CN108712055A - 用于大口径自适应变形镜的音圈电机 - Google Patents

Abstract

用于大口径自适应变形镜的音圈电机，设有圆柱状线圈，圆柱形线圈顶部与磁铁之间形成极小的气隙，在磁体与中心轴外部为软铁壳，该音圈电机采用动铁式结构，特征是圆柱状线圈安装在底部软铁外壳中，圆柱状线圈与镜面隔离永磁体设置在与圆柱状线圈轴向排列的位置上，且与天文望远镜的镜面直接粘接固定。本发明缩小了音圈电机径向尺寸和空间占用、消除了传统短路故障隐患、减少了动子质量及运动惯量，克服了音圈电机线圈发热对镜面的影响，通过优化磁场设计，本发明具有很高的电机效率，能够通过高频小电流达到较大的推动力，本发明电磁力可达到1N以上，电磁力到达0.6N，电机效率达到0.45N/√W。能满足大口径自适应变形镜的要求。

Description

用于大口径自适应变形镜的音圈电机

技术领域

本发明涉及一种用于大口径自适应变形镜的音圈电机。

背景技术

为了探索更深的宇宙，现代地基望远镜的口径变得越来越大，为了减轻大气湍流对成 像的影响，1953年海尔天文台的胡瑞斯·拜勃库克提出自适应光学的概念，通过在望远镜的 出瞳设置一个波前矫正装置来矫正由于大气扰动带来的波前误差，这个用于矫正波前的装置 就是自适应变形镜，自适应光学系统通过实时测量望远镜焦面上的波前变化，并通过自适应 变形镜进行实时补偿来消除大气湍流的影响；上世纪90年代，一种使用望远镜的副镜作为波 前校正装置来校正大气抖动的新型自适应光学系统首次被提出，由于这种方案直接使用望远 镜自身的光学元件作为波前校正机构，不引入额外的光学元件，相比传统的自适应光学系统 有明显的优势，首先大大减少了反射或者透射面的数量，提高了望远镜的效率；其次这种自 适应副镜系统的红外散射很小，这对望远镜在红外波段的的观测十分重要；另外自适应副镜 系统没有额外的光学偏振，能明显改善光学系统像质；而且大口径的自适应副镜能提供更大 的观测视场，近年来随着适合大视场的近地层自适应光学技术的发展，这种使用系统光学元 件作为自适应光学波前校正装置的方法已经成为大口径望远镜的自适应光学的一个重要发展 方向。

相比传统的自适应光学系统，这种形式的自适应波前校正装置使用望远镜的系统光学 元件作为波前校正装置，自适应变形镜口径往往很大，达到将近一米，有的甚至口径数米， 这就要求促动器的具有很大的校正行程；但同时校正频率依然要由大气抖动的Greenwood频 率决定，所以这种自适应变形镜既要求有很高的校正带宽，又要有较大的校正行程。

音圈电机(voice coil)是基于安培力原理制造的一种新型直接驱动电机，它除了和直线 电机一样可避免旋转电机驱动中传动环节存在的间隙等不足外，工作时配合高精度的位移传 感器，在理论上具有无限分辨率、无滞后、高响应、高加速度、高速度、体积小、力特性好、 控制方便等优点，特别适用于要求自适应镜面驱动这种大行程、高频激励、快速和高精度定 位运动。同时由于电机的定子和动子部分不直接接触，拆卸十分方便，这也给变形镜的后期 维护带来了很大的优势。

对于一台8米级口径的地基望远镜，在一般台址视宁度及风速条件下，根据国外望远 镜的相关数据，可以计算得到促动器行程要求50微米左右，校正频率在1kHz以下，促动器 之间的间距一般在30-50mm，校正力的大小在1N左右，所以电机外径一般不大于30mm，并且在电机输入小电流的情况下，要保证至少输出0.6N的力，电机效率大于0.45。

音圈电机结构：不同的结构的音圈电机对应不同的使用场景，音圈电机从运动分为动 圈式与动铁式，传统的音圈电机结构如图1a所示，有一个圆柱状线圈1，圆柱中心杆与包围 在中心杆周围的永磁体2形成气隙，在磁体与中心轴外部为软铁壳3，线圈在气隙中沿圆柱 轴向往复运动。相比于传统结构的音圈电机，还有一种集中通量结构的音圈电机，参见图1b， 这种结构的音圈电机能够使气隙磁密等于甚至大于磁体2中的剩余量。在稀土元素氧化物磁 铁2的轴向外侧，设置有径向的软铁盘5。在软铁壳3的内表面与圆柱芯的外表面之间形成 了环形的气隙，圆柱状线圈1在气隙中沿轴向运动。

这两种结构的音圈电机存在以下缺点：1、传统结构音圈电机由于软铁壳、线圈、永磁、软铁心成径向排布，若产生较大的电磁力必然会使径向尺寸较大，空间占用高；2、动圈式音圈电机的线圈快速高频往复运动容易产生短路故障，并且由于线圈通电发热，因此线圈 中允许通入电流较小，对电磁力大小有直接影响；3、两种结构由于轴心处为软铁心，线圈匝 数提高受到限制；4、上述两种结构音圈电机动子质量大运动惯量较大。

发明内容

针对上述要求，本发明的目的是提出一种用于大口径自适应变形镜的音圈电机。本发 明将克服现有技术的上述缺点：缩小音圈电机的径向尺寸和空间占用、消除动圈式音圈电机 在线圈快速高频往复运动时的短路故障、减少音圈电机动子质量及运动惯量、克服了音圈电 机线圈发热对镜面的影响，通过优化设计，本发明的设计电机具有很高的电机效率，能够通 过高频小电流达到较大的推动力。

完成上述发明任务的技术方案是：一种用于大口径自适应变形镜的音圈电机，该音圈 电机采用动铁式结构，固定安装圆柱形线圈，永磁体与镜面连接，环形的永磁体采用辐射充 磁设计，圆柱形线圈顶端与永磁体底面之间形成极小的气隙，线圈通电时，圆柱形线圈产生 的磁场与辐射充磁的永磁体相互作用，推动永磁体运动，通过优化磁场设计，使电机具有很 高的推动效率。

换言之，本发明的设计是：音圈电机采用动铁式结构，将发热源线圈与镜面隔离，磁 铁与镜面粘接，线圈安装在底部软铁外壳中，结构形式如图2。

更具体地说，本发明有以下优化方案：

在所述的永磁体的轴向外侧，设置有径向的塑料板；

所述的永磁体采用辐射充磁的永磁环；

所述的圆柱状线圈中的导线采用直径为0.335mm的导线；

满足动子行程范围时的基准气隙0.1mm；

所述的圆柱状线圈中通入电流的大小为327A·匝；

所述的圆柱状线圈固定外径为20mm、匝数为743；

所述的圆柱状线圈内径与永磁环内径尺寸保持一致。

本发明的设计原理如下：

根据音圈电机的设计原则：

(1)、以最少的永磁体及导磁材料，设计具有高磁通密度的均匀气隙磁场，提高工作效率，产 生尽可能大的推力。

(2)、在满足推力要求的前提下，尽量减小音圈直线电机的体积和运动部分的质量，使 之具有更高的加速度和快速响应能力。

在大口径自适应变形镜中用到的音圈电机，由于镜面本身刚度很低，但需要高频校正 波前，并且对温度变化敏感；因此用于自适应变形镜的音圈电机对推力要求不高，但要求很 高的动态响应频率以及竟可能低的发热。

1、音圈电机永磁体部分优化设计：

在经典电磁理论中，基本的电磁力描述为单独的没有尺寸大小的磁荷在磁场中所受到的作用 力。在这种理论假说中认为一个单独的磁荷在磁场中所受到的力与磁荷强度、磁场强度呈正 比。

F∝Q_m·H

其中Qm为磁荷强度，H为磁荷所处位置磁场强度。

而现代电磁理论，相比于经典电磁理论中采用单独的磁荷的假设，提出了更贴近实际 情况的分子电流假说，认为构成磁体的分子内部存在一种环形电流。如果将磁荷密度用一个 在连续的体积内的电流密度来表示，此时电流密度的单位为A/m2：

可以得到一个磁荷，即一个电流元在一个磁场中所受到的力的公式为：

dF＝IdI×B

从两种假说对于电磁力的描述中，电磁力大小受到物体所处空间磁场和物体本身的影响，对 于不同形式的永磁体，相同牌号的永磁体磁学性能相同仅表现为极性的差异，当使用同一种 线圈通入相同的电流与相同牌号磁环相互作用时，仅需要对空间中磁场强度分析便能简易而 快速的比较不同磁环与通电线圈作用力的大小。

常见的永磁体充磁形式有轴向充磁、径向充磁、辐射充磁三种，如图4a、图4b。

针对对称性的音圈电机永磁体只能采用轴向充磁和辐射充磁两种，对这两种形式的永 磁体空间磁场性能的分析，采用了COMSOL软件进行，线圈采用铜芯漆包线， 并对匝数、电流大小、电流方向、导线截面积进行设置：

永磁体设置NdFe35材料，保持磁学性能设置不变，通过改变磁环的坐标系来控制磁环的充 磁方式与方向。

辐射充磁磁环空间磁感应强度大小分布：图6a、图6b为辐射充磁空间磁感应强度、图 7a、图7b为辐射充磁空间磁感应强度；

通过比较以上的仿真结果，可以看出通电线圈与辐射充磁磁环相互作用时能产生比与轴向充 磁磁环相互作用时更强的空间磁场，辐射充磁的磁环截面中心处磁通密度大小约为0.68T，而 轴向充磁磁环仅为0.4T，差距明显，说明在对置结果的音圈式力促动器中使用辐射充磁的永 磁环气息磁密更大，提高力的产生效率。

2、音圈电机线圈优化设计：

电磁线圈由漆包线绕制，常用的漆包线QZ-2/130，在磁场中产生电磁力大小符合安培力公式，

F＝nBIL

其中n为线圈匝数、B为磁场强度、I为电流大小、L为线圈长度，在线圈体积一定时，线圈的匝数由漆包线的线径间接决定。

针对小体积线圈常用漆包线标称直径0.300mm、0.315mm、0.335mm、0.355mmm、0.375mm。通入安全电流大小由以下公式：

I＝S·j

其中，I为安全电流大小，S为导线截面积，j为导线载流密度，连续工作空气散热，载流密 度取4.5A/mm2，则以上导线通入安全电流大小如下表：

表1载流要求表

标称直径(mm)	0.3	0.315	0.335	0.355	0.375
						安全载流密度(A/mm2)	4.5	4.5	4.5	4.5	4.5
安全电流(A)	0.353	0.39	0.441	0.495	0.552

若线圈尺寸与磁环内外径相同取D20mm*d8mm，高度取12mm，根据线圈匝数估算公式，可得匝数N：

S＝k·N·A

其中，k为线圈绕紧系数，与绕线工具、绕线技术等因素有关一般取1.1～1.2，S为线圈截面 积，A为导线截面积。因此上述各种线径漆包线绕制指定尺寸线圈生成匝数如下：

表2不同线径线圈匝数

标称直径(mm)	0.3	0.315	0.335	0.355	0.375
						匝数(n)	926	840	743	661	593

2-1.发热功率线圈外形尺寸相同，不同的线径绕制的线圈散热表面相同，散热条件也相同， 则上述线径漆包线工作时发热根据焦耳定律：

P＝I²R

P：发热功率W；I：加载电流A；R：导线电阻Ω。

表3发热功率

结果为0.335mm的导线发热最小而0.355mm导线发热情况最严重。

2-2.电磁力大小由仿真可得，NdFe35辐射磁环在线圈处产生的磁场强度大小约为0.1B，则线圈受到磁场分量Bx、By共同作用，x、y分别为径向分量与轴向分量，若产生轴 向安培力fy，则磁场径向分量Bx起主导作用，则每匝导线受到的轴向安培力大小为：

f_y＝2πr_kB_xki_k

其中，r_k为第k匝导线线圈半径，B_xk为第k匝受到的径向磁场强度，i_k为第k匝输入电流大 小并为常数，则总轴向力大小为：

因为i＝S·j，则

其中，V为线圈体积，由于线圈制定尺寸相同因此体积相同，为磁场平均大小，从上式看出 轴向力大小与线圈总匝数N相关。

综合考虑，由于望远镜通常工作持续时间数小时，并且安装在大口径天文望远镜中的 促动器数量很多，若线圈易发热可能会导致望远镜内部与外部温差较大因此空气对流影响观 测，再加上力促动器所需电磁力不大，因此选择使用QZ-2/130漆包线0.335mm漆包线，在 提供设计电磁力的同时也能保持最低的发热量。

3、音圈电机模拟仿真计算：由于磁场变化的复杂性，安培力公式在选型中由指导意义 但是准确计算复杂磁场中磁场力远远不够，因此使用有限元仿真软件进行计算易上手又快速 准确。

通过比较各种不同的电磁场仿真软件，最终选择使用Ansoft公司的Maxwell软件进行 音圈电机的建模以及全面的仿真；通过在软件中建立简易的永磁体-线圈对置模型并进行受力 的仿真计算，对比不同线圈情况下永磁体受力结果。

其中，永磁体的材料为NdFe35，设置辐射充磁方式，此牌号钕铁硼磁铁的参数为矫顽 力Hc＝-890KA/m，剩磁Br＝1.23T。参照图8。

3-1不同气隙大小时受力计算

首先，建立通电线圈的有限元仿真模型，施加如图6a、图6b所示方向电流，绕坐标系Z轴顺时针方向，线圈尺寸D20*d8*H12，采用标称直径0.335mm的漆包线绕制，计算可得匝数 约为743匝，施加0.441A的电流激励，在Ansoft Maxwell中线圈电流激励设置大小为安培与匝数的乘积，因此设置整个线圈通入电流大小为327A·匝。参照图9。

通过改变线圈与永磁体间气隙大小，计算不同距离时永磁体受力大小。距离从0.1mm 至1.0mm，每0.1mm计算一次，结果如图10a、图10b。

从计算结果中可以看到随着气隙的增大电磁力减小，即永磁体与线圈距离越近受力越 大，因此在实际应用音圈式力促动器时应当在满足动子行程范围时尽量保证最小的气隙，来 达到最高的力效率。

3-2.不同线圈外径大小时受力计算

计算匝数与内径一定时，通过外径大小变化对电磁力产生的影响，保持内径8mm、匝数743 时不同外径时的线圈高度对应关系为：

表4保持内径、匝数，外径与高度对应关系

外径mm	16	17	18	19	20	21	22	23	24
										高度mm	21.00	17.92	15.51	13.58	12.00	10.69	9.60	8.67	7.88

仿真计算结果如图11a、图11b、图11c：

图中d1大小为外径，电磁力的单位为牛顿，下方曲线图表示电磁力与电机效率ε随外径变化 而变化的趋势，电机效率表示电磁力与线圈发热耗散功率平方的比值：

电机效率是评量电机的一项重要指标，通常应用于自适应光学变形镜促动器的电机要求电机 效率ε大于0.45。

结果中得出当内径保持不变时，在以上的外径选择中随着外径的增大力变大，但是当 外径超过与磁环相同的20mm时，力变大的幅度减小。

3-3.不同线圈内径大小时受力计算

保持匝数与外径一定时，通过改变内径大小计算电磁力变化，固定外径为20mm、匝数743， 不同内径时的线圈高度为：

表5保持外径、匝数，内径与高度对应关系

内径mm	4	5	6	7	8	9	10	11	12
										高度mm	10.50	10.75	11.08	11.49	12.00	12.64	13.44	14.45	15.75

仿真计算结果如图12a、图12b、图12c所示；

结果中纵轴d2为内径，横轴h2为不同内径时对应的线圈高度，两曲线图展示出电磁力、电 机效率随内径改变的趋势。

从结果中得出随着内径的增大，电磁力大小的变化先增大再减小，当线圈内径与磁环 内径一致时，电磁力显示为峰值1.15N，且电机效率也仅小于效率峰值，因此对置型音圈电 机线圈内径应与磁环内径尺寸保持一致。

实验验证：

进一步通过实验来验证仿真计算的可靠性。采用径向充磁的1/4汝铁硼磁环拼接组成类辐射 充磁圆环，材料牌号：N35，其矫顽力Hc＝-890KA/m，剩磁Br＝1.23T。磁环外径21.5mm， 内径14.5mm，厚度3.8mm；

其充磁方式与极性如图13a、图13b所示；

线圈为线径0.355mm的QZ-2/130漆包线绕制，尺寸与磁环尺寸相对应，外径18mm，内径8mm，厚度12mm，匝数约为470，实验装置如图14。首先，线圈通过底座与试验台相固定， 永磁体拼环与拉压力传感器固连，通过3自由度微位移平台来调节磁铁上表面与线圈下表面 的平行度，并上下调节他们之间的距离，控制和改变永磁体与线圈间的气隙大小；控制方面使用使用信号发生器和功率放大器作为激励源，驱动电机动子运动；通过拉压力传感器监测 电磁力的大小变化，并通过上位机采集数据并记录。

实验中通过改变电流与气隙大小，并测量电磁力的大；，由于通入线圈恒定电流，因此 不会造成磁场的变化，永磁体与线圈紧密固定于实验装置上不会出现往复运动与位移，通过 微位移平台每改变20μm气隙记录一次电磁力大小。实验结果如图14：

其中，横坐标为气隙大小，单位为10μm；纵坐标为电磁力大小，单位为牛顿；不同颜色的曲 线为通入不同大小电流不同气隙的电磁力大小变化。可以看出电磁力大小随气隙增大而减小， 随电流增大而增大，总体变化成线性，与仿真相近，电磁力数值差距由于仿真建模与实物的 参数差别、理想与现实环境的差别，且线圈与拼环内外径尺寸相差较大，不过当通入0.8A及 以上大小电流时能产生0.6N以上电磁力，根据仿真结果设计音圈电机可以满足实际中使用需 求。

综上所述，本发明针对应用于8米级口径的地基自适应光学望远镜中促动器的要求， 设计了一种新型的音圈电机，具有结构简单、体积小、大电磁力等特点。通过理论计算、计 算机仿真计算相结合的方法对设计结构进行了验证，然后对音圈电机主要组成部分永磁体与 电磁线圈进行了选型和设计，最后使用现有材料和装置进行了实验验证。使用辐射充磁的N35 钕铁硼磁环和0.335mm线径绕制的漆包线，在节约成本的前提下实现了音圈电机体积压缩、 发热量小、输出力大于0.6N、电机效率ε大于0.45等要求。从而对于使用音圈电机驱动的自 适应光学力促动器的实际应用具有重要的意义。

本发明克服了现有技术的不足：本发明将克服现有技术的上述缺点：缩小音圈电机的 径向尺寸和空间占用、消除动圈式音圈电机在线圈快速高频往复运动时的短路故障、减少音 圈电机动子质量及运动惯量、克服了音圈电机线圈发热对镜面的影响，通过优化磁场设计， 本发明的设计电机具有很高的电机效率，能够通过高频小电流达到较大的推动力。本发明电 磁力可以达到1N以上，通过现有材料进行实验电磁力也到达0.6N，电机效率达到0.45N/√W， 满足设计使用要求，并且还具有小电流、小体积等优势。因此可以使用在大口径自适应光学 望远镜促动器中，能满足大口径自适应变形镜的要求。

附图说明

图1a为传统结构音圈电机示意图；图1b为集中通量式音圈电机结构示意图；

图2为线圈与磁铁相对放置结构示意图；

图3a为磁环的轴向充磁示意图；图3b为磁环的径向充磁示意图；图3c为磁环的辐射充磁示 意图；

图4a、图4b为线圈设置示意图；

图5为永磁体设置示意图；

图6a、图6b为辐射充磁空间磁感应强度示意图；

图7a、图7b为辐射充磁空间磁感应强度示意图；

图8为永磁体性能参数设置示意图；

图9为电流激励方向示意图；

图10a、图10b为改变气隙大小受力结果示意图；

图11a、图11b、图11c为改变外径电磁力结果示意图；

图12a、图12b、图12c为改变内径电磁力结果示意图；

图13a、图13b为拼环极性示意图；

图14为实验结果曲线图。

具体实施方式

实施例1，参照图3-图14：一种用于大口径自适应变形镜的音圈电机，设有圆柱状线 圈1，线圈顶面与上方固结于镜面背面的永磁体2，之间形成极小的气隙，在磁体2与中心轴 外部为软铁壳3，该音圈电机采用动铁式结构，该圆柱状线圈1与镜面隔离。永磁体2设置在与圆柱状线圈1轴向排列的位置上，并且该永磁体2天文望远镜的镜面直接粘接固定。在永磁体2的轴向外侧，设置有径向的塑料板6。所述的永磁体2采用辐射充磁的永磁环；所 述的圆柱状线圈1中的导线采用直径为0.335mm的导线；电机工作时，动子与线圈之间的气 隙厚度在0.1mm上下波动；所述的圆柱状线圈1中通入电流的大小为327A·匝；圆柱状线 圈固定外径为20mm、匝数为743；圆柱状线圈内径与磁环内径尺寸保持一致。满足动子行程 范围时尽量保证最小的气隙。

Claims (8)

1.一种用于大口径自适应变形镜的音圈电机，设有圆柱状线圈，圆柱中心杆与包围在中心杆周围的永磁体形成气隙，在磁体与中心轴外部为软铁壳，该音圈电机采用动铁式结构，其特征在于，所述的圆柱状线圈安装在底部软铁外壳中，该圆柱状线圈与镜面隔离，所述的永磁体设置在与所述的圆柱状线圈轴向排列的位置上，并且该永磁体天文望远镜的镜面直接粘接固定。

2.根据权利要求1所述的用于大口径自适应变形镜的音圈电机，其特征在于，在所述的永磁体的轴向外侧，设置有径向的塑料板。

3.根据权利要求1所述的用于大口径自适应变形镜的音圈电机，其特征在于，所述的永磁体采用辐射充磁的永磁环。

4.根据权利要求1所述的用于大口径自适应变形镜的音圈电机，其特征在于，所述的圆柱状线圈中的导线采用直径为0.335mm的导线。

5.根据权利要求1所述的用于大口径自适应变形镜的音圈电机，其特征在于，所述的圆柱状线圈中通入电流的大小为327A·匝。

6.根据权利要求1所述的用于大口径自适应变形镜的音圈电机，其特征在于，所述的圆柱状线圈固定外径为20mm、匝数为743。

7.根据权利要求3所述的用于大口径自适应变形镜的音圈电机，其特征在于，所述的圆柱状线圈内径与永磁环内径尺寸保持一致。

8.根据权利要求1-7之一所述的用于大口径自适应变形镜的音圈电机，其特征在于，所述的满足动子行程范围时的基准气隙为0.1mm。