用于擺鏡掃描的音圈電動機設計

劉日龍，劉仁鑫

(江西農業大學，南昌330045)

0 引 言

轉鏡式傅里葉變換光譜儀采用擺動掃描機構驅動對稱布局的動鏡運動，為了實現這一特定的動鏡驅動方式，在選擇運動執行器時，需要考慮其控制特性和驅動能力等。步進電動機對位置控制精度較好，但是它的瞬時速度變化大，無法實現持續的勻速運動。同步電動機需要交流電源，且加速和減速過程比較緩慢，因此不適合基于空間應用的動鏡擺掃運動。

音圈電動機具有結構簡單、體積小及響應速度快等特點，可實現無機械接觸運動，傳動部件機械損耗小，且可密封成整體。這些顯著優點使得大部分基于空間遙感應用的干涉光譜儀都使用音圈電動機作為動鏡驅動裝置［1－2］。

本文采用音圈電動機作為新型傅里葉變換光譜儀擺鏡驅動電機，它是一種動圈式直線電動機，可以較好地完成小幅度擺動掃描動作。音圈電動機動子通過連桿帶動擺掃平臺，驅動擺鏡進行擺動掃描。

1 擺鏡掃描運動參數確定

傅里葉變換光譜儀要實現要求的0．625 cm－1高光譜分辨率，就需要長達1．6 cm以上的光程差。依據干涉儀的設計要求，擺鏡勻速段的角速度ω=0.553 rad/s。

系統采用音圈電動機來驅動干涉機構進行擺動掃描，為了把直線運動轉換為擺動，設計連桿來連接電機和擺掃機構，這將使得擺掃機構的運動參數計算具有一定的靈活性，因為連桿長度的變化將直接導致音圈電動機力常數km要求也不相同。連桿長度為電機動子到擺掃機構回轉中心的距離，取其值為20 cm。且有力矩方程:

式中:動鏡及其機械支架等部件構成了音圈電動機的載荷，載荷質量為3 kg，其轉動慣量 J=0．05 kg·m2。擺臂L為20 cm，擺動角度 β為6°，擺動周期為0．5 s。可得音圈電動機持續推力:

則音圈電動機行程:

2 磁鋼的計算分析

在音圈電動機輸出推力相等的情況下，釹鐵硼永磁體的體積小且質量輕，這是因為高磁能積的釹鐵硼永磁體可產生具有更多磁通和更高磁性負荷的氣隙，從而減小了永磁材料的尺寸。因此，從音圈電動機體積及制造成本等方面考慮，音圈電動機的磁鋼選用釹鐵硼永磁體。

對于給定設計指標的音圈電動機，應選擇合適的永磁體使其符合氣隙磁通及其穩定性要求。若考慮到音圈電動機磁路中的漏磁和磁位降時，則磁路設計的兩個基本方程［3－4］:

式中:kf為漏磁系數;kr為磁阻系數;Bm和Hm為永磁體的工作點磁通密度和磁場強度;Am，Lm分別為永磁體的面積和厚度;Bg，Hg，Ag和Lg分別為氣隙的磁通密度、磁場強度、氣隙面積和氣隙長度。由式(2)可得:

式中:BmHm是永磁體工作點的磁能積，并定義:

式中:Vm表示永磁體的體積;Vg表示氣隙的體積。若工作點就是材料的最大磁能積點，則式(4)表明，要達到同一要求的氣隙磁通密度和氣隙體積，這時所需的永磁體體積最小。

在已知氣隙參數Bg，Ag，Lg和永磁體工作點的情況下，若計算永磁體的尺寸，則需要知道漏磁系數kf和磁阻系數kr。kr的值變化較小，一般在1．05～1．45之間，而kf的值在不同的磁路結構中，可以變化很大［4］。

結合永磁材料的性能參數要求，磁鋼選用牌號為NTP240SH的釹鐵硼永磁材料，其退磁曲線如圖1所示［6－7］。

圖1 釹鐵硼永磁體NTP240SH退磁曲線

取工作點磁通密度Bm=0．81T，磁場強度Hm=198 kA·m－1。永磁體剩余磁感應強度 Br≥1．08 T，磁感應矯頑力 Hc≥796 kA·m－1。

為了得到漏磁系數kf，可用磁導法先把磁路等效成電路，然后計算磁路中各部分的磁導［3，5］。矩形極面間的氣隙磁導Pg滿足:

矩形磁極間的表面上的磁導P1滿足:

兩磁極端角之間的磁導P2:

從而有總磁導P:

因此，可得漏磁系數:

磁阻系數kr=1．2，依據音圈電動機設計要求，氣隙磁通密度 Bg=0．65 T，氣隙長度 Lg=0．3 cm，代入相關值到式(2)，并且Bg=μ0Hg，從而可得釹鐵硼永磁體的厚度:

且永磁體面積:

由前述可知，音圈電動機行程xm=2．09 cm，再結合動圈運動長度和電機結構限制，以及永磁體面積的計算值，則選取永磁體的尺寸:長 4．5 cm，寬 2．2 cm。因此，最終可得釹鐵硼永磁體的大小為4．5 cm×2．2 cm×0．95 cm，滿足音圈電動機磁鋼設計要求。

3 線圈的設計計算

通過擺鏡掃描運動參數可知，電機推力F=5.33 N。依據安培力原理，則有:

式中:Bg為氣隙磁通密度;Lc為線圈導體在磁場中的有效長度;I為線圈導體中的電流。且有:

式中:Lt是線圈導線的總長;γ是比例系數;ρ為導線的電阻率;S為導線的截面積。于是式(5)可改寫:

從而可得導線截面積:

則導線直徑:

依據漆包圓銅線規格表，選用直徑d=0．470 mm的銅導線，導線截面積S=0．173 5 mm2，與其相對應的薄絕緣漆包線最大線徑0．510 mm［9］。漆包線繞制為4層，每層80匝，電機線圈總匝數320匝。

參考音圈電動機額定電流0．5～1A的設計要求，并由式(5)和式(6)，可得線圈導線總長:

代入式(6)，于是導線電阻:

音圈電動機的電流值由功率驅動電路所決定，當加載在線圈繞組兩端的電壓為5 V時，有:

此時，相應的電磁推力:

電磁推力F=5．49 N表明，線圈的理論計算值滿足音圈電動機設計要求。

4 結語

依據擺鏡掃描的技術要求，確定了擺掃機構的運動參數。選用音圈電動機作為機構驅動電機，從電機體積及制造成本等方面考慮，音圈電動機的磁鋼選用牌號為NTP240SH釹鐵硼永磁體，線圈采用線徑為0．510 mm的薄絕緣漆包線，對電機的磁鋼和線圈進行計算分析，設計了用于擺鏡掃描的音圈電動機，滿足系統的整體指標要求。