航空用盘式绕组旋转式音圈电机的热应力与热变形分析*

李 勇 王 亮 张 波 王 骞 赵 博

航空用盘式绕组旋转式音圈电机的热应力与热变形分析*

李 勇 王 亮 张 波 王 骞 赵 博

（哈尔滨工业大学电气工程系 哈尔滨 150001）

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。本文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。

旋转音圈电机 盘式 热应力 热变形

1 引言

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[1]。

图1 一个典型的旋转式音圈电机Fig.1 A typical rotary voice coil motor

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动单元体积和重量的场合[2]。

（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设计成矩形或者圆弧型，通过底角或者底面就可以完成装配，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0.5～50mm；其研制的旋转式音圈电机摆角范围从0～60º。BEI Kimco Magnetics公司的音圈电机产品也包括线性型和旋转型，该公司提出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面，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[3-6]。另外，针对音圈电机温度场和热变形的相关研究并不多见[7]。

应用于空间环境下的音圈电机与普通的电机不同，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，本文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。本文的研究成果可以为此类电机的设计和分析提供依据，并对工程应用提供参考。

2 盘式绕组旋转式音圈电机的结构

一般地，旋转式音圈电机主要用来驱动有限转角惯性负载，所以其动子只是在有限转角范围内做往复摆动。普通磁路结构的旋转式音圈电机是轴向对称双层结构，像图1中显示的那样。该类结构主要有两个缺点:

（1）轴向尺寸较大，相当于两个单元电机并列，个别时候给部件装配带来不便。

（2）中间有一个磁轭需要套在动子中，不但使定子部件、动子部件互相约束，而且侧面的支撑底座使得动子只能有限转角运动，而不能360度自由旋转。在一些精粗耦合的精密仪器中，粗瞄和精瞄是分阶段操作的，往往需要音圈电机动子随着系统轴系做360度旋转，这时候普通结构的旋转式音圈电机就不能满足要求了。

一个盘式绕组旋转式音圈电机的结构示意图如图2所示。和图1中单极性磁路结构不同的是，这里采用双极性磁路设计，所以电机是单层结构，轴向尺寸大大压缩。另外，由于定子轭已经给主磁通提供足够的磁路，左右两个侧面不需要铁磁性材料支撑，所以动子部件可以360度自由旋转，满足特殊设备需要。

图2 盘式绕组旋转式音圈电机的磁路结构Fig.2 Magnetic route of a disk winding rotary VCM

3 音圈电机的热载荷分析

根据应用场合的不同，旋转式音圈电机的工作状况分为定位状态和扫描状态两种。工作在定位状态时，音圈电机绕组中通以横幅的直流电，电机输出力矩为一恒定值；工作在扫描状态时，音圈电机绕组中通的电流又可以分为三角波和正弦波两种。通常，音圈电机需要在扫描和定位两种工况之间来回切换，电机扫描一定时间以后停止工作，等待下一个触发指令完成相应的动作。

旋转式音圈电机的热源来源于损耗，由三部分组成:线圈的铜损、定子铁心中的铁损和摩擦损耗。对于轻型惯性负载，摩擦损耗可以忽略不计。音圈电机工作在定位状态时，电流恒定磁场恒定没有铁耗，而扫描状态的频率最高也就几赫兹，铁心损耗和涡流损耗都是mW级别的，因此两种工作状态下的铁耗都可以忽略不计。所以，音圈电机的热源主要集中在动子线圈的铜损上。

（1）定位状态下的铜耗

因为这时需要电机输出一恒定力矩，所以对应的铜耗为:

式中 Im——线圈中的直流电流，与负载有关；

Ra——线圈电阻。

（2）正弦波扫描状态下的铜耗

式中 Im——线圈中正弦波电流幅值。

（3）三角波扫描状态下的铜耗

绕组电流波形为三角波，通过积分可以计算出其等效铜耗即为:

式中 Im——线圈中三角波电流幅值。

由此，可以得到如下规律:

（1）同样的峰值电流条件下，定位状态下的热载荷最大，正弦波扫描状态次之，三角波扫描状态最小。也就是说，影响音圈电机热可靠性的最严重状态，是定位状态。

（2）不管哪种工作状态，采用铜耗等效的原则，热载荷都可以等效成直流电流对应的铜耗进行计算。

（3）由于热源主要集中在音圈电机的动子上，所以动子的热变形和热应力计算最重要。

4 音圈电机动子的热应力分析

4.1动子材料选择

一般地，热应力的产生原因主要包括两种情况。（1）构件内部温度不均匀。一个构件内部的温度分布不同导致相邻部分受到影响，互相之间不能自由膨胀收缩产生热应力。（2）不同构件热膨胀系数不同。不同的构件组合成部件，如果各个构件材料的热膨胀系数不同，热变形就会不同，同样也要导致热应力的产生。显然对于本文的研究对象，这两种情况都存在。

动子部件主要由三部分构成:线圈，动子底座和灌封胶。为了减小热应力，各部分材料的选择要兼顾其传热性能，以使各部分之间的温度梯度较小。除去自身的主要性能外，为了更好地传热，各部分材料应该导热系数尽量大，并选择热膨胀系数尽量接近使得整体变形趋势一致。为此，三部分的材料选取如表1所示。

表1 动子各部件材料的物理参数Tab.1 Parameters of rotor component materials

4.2绕组铜损导致的热应力

采用正弦波扫描方式，峰值电流1.5A时，动子组件的温度分布云图如图3所示。可以看出，由于灌封胶和铜线、动子底座的温差相差较大，灌封胶中间区域的热应力最大（31.5MPa），而动子底座和绕组铜线的温度相近，所以热应力非常小。4.3环境温度变化导致的热应力

图3 绕组铜损产生的热应力Fig.3 Thermal stress generated by winding copper loss

如果放在舱外，一个航天设备面临的最大问题是外界环境温度变化，因为温差可能达到二三百度。而且由于没有空气对流，长时间工作后电机绕组本身温度也会很高。环境温度为180℃时的热应力云图如图4所示，对应环境温度-20℃到180℃区间的动子部件热应力曲线如图5。由图中数据可知，由于环境温度变化导致的冷收缩应力和热膨胀应力基本对称，而且环境温度180℃时等效热应力最大值可达10.24MPa。

图4 环境温度变化产生的热应力（环境温度180℃）Fig.4 Thermal stress caused by environment temperature

图5 动子部件热应力随外界温度变化曲线Fig.5 Variation of thermal stress of rotor with environment temperature

5 音圈电机动子的热变形分析

由于动子各部件热膨胀系数的不同，随着温度变化，其热变形也将不同，进而影响动子各组件之间的机械配合和整个部件的牢固性，对工作可靠性产生影响。

环境温度为180℃时音圈电机动子部件的全局形变如图6所示。可以看出，各部位的形变尺寸存在明显的差异。在灌封胶中心位置总体形变最小，动子底座四个顶角形变最大。计算结果表明，环境温度为20℃时动子组件中形变最大值仅为0.9 μm，而当环境温度为180℃时动子组件形变量最大值为57μm。显然温差越大，动子组件的变形越明显。

图6 音圈电机动子部件形变云图（环境温度180℃）Fig.6 Deformation cloud map of VCM rotor

根据模型计算了在X，Y，Z三个方向上动子部件中三种材料的热形变尺寸，Y方向上的计算结果如图7所示。基本的变化规律是:

（1）动子部件中绕组形变最小，动子底座形变最大，但三种材料的热变形趋势基本一致，这有利于在机构发生热变形时材料之间保持良好的机械配合，降低因热应力带来的机械疲劳。

（2）形变的总体趋势是Z方向最小，X方向次之，Y方向最大。在低温区（环境温度低于22℃）时，运动方向切向形变量和径向形变量比较接近；随着温度的升高，径向形变量逐渐超出运动方向切向形变量，部件之间的形变尺寸逐渐加大。

（3）总的形变量和动子部件结构尺寸相比可以忽略不计，电机可以长时间可靠运行。

图7 动子各组件Y轴方向的热变形Fig.7 Deformation of all rotor components in Y direction

6 实验与结论

音圈电机的空载气隙磁密是最重要的参数，它直接决定电机力矩系数的大小。实验测得样机气隙磁密幅值为0.69T，与三维有限元场仿真出来的结果（0.67T）比较一致。

样机的实验测试系统如图8所示。把样机装配到试验台上，通过直流稳压电源给电机绕组供电，再通过弹簧拉力计测试其输出力矩。样机的输出力矩曲线如图9所示，对应峰值电流2.5A，电机输出力矩可以达到0.75Nm，工作范围内平均力矩系数为0.3N.m/A，符合设计技术指标。

图8 样机实验测试Fig.8 Test system of the prototype

图9 样机输出力矩测试曲线Fig.9 Measured output torque of the prototype

结论:

（1）盘式绕组旋转式音圈电机的三种工作状态中，定位状态是热负荷最严重的。而在整个电机中，动子部分的线圈是发热最严重的部件。

（2）选取合适的材料，可以有效降低旋转式音圈电机动子部件的热应力和热变形，保证电机的长期可靠运行。计算结果表明，动子底座用硬铝合金，灌封胶用环氧树脂是较好的选择。

（3）所设计的盘式绕组旋转式音圈电机轴向尺寸小，且可以无约束旋转，具有一定的特殊用途。电机的力矩系数达到了0.3 N.m/A，可以满足中小载荷的驱动要求。

[1] BEI Technology Inc. Voice coil actuators:an aplication guide[M]．USA:BEI Technology Inc，2006．

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Zou Jibin, Wang Qian. Electromagnetic field calculation and analysis of voice coil motors[J]. Micro and Special Motors. 2008, 36(02)： 4-6.

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Wang Dayu, Guo Hong, Liu Zhi, Zhang Lijia. A fuzzy nonlinear PID control of voice coil motor used in direct drive valve. Transactions of China Electrotechnical Society, 2011, 26(3)： 52-56

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[7] 李立毅，潘东华，黄旭珍. 超精密短行程直线电机温度场分析及温升抑制[J]. 电工技术学报, 2013, 28(11)： 112-117.

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Analysis of Thermal Stress and Deformation of Disk Winding Rotary Voice Coil Motor Used in Space

Li Yong Wang Liang Zhang Bo Wang Qian Zhao Bo
（Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China）

Rotary voice coil motors (VCM) are more widely used in space equipment because of their small volume and flexible installation, to drive some small inertia load to achieve a precise control in a limited range of angles. Disk winding VCM has some special advantages because it’s very thin in axial direction, and can freely rotates with no limits. Stress and temperature raise are two key factors influencing operating reliability of the motors. In this paper, thermal loads of the disk winding VCM under different working state are analyzed, and thermal stress and deformation are calculated in a thermal model. Calculation results indicate that the selected materials of the motor can meet the requirements of long term reliable working. The work in this paper can be used for a reference in practical engineering.

rotary voice coil motor; disk type; thermal stress; deformation

TM351

李 勇 男，1964年出生，教授，博士生导师，主要从事无刷直流电机静音驱动系统、旋转轴系自动平衡、特种电磁机构等方面的研究。

国家重点基础研究发展计划（973计划）资助项目（2013CB035605）。

2014-08-10

王 亮 男，1986年出生，博士研究生，主要从事永磁电机和新型电磁机构方面的研究。