旋转式音圈电机由于体积小,安装方便,在航空航天上越来越多地被用来驱动小惯量负载在有限转角内运动。盘式绕组音圈电机结构上具有一定优势,因为其轴向尺寸小,还可以无约束自由转动。影响音圈电机期可靠工作的因素主要有两点,即应力和温升。对盘式绕组旋转式音圈电机不同工作状态下的热载荷进行了分析,并建模对其热应力和热变形进行了仿真计算,计算结果表明所选择材料可以满足音圈电机长期可靠工作要求。论文工作对工程实际具有很好的参考价值 。
在很多航空航天设备上,需要驱动机构驱动一些力矩较小惯量较小的负载,在有限的角度范围内做精确的位置扫描。传统的驱动方式是使用步进电机或有限转角力矩电机,但步进电机力矩波动较大,控制精度低;有限转角电机体积和转动惯量都较大,因此旋转式音圈电机是替代有限转角力矩电机的理想选择。音圈电机(Voice Coil Motor, VCM)是一种特殊结构的电机,有直线运动和旋转运动两种形式。
一个典型的旋转式音圈电机结构如图1所示。
和传统的有限转角力矩电机相比,旋转式音圈电机的突出优势在于:
1体积小,重量轻。传统的有限转角力矩电机一般由定子部件和转子部件两部分组成,这两部分都是圆柱形结构,占据空间较大。旋转式音圈电机则只是占据有限转角范围内的弧形空间,比如±15度,剩余的空间都可以用来装配其它部件。所以,旋转式音圈电机特别适宜于应用在需要考虑驱单元体积和重量的场合。
2安装便利。传统的有限转角力矩电机一般要通过法兰装配定子部件,而旋转式音圈电机一般计成矩形或者圆弧型,通过底角或者底而就可以完成装配,而且要求的精度也不高。
3控制特性极佳。这是旋转式音圈电机最突出的优点。它的动子部件主要由两部分组成,通电的铜线和铝制的底座。由于没有钢等铁磁材料,所以气隙磁场几乎不变,带来的最大好处就是动子惯量小动态性能好,而且输出力矩和控制电流几乎就是线性关系。
音圈电机近年来得到大量应用和推广,自VCM进入独立应用阶段以来,音圈电机首先在欧美和日本等国家得到极大重视。美国BEI Technologies INC公司研制的直线式音圈电机多达几十种,其出力范围在0.3-300N,运动行程为0.5-v50mm;其研制的旋转式音圈电机摆角范围从0-600. BEI Kimco Magnetics公司的音圈电机产品也包括线性型和旋转型,该公司的磁通聚集技术对于减小电气时间常数,提升气隙磁密有重要意义。在音圈电机的计算和设计方而,目前通过较为简单的二维有限元等效替代直线电机的磁场分布情况则较为普遍睁。另外,针对音圈电机温度场和热变形的相关研究并不多见.应用于空间环境下的音圈电机与普通的电机同,既要适应高低温环境,又要解决没有空气对流时候的散热问题。而且由于音圈电机结构的特殊性,其导热问题比普通的永磁电机要复杂。为此,对应用于空间环境下的音圈电机的热载荷进行了分析,在此基础上对盘式绕组旋转式音圈电机的热应力和热变形情况进行了仿真计算,最后进行了实验测试。