毕设记录_论文阅读（动磁式音圈电机的开发与应用）_20241207

前言

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论文信息

第一章内容摘要

电机的分类

动圈式音圈电机、动铁式音圈电机和动磁式音圈电机是三种常见的音圈电机类型，每种电机的工作原理和应用场景各有不同。以下是对这三种电机的简要分析：

1. 动圈式音圈电机（Voice Coil Motor, VCM）

动圈式音圈电机的原理基于安培力定律，即通电导线在磁场中会受到力的作用。电机定子由永磁体和铁芯构成，产生恒定磁场；而动子部分是一个空心线圈，处于磁场中，电流通过时受到安培力作用，产生往复运动。

• 优点：

  • 结构简单，原理直接，便于设计和制造。
  • 无磁滞损耗，输出动力与电流成线性关系。
  • 动子质量较轻，惯性小，适合高频运动和小推力应用。
  • 空载时轴向力为零，动子不受非轴向的力。

• 缺点：

  • 由于通电线圈产生的热量，效率较低，尤其在电流较大时热量损失更为显著。
  • 作动线圈的散热较困难，影响了电机的长期稳定性。
  • 长时间运行的可靠性较差，尤其在高功率和寿命要求较高的应用场合。

• 应用：

  • 常用于扬声器、硬盘、微位移调整等需要小功率和高频运动的场合。

2. 动铁式音圈电机（Magnetic Resistance Voice Coil Motor）

动铁式音圈电机的工作原理基于“磁阻最小”原则，即磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，通常称为磁阻直线电机。其定子由励磁线圈和铁芯构成，动子由具有高磁导率的铁磁性材料制成，通过交变电流在励磁线圈中形成变化的磁场，进而驱动动子产生往复运动。

• 优点：

  • 不需要永磁体，成本较低。
  • 制造与安装相对简单。
  • 对高温、振动和腐蚀等环境适应性强。
  • 可在相同体积下产生较大的驱动力。

• 缺点：

  • 动子在运动过程中容易偏离气隙中轴，导致较大的径向力。
  • 电机功率密度较低，尤其在需要高效能的应用中不适合。

• 应用：

  • 适用于对驱动力要求高但对精度要求较低的场合，如喇叭、振动筛、打桩机等。

3. 动磁式音圈电机（Magnetic Voice Coil Motor）

动磁式音圈电机是将动圈式音圈电机的定子与动子互换而成。定子由励磁线圈和铁芯构成，动子则由永磁体排列而成，产生恒定磁场。通过改变励磁线圈中的电流方向形成交变磁场，驱动动子产生轴向往复运动。

• 优点：

  • 结构紧凑，运动质量小，功率密度高。
  • 没有动圈式音圈电机的飞线问题，设计上较为简便。
  • 散热设计相对容易，能有效提高电机的功率和效率。

• 缺点：

  • 结构较为复杂，设计时需要考虑磁场耦合、永磁体消磁等因素。
  • 推力呈非线性，可能导致性能不稳定。
  • 存在齿槽效应，尤其是大行程的电机中。
  • 对永磁体的性能依赖较大，受稀土资源等因素的影响，可能导致成本增加。

• 应用：

  • 适用于高功率密度和需要较高效率的场合，但由于其依赖永磁体的特性，主要应用于高端设备，如高精度扬声器、电动执行器等。

总结：

• 动圈式音圈电机适用于高频、小推力的应用，但存在热效率问题和长期运行的可靠性限制。
• 动铁式音圈电机成本低，适合对驱动力要求高、但对精度要求不高的场合，但功率密度较低。
• 动磁式音圈电机由于其高功率密度和较小的运动质量，适合高效能的高端应用，但设计复杂且成本较高。

这些电机各有优势和适用场景，选择哪种类型取决于具体应用的需求，包括驱动力、效率、精度、成本等因素。

第二章内容摘要

电机结构

论文中电机采用动磁式结构，电机结构原理简图如图所示：

线圈结构示意简图：



$$B_Z=\frac{1}{2}{\mu }_{0}NI\left\{\left(\frac{1}{2}+z\right)\ln \frac{r_0+\sqrt{r_0^2+{\left(\frac{1}{2}+z\right)}^2}}{r_i+\sqrt{r_i^2+{\left(\frac{1}{2}+z\right)}^2}}+\left(\frac{1}{2}-z\right)\ln \frac{r_0+\sqrt{r_0^2+{\left(\frac{1}{2}-z\right)}^2}}{r_i+\sqrt{r_i^2+{\left(\frac{1}{2}-z\right)}^2}}\right\}$$

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# 给定的参数
mu_0 = 4 * np.pi * 1e-7  # 真空磁导率
N = 100  # 匝数
I = 1    # 电流大小
r_0 = 1  # 外半径
r_i = 0.5  # 内半径

# 定义计算B_z的函数
def B_z(z):
    term1 = (0.5 + z) * np.log((r_0 + np.sqrt(r_0**2 + (0.5 + z)**2)) / (r_i + np.sqrt(r_i**2 + (0.5 + z)**2)))
    term2 = (0.5 - z) * np.log((r_0 + np.sqrt(r_0**2 + (0.5 - z)**2)) / (r_i + np.sqrt(r_i**2 + (0.5 - z)**2)))
    return (mu_0 * N * I / 2) * (term1 + term2)

# z的取值范围
z = np.linspace(-2, 2, 400)

# 计算B_z
B_z_values = B_z(z)

# 绘制图像
plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.plot(z, B_z_values, label='B_z to z')
plt.xlabel('z')
plt.ylabel('B_z')
plt.title('B_z to z')
plt.legend()
plt.grid(True)
plt.show()

给定的参数:
mu_0 = 4 * np.pi * 1e-7 # 真空磁导率
N = 100 # 匝数
I = 1 # 电流大小
r_0 = 1 # 外半径
r_i = 0.5 # 内半径

等效磁路分析

可参考：
电机学4——【等效磁路法】原理知识及模型分析

电驱动系列：二十四、电机磁路