用于摆镜扫描的音圈电动机设计

刘日龙，刘仁鑫

(江西农业大学，南昌330045)

0 引 言

转镜式傅里叶变换光谱仪采用摆动扫描机构驱动对称布局的动镜运动，为了实现这一特定的动镜驱动方式，在选择运动执行器时，需要考虑其控制特性和驱动能力等。步进电动机对位置控制精度较好，但是它的瞬时速度变化大，无法实现持续的匀速运动。同步电动机需要交流电源，且加速和减速过程比较缓慢，因此不适合基于空间应用的动镜摆扫运动。

音圈电动机具有结构简单、体积小及响应速度快等特点，可实现无机械接触运动，传动部件机械损耗小，且可密封成整体。这些显著优点使得大部分基于空间遥感应用的干涉光谱仪都使用音圈电动机作为动镜驱动装置［1－2］。

本文采用音圈电动机作为新型傅里叶变换光谱仪摆镜驱动电机，它是一种动圈式直线电动机，可以较好地完成小幅度摆动扫描动作。音圈电动机动子通过连杆带动摆扫平台，驱动摆镜进行摆动扫描。

1 摆镜扫描运动参数确定

傅里叶变换光谱仪要实现要求的0．625 cm－1高光谱分辨率，就需要长达1．6 cm以上的光程差。依据干涉仪的设计要求，摆镜匀速段的角速度ω=0.553 rad/s。

系统采用音圈电动机来驱动干涉机构进行摆动扫描，为了把直线运动转换为摆动，设计连杆来连接电机和摆扫机构，这将使得摆扫机构的运动参数计算具有一定的灵活性，因为连杆长度的变化将直接导致音圈电动机力常数km要求也不相同。连杆长度为电机动子到摆扫机构回转中心的距离，取其值为20 cm。且有力矩方程:

式中:动镜及其机械支架等部件构成了音圈电动机的载荷，载荷质量为3 kg，其转动惯量 J=0．05 kg·m2。摆臂L为20 cm，摆动角度 β为6°，摆动周期为0．5 s。可得音圈电动机持续推力:

则音圈电动机行程:

2 磁钢的计算分析

在音圈电动机输出推力相等的情况下，钕铁硼永磁体的体积小且质量轻，这是因为高磁能积的钕铁硼永磁体可产生具有更多磁通和更高磁性负荷的气隙，从而减小了永磁材料的尺寸。因此，从音圈电动机体积及制造成本等方面考虑，音圈电动机的磁钢选用钕铁硼永磁体。

对于给定设计指标的音圈电动机，应选择合适的永磁体使其符合气隙磁通及其稳定性要求。若考虑到音圈电动机磁路中的漏磁和磁位降时，则磁路设计的两个基本方程［3－4］:

式中:kf为漏磁系数;kr为磁阻系数;Bm和Hm为永磁体的工作点磁通密度和磁场强度;Am，Lm分别为永磁体的面积和厚度;Bg，Hg，Ag和Lg分别为气隙的磁通密度、磁场强度、气隙面积和气隙长度。由式(2)可得:

式中:BmHm是永磁体工作点的磁能积，并定义:

式中:Vm表示永磁体的体积;Vg表示气隙的体积。若工作点就是材料的最大磁能积点，则式(4)表明，要达到同一要求的气隙磁通密度和气隙体积，这时所需的永磁体体积最小。

在已知气隙参数Bg，Ag，Lg和永磁体工作点的情况下，若计算永磁体的尺寸，则需要知道漏磁系数kf和磁阻系数kr。kr的值变化较小，一般在1．05～1．45之间，而kf的值在不同的磁路结构中，可以变化很大［4］。

结合永磁材料的性能参数要求，磁钢选用牌号为NTP240SH的钕铁硼永磁材料，其退磁曲线如图1所示［6－7］。

图1 钕铁硼永磁体NTP240SH退磁曲线

取工作点磁通密度Bm=0．81T，磁场强度Hm=198 kA·m－1。永磁体剩余磁感应强度 Br≥1．08 T，磁感应矫顽力 Hc≥796 kA·m－1。

为了得到漏磁系数kf，可用磁导法先把磁路等效成电路，然后计算磁路中各部分的磁导［3，5］。矩形极面间的气隙磁导Pg满足:

矩形磁极间的表面上的磁导P1满足:

两磁极端角之间的磁导P2:

从而有总磁导P:

因此，可得漏磁系数:

磁阻系数kr=1．2，依据音圈电动机设计要求，气隙磁通密度 Bg=0．65 T，气隙长度 Lg=0．3 cm，代入相关值到式(2)，并且Bg=μ0Hg，从而可得钕铁硼永磁体的厚度:

且永磁体面积:

由前述可知，音圈电动机行程xm=2．09 cm，再结合动圈运动长度和电机结构限制，以及永磁体面积的计算值，则选取永磁体的尺寸:长 4．5 cm，宽 2．2 cm。因此，最终可得钕铁硼永磁体的大小为4．5 cm×2．2 cm×0．95 cm，满足音圈电动机磁钢设计要求。

3 线圈的设计计算

通过摆镜扫描运动参数可知，电机推力F=5.33 N。依据安培力原理，则有:

式中:Bg为气隙磁通密度;Lc为线圈导体在磁场中的有效长度;I为线圈导体中的电流。且有:

式中:Lt是线圈导线的总长;γ是比例系数;ρ为导线的电阻率;S为导线的截面积。于是式(5)可改写:

从而可得导线截面积:

则导线直径:

依据漆包圆铜线规格表，选用直径d=0．470 mm的铜导线，导线截面积S=0．173 5 mm2，与其相对应的薄绝缘漆包线最大线径0．510 mm［9］。漆包线绕制为4层，每层80匝，电机线圈总匝数320匝。

参考音圈电动机额定电流0．5～1A的设计要求，并由式(5)和式(6)，可得线圈导线总长:

代入式(6)，于是导线电阻:

音圈电动机的电流值由功率驱动电路所决定，当加载在线圈绕组两端的电压为5 V时，有:

此时，相应的电磁推力:

电磁推力F=5．49 N表明，线圈的理论计算值满足音圈电动机设计要求。

4 结语

依据摆镜扫描的技术要求，确定了摆扫机构的运动参数。选用音圈电动机作为机构驱动电机，从电机体积及制造成本等方面考虑，音圈电动机的磁钢选用牌号为NTP240SH钕铁硼永磁体，线圈采用线径为0．510 mm的薄绝缘漆包线，对电机的磁钢和线圈进行计算分析，设计了用于摆镜扫描的音圈电动机，满足系统的整体指标要求。