高推力密度圆筒音圈电机的电磁特性及优化研究

摘要

音圈电机（Voice Coil Motor，VCM）是一种结构形式简单的永磁直线直流电机。电机基于安培力原理且线圈绕组为无铁心结构，具有简单的控制策略和稳定的推力输出特性，在直线驱动系统中应用广泛。由于音圈电机面临输出推力密度小的问题，较大的电负荷会使得电机绕组过热，导致绕组绝缘破坏及永磁材料退磁等问题。本文以提高电机推力密度为目的，对音圈电机的电磁特性进行分析及合理的优化，运用一种改进的自适应遗传算法进一步优化电机的多个结构参数。　　首先，根据音圈电机的结构类型，结合相关的研究基础和工程实际要求选择出一种适合高推力密度运用场合的圆筒音圈电机。在此基础上建立电机的等效磁路模型，通过非线性磁路计算出电机的工作气隙磁通密度，根据电机的工作原理进一步计算出电机的推力密度。采用有限元仿真软件建立电机的二维仿真模型，分析电机的静态磁场分布，与磁路模型进行综合分析。通过仿真结果发现，基于等效磁路模型计算电机的推力密度与有限元仿真结果相近，满足计算精度要求，能够应用于优化算法中作为目标函数进行计算，为后文的电机结构推力密度优化计算过程奠定基础。　　其次，为了提高电机的推力密度，本文提出了一种应用于圆筒音圈电机的半闭口结构。建立电机的有限元模型，验证了新结构的有效性。通过与原模型对比发现，半闭口结构改善了电机端部的磁回路，约束了电机端部工作气隙的反向磁通，使电机的推力密度得到有效提升。接着在结构改进的基础上，以电机输出的推力密度为目标，对电机的关键结构参数进行了灵敏度分析，研究各结构尺寸大小对电机性能的影响。制作了半闭口音圈电机的样机，搭建实验平台进行了静态推力测试。实验结果表明半闭口音圈电机的动子在不同位置的静态推力大小与理论计算结果接近，且较改进前电机的推力密度明显增加。　　最后，研究了遗传算法及自适应改进策略。由于传统的电机单一结构参数调整方法具有局部收敛的缺陷性，本文将遗传算法用于电机多个结构参数的优化。针对基础的遗传算法在优化过程中容易局部收敛的问题，本文将基础遗传算法的交叉和变异概率进行线性和非线性调整以提高算法的性能。采用改进的自适应遗传算法对半闭口音圈电机进行结构优化以找到最优方案。通过多次计算比较各种算法的性能，发现改进的自适应遗传算法具有更优的稳定性和计算结果。将优化方案代入有限元进行验证，仿真计算电机的推力密度较优化前有一定提高。

目录

1绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1直线电机驱动技术在机床中的应用现状

1.2.2音圈电机国内外研究现状

1.2.3遗传算法国内外研究现状

1.3本课题研究的主要内容

2音圈电机的圆筒型结构及建模仿真

2.1音圈电机工作原理与结构选择

2.1.1音圈电机工作原理

2.1.2音圈电机结构选择

2.2圆筒音圈电机的等效磁路模型

2.2.1磁路基本理论

2.2.2二维等效磁路法的基本原理

2.2.3圆筒音圈电机的等效磁路模型建立

2.3圆筒音圈电机的推力密度模型

2.3.1等效磁路模型求解

2.3.2电机推力密度的计算

2.4圆筒音圈电机的有限元仿真分析

2.4.1圆筒音圈电机的有限元模型

2.4.2仿真结果分析

2.5本章小结

3半闭口结构圆筒音圈电机

3.1圆筒音圈电机的端部效应及半闭口结构的提出

3.2提出的半闭口结构对电机电磁性能的影响

3.3半闭口音圈电机的结构参数对推力密度的影响

3.3.1辅助磁轭尺寸对电机推力密度的影响

3.3.2磁轭厚度对电机推力密度的影响

3.3.3永磁体厚度对电机推力密度的影响

3.3.4永磁体长度比例对电机推力密度的影响

3.4实验验证

3.5本章小结

4半闭口圆筒音圈电机的推力密度优化

4.1电机优化设计的基本思想

4.2改进的自适应遗传算法

4.2.1自适应遗传算法的基本理论

4.2.2改进的自适应遗传算法

4.3采用改进自适应遗传算法的电机推力密度优化

4.4本章小结

5总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

附录

A.作者在攻读学位期间发表的论文目录

B.学位论文数据集

致谢