圆柱型音圈电机的结构设计与优化研究

摘要

音圈电机是一种直接将电能转换为线性运动机械能，但不需要任何中间转换机构的新型直线驱动电机。其中圆柱型音圈电机结构简单，永磁材料和线圈利用率高，而且具有响应速度快、效率高、推力大、无齿槽效应以及方便控制等优点，适用于高速、高加速度和高频往复运动的数控冲孔机床的驱动系统。近年来，音圈电机在工业生产中的应用越来越多，但是，与其他类型的直线电机一样，音圈电机的应用因为其推力密度小而受限。同时永磁材料也飞速发展，性能越来越高而价格逐步降低，但是在音圈电机的制造成本方面，永磁材料仍然占很大的比例。因此，充分利用永磁材料，对音圈电机进行合理的优化设计，提高电机的推力密度是非常必要的。本文对应用于数控冲孔机床驱动系统的圆柱型音圈电机进行了研究，主要工作包括：
　　首先，根据不同结构类型音圈电机的特点，结合实际应用要求对电机进行了选型和设计。建立了圆柱型音圈电机的等效磁路模型和动态数学模型，应用Ansoft有限元分析软件对其进行了仿真验证。
　　其次，为了提高电机的推力密度，对圆柱型音圈电机的结构进行了优化研究。分别提出了半闭口音圈电机来抑制反向磁通，异形音圈电机来增加永磁体与磁轭的结合面的面积，Halbach型异形音圈电机通过引入Halbach阵列来提高永磁体的利用率，增强电机的气隙磁通密度，从而提高电机的推力密度。
　　最后，对半闭口音圈电机中的半闭口长度，还有Halbach型异形音圈电机中的异形角进行研究，分析了它们对电机气隙磁通密度和推力的影响。然后通过分析永磁体、磁轭和线圈绕组的高度对电机推力的影响进行参数优化。并制作了半闭口音圈电机的样机，搭建实验平台进行了电机的推力测试。

目录

1 绪 论

1.1 课题的研究背景

1.2国内外研究现状

1.3 课题意义

1.4 本课题研究的主要内容

2 音圈电机结构与基本理论

2.1 音圈电机工作原理与结构形式

2.2电机磁场分析基本理论

2.3 圆柱型音圈电机的数学模型

2.4 本章小结

3 圆柱型音圈电机设计

3.1 圆柱型音圈电机设计

3.2 电机次级设计

3.3 电机初级设计

3.4 圆柱型音圈电机电磁场仿真

3.4 本章小结

4 圆柱型音圈电机的优化研究

4.1 优化设计的目的

4.2 半闭口音圈电机

4.3 异形音圈电机

4.4 Halbach型异形音圈电机

4.5 电机样机及实验测试

4.6 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文和专利