和主轴磁通

将充磁后的辐射环固定在音圈电机的铁心，采用三维表面磁通测试仪，由最靠近电机底部处(即图2的电机磁环阵列的左端)向外测试辐射环的外表面磁通，结果如图7所示。可以看出，由于磁环阵列一端有铁心形成导磁回路，而另一端为开路产生漏磁，故整体磁通分布呈现逐渐降低的趋势。和两种环单个的轴向磁通分布相一致，烧结环阵列出现了数个平台，而热压环阵列则出现了数个抛物线。整体上，由于热压环的高磁性能，使得热压环阵列的磁通面积要高于烧结环阵列。对测量结果导出的数据，采用最小二乘法计算两种辐射环轴向磁通所围的面积，两者之比约为1.15，因此预计热压环电机会有较好的性能表现。

图7 两种音圈电机主轴的轴向磁通分布

3.3 电机温升和推力对比

设置Copley电机驱动器(XSJ－10)，让音圈电机往复运行频率7 Hz行程1.5mm的加减速曲线。多路温度采集器(AT4320)每隔5 s采集一次紧贴于线圈之上的热电阻温度，温度信号采集到上位机后，得出两种辐射环电机的温升曲线。当测试过程中电机线圈温度超过85℃停止实验。

两种辐射环组成电机的温升曲线如图8所示，可以看出:无论是在起点或终点，烧结环电机的温升速度明显快于热压环电机，而热压环电机的温升随着时间的延长逐渐趋缓，预计随着时间的延长，温度将达到一个稳定值。以相同的80℃计算，热压环电机到达的时间要比烧结环电机长一倍以上。因此两者对比，热压环电机要更为适合高温和高稳定性下的使用。

图8 两种电机的温升曲线

通过恒流源(固纬 PPE3351)产生1 A、1.25 A、1.5 A的恒定电流，通入采用两种不同辐射环的电机中，采用六自由度力传感器(ATI DAQ F/T)检测音圈电机的推力大小，推力数据通过NI数据采集系统(USB6251)采集到上位机中。通过比较推力大小来得出电机性能高低。

两种辐射环组成的电机在不同电流下的推力，如图9所示，可以看出，在各种电流下，热压环电机的推力要比烧结环电机提高约15%，这一比例也和图7中两种电机磁环阵列轴向磁通围绕面积的比例接近。

图9 不同电流下两种电机的推力对比

4 结 论

(1)热压法制得的永磁辐射环具有更高的磁性能和更好的温度特性。

(2)采用高性能辐射环可提高圆柱型音圈电机的效能，有效降低电机的温升速度和提高电机的推力。

(3)圆柱型音圈电机的推力大小和电机主轴磁体阵列轴向磁通所围的面积成正比。

［1］兴连国，周惠兴，侯书林，等.音圈电机研究及应用综述［J］.微电机，2011，44(8):82－87.

［2］邹继斌，王骞.音圈电机的电磁场计算与分析［J］.微特电机，2008，36(2):4－6.

［3］Banik R，Gweon D－G.Design and optimization of voice coil motor for application in active vibration isolation［J］.Sensors and Actuators A，2007，137(2):236－243.

［4］Li Juan，Liu Yanjie，Sun Lining.Mechanism and control of linear positioning for IC wire bonders［C］//2005 IEEE International Conference on Electronic Packaging Technology.2005:171－174.

［5］Liu Yu，Zhang Ming，Zhu Yu，et al.Optimization of voice coil motor to enhance dynamic response based on an improved magnetic equivalent circuit model［J］.IEEE Transaction on Magnetics，2011，47(9):2247－2251.

［6］唐任远.现代永磁电机理论与设计［M］.北京:机械工业出版社，1997:100.

［7］Kim H J，Kim D H.Application of polar znisotropic NdFeB ring－type permanent magnet to brushless DC motor［J］.IEEE Transaction on Magnetics，2007，43(6):2522－2524.

［8］Grunberger W，Hinz D，Kirchner A，et al.Hot deformation of nanocrystalline Nd－FeB alloys［J］.Journal of Alloys and Compounds，1997，257(1－2):293－301.

［9］Hinz D，Kirchner A，Brown D N，et al.Near net shape production of radially oriented NdFeB ring magnets by backward extrusion［J］.Journal of Materials Processing Technology，2003，135(2－3):358－365.