盘式绕组旋转式音圈电机的研究

摘要

音圈电机是一种结构特殊的电磁机构。根据其运动轨迹可分为直线式音圈电机和旋转式音圈电机。由于具有响应速度快、结构简单、体积小、无齿槽效应、定位精度高等特性，音圈电机在很多场合中得到越来越广泛的应用。在航空航天领域，当负载为有限转角旋转且对位置精度要求较高时，音圈电机已经代替传统的力矩电机成为这类工程应用中的主流产品。为了适应某些特殊领域微型轻量的要求，设计时音圈电机的动子只能在有限角度范围内转动。对于一些特殊的场合，要求旋转部分既能连续多圈旋转进行扫描，又能在确定目标范围内进行小范围精密控制，所以音圈电机的动子部分在旋转方向上不能有机械限制。现有的音圈电机结构都不能满足这个要求，而且目前的产品中都不能实现这个功能。
　　本文研制了一种特殊结构的盘式绕组旋转式音圈电机。首先介绍了盘式绕组旋转式音圈电机的原理，对其结构的特殊性进行了分析。给出了此类电机在结构设计时的结构参数约束条件，推导了电机空载时的等效磁路。通过有限元软件进行了模型仿真与性能计算，给出了不同结构参数对电机综合性能的影响。剖析了音圈电机中：电枢反应引起气隙磁密畸变致使电机出力不均匀这一共性问题。给出了不同定子底座材料时的气隙磁密、最大力矩和重量的计算结果对比，给出不同场合下选用不同定子底座材料的依据。
　　当前国内外对音圈电机中的损耗、温度场计算、热应力及其热变形分析较少。本文分析了盘式绕组旋转式音圈电机在扫描工况下的电机损耗问题，包括定子铁心损耗、永磁体涡流损耗、盘式绕组铜耗。指出了电机温升的主要来源，根据温度场常用的热源载荷对音圈电机的温度场进行计算，并与热应力进行耦合，分析了机构的热应力和热变形情况，指出在精密配合处的材料选取原则。
　　由于本文研制的音圈电机工况特殊，文章最后对音圈电机进行了结构的优化。通过S-N曲线方法对优化结构进行了音圈电机的强度校核，分析了机构的疲劳寿命，给出了机构的极限屈服强度。最后对研制的样机进行了包括电气时间常数、气隙磁密、力矩系数等方面的实验。结果表明本文研制的音圈电机满足设计要求。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 音圈电机的发展与国内外研究现状

1.3 音圈电机的分类

1.4 本文的主要研究内容

第2章 盘式绕组旋转式音圈电机的原理和结构分析

2.1 引言

2.2 盘式绕组旋转式音圈电机的工作原理

2.3 盘式绕组旋转式音圈电机结构分析

2.4 结构参数对盘式绕组旋转式音圈电机性能的影响

2.5 本章小结

第3章 盘式绕组旋转式音圈电机的建模与仿真

3.1 引言

3.2 盘式绕组旋转式音圈电机的FEM模型

3.3 盘式绕组旋转式音圈电机有限元仿真

3.4 定子底座材料的影响分析

3.5 本章小结

第4章 盘式绕组旋转式音圈电机温度场与热变形分析

4.1 引言

4.2 盘式绕组旋转式音圈电机损耗分析

4.3 基于电机损耗热源的温度场计算

4.4 电机温度场与热应力耦合计算

4.5 音圈电机的热变形分析

4.6 本章小结

第5章 盘式绕组旋转式音圈电机强度校核及实验测试

5.1 引言

5.2 盘式绕组旋转时音圈电机的结构优化

5.3 盘式绕组旋转式音圈电机强度校核

5.4 样机测试实验

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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