直线音圈电机结构设计与数学建模分析

二、由运动方程式
J d
dt
可知：
当 T=Tl 时， dΩ/dt=0，电力拖动系统，处在匀速旋转（含静止不动）的稳态中。
当 T>Tl 时，dΩ/dt>0，电力拖动系统处在加速（或反向减速）状态 。
当 T<Tl 时，dΩ/dt<0，电力拖动系统处在减速（或反向加速）状态 。
三、电力拖动自动控制系统（调速系统）控制的目标是速度
1.2 Psim6.0仿真软件的使用
1） Psim是一家加拿大的公司编写的专门适合于电力电子 的仿真软件。采用特殊的算法保证实际系统的收敛性， 现在我们看到的版本是Psim6.0。这个版本可以在XP 下运行的。以前的版本不能在XP下运行的。而且这个 软件是一个绿色软件。里面有很多的帮助。
2） psim的特点：软件小，算法单一，非线性问题有专门 算法，属于电气工程的专门软件。
3） MATLAB是一种直译式的高级语言，比其它程序设 计语言容易
4、MATLAB语言与其它语言的关系仿佛和C语言与汇编 语言的关系一样
计算机语言的发展
数值运算
管理、可视化
智能化 解析运算
标志着计算机语言向“智能化”方向发展，被称为第 四代编程语言。
5、 MATLAB已经不仅仅是一个“矩阵实验室”了，它集 科学计算、图象处理；声音处理于一身，并提供了丰富 的Windows图形界面设计方法
PSPICE则是由美国Microsim公司在SPICE 2G版本的基础上升级并用于PC 机上的SPICE版本，其中采用自由格式语言的5.0版本自80年代以来在我国得 到广泛应用，并且从6.0版本开始引入图形界面。1998年著名的EDA商业软件 开发商ORCAD公司与Microsim公司正式合并，自此Microsim公司的PSPICE产 品正式并入ORCAD公司的商业EDA系统中。目前，ORCAD公司已正式推出 了ORCAD PSPICE Release 9.0，与传统的SPICE软件相比，PSPICE 9.0在三大 方面实现了重大变革：首先，在对模拟电路进行直流、交流和瞬态等基本电

ｌ ｅ ｒ ｍｏ ｏ ｓｉ ｔｉｅ ｉ ａ ｔｒ ｎ ｄｅａｌ ｄ． Ｔ ｅ ｔ ｐ ｃ ｌａ ｐｌ ａｉ ｎ ａ ｄ ｒ ｃ ｎｔｓｕｄ ｅ ｆｖ ｉｅ ｃ ｉ ｉ ｅ ｒｍｏ ｏ ｓｗｅ ｅ ｐ ｅ — ｎ ｈ ｙ ｉａ ｐ ｉ ｔ ｎ ｅ ｅ ｔ ｉｓｏ ｏｃ ｏｌｌｎ ａ ｔｒ ｒ ｒ ｓ ｃ ｏ ｅ ｔ ｄ． ｎｅ
关键词 ：直线电动机 ；优化设计；伺服控制；应用
Ｄｅ ｉ ｎ ａ ｎｔｏｌＡｐ ｉ ａ ｉ ｎ ｏ ｉｅ Ｃｏ ｌＬｉ ａ ｏ ｏ ｓ ｓｇ ｎｄ Ｃｏ ｒ ｐｌｃ ｔｏ ｆＶｏ ｃ ｉ ｎｅ ｒ Ｍ ｔ ｒ ＣＨＡＮＧ ｅ ｆ ｎ Ｘｕ —ｅ ｇ， ＣＨＥＮ ｕ— ｎ Ｙｏ ｐｉｇ， ＡＩＷ ｕ， Ｚ ＨＯＵ － ｅ Ｚｕ ｄ
丝杠 驱 动方 式 的 一 些 不 足 ，具 有 结 构 简 单 、动 态 响应 快 、调 速 范 围 宽 、定 位 精 度 高 等 优 点 。随 着 设计 水平 与控 制 技 术 的不 断 发 展 ，音 圈 直 线 电机 的应 用范 围不 断 扩 展 ， 目前 在 各 类 短 行 程 的 闭 环
Ｋｅ ｏ ｄ ： Ｌ ｎ ａ ｔｒ Ｏｐ ｉ ｌｄ ｓ ； Ｓ ｒ ｏ ｃ ｎ ｒ ｌ Ａ ｐ ｉ ａｉ ｎ ｙＷ ｒ ｓ ｉ ｅ ｒｍｏｏ ； ｔ ｍａ ｅ ｉ ｎ ｇ ｅｖ ｏ ｔ ； ｐ ｌ ｔ ｏ，顾 名 思 义 ，其 原 本 的 主要 用 途 为 推 动音 响 喇 叭 ，根 据 运 动 形 式 的 不 同 ，可 分 为 旋 转 式 与直 线 式 。音 圈 旋 转 电机 可 视 为 一 种 单 相 直 流 电机 ，只 是 其 旋 转 角 度 受 到 限 制 ，一 般 小 于
Ａｂｓｒ ｔ：Ｖｏ ｃ ｏ ｌｌｎ ａ ｔｒ ｒ ｉｅ ｔｄ ｖ ｔａｃ ｉｅ ｃ ｉ ｉ ｅ ｒｍｏｏ ｓｗｅ ｅ ｄ ｒ ｃ ｒ ｅ， ｌｎ ａ ｏ ｔｏ ， ｎ ｎ－ ｏ ｉ ｉｅ ｃ ｎｒｌ ｒ ｏ ｃ ｍｍｕ ａｅ ｉ ｔ ｄ ｍｏｉ ｎ ｅ ｔ ｔｄ ｌ ｅ ｔ － ｍｉ ｏ ｌｃｒ ｍａ ｎ ｔｃ ｄ ｖ ｃ ｓ Ｔｈ ｉ ｌｈ ａ ｃ ｌｒ ｔｏ ｅ ｔｏ ｇ ｅｉ ｅ ｉｅ ． ｅ ｒｈｉ ｃ ｅ ｅ ａｉｎ，ｈ ｇ ｒ ｃ ｓｏ ｇ ｉ ｈ ｐ ｅ ｉｉｎ， ｆｓ ｅ ｐ ｎ ｅ ｃ ｒ ｃ ｅ ｓｉ ｓｍａ ｅ ｖ ｉｅ ａ ｔｒ ｓ ｏ ｓ ｈａ ａ ｔｒ ｔｃ ｄ ｏ ｃ ｉ ｃ ｉ ｌｎ ａ ｔｒ ｄ ａ ｏ ｈ ｒ—ｔｏ ｅ ｃ ｏ ｅ ｏ ｐ ｓ ｒ ｏ ａ ｐ ｉ ａｉｎｓ Ｔｈ ｓｐ ｐ ｒｄ ｓ ｕ ｓ ｄ ｔ ｅ ｓｒ ｃｕｒ ｏ ｌ ｉ ｅ ｒｍｏｏ ｓｉ ｅ ｌｆ ｒｓ ｏ ｔｓｒ ｋ ｌ ｓ ｄ ｌ ｏ ｅ ｖ ｐ ｌｃ ｔｏ ． ｉ ａ ｅ ｉｃ ｓ ｅ ｈ ｔｕ ｔ ｅ

数学建模
永磁同步直线电机
为了方便分析控制性能和导出控制方法引入坐标变换
• 三相交流变量 Clarke变换 • 两相交流变量 Park变换 • 两轴直流变量
三相交流静止坐标系
变 换 矩 阵
两相交流静止坐标系
变 换 矩 阵
两相旋转坐标系
建模前的假设
• 1）不考虑磁路饱和，忽略端部效应(如极数尽量取多，行 程两端留有较长的25Ω
永磁同步直线电机的 d-q 轴模型
参数： L 为电枢轴电感 p 为极对数 Ψf为定子永磁体在电枢中的耦合磁链 Ke= Ψf· p 为反电动势系数 Kt=K·Ψf为推力系数 v 为电机速度 M 为动子和负载的质量 B为粘滞摩擦系数 Fm为电磁推力 Fd为负载阻力
永磁同步直线电机的数学模型框图
电枢电阻的计算

+
−
0
Fd m

阻力 Fd 的组成比较复杂，包括因安装结构造成的与位置
成非线性关系的阻力，以及各种随机的外力抖动干扰，这些
因素也会对系统的跟踪性能造成影响。在设计控制器时，需
要将参数摄动和外力扰动的影响尽可能降低，保证系统的跟
踪性能。
2 鲁棒跟踪控制方法
在实际应用中，对于机械抖动信号无法事先知道，使参 考输入不易预知，因此抖动信号虽然可测，却无法包含在广 义系统的线性模型中。本文将抖动信号用外部扰动来等效， 将跟踪问题转化为标准 H∞ 控制问题，并通过鲁棒 H∞ 控制器
Abstract: For the servo system of linear motion in narrow space, this paper designs a flat-section linear voice coil motor, and adopts a robust tracking control strategy to equivalent the jitter signal to a bounded disturbance, through the state feedback controller of the generalized system. Overcome the influence of uncertain disturbances and ensure the robustness of the system. The simulation results show that the servo system and control method can accurately track the input signal, and reduce the influence of disturbance and parameter variation on system performance, and effectively improve the servo performance and robustness. Keywords: Linear voice coil motor; servo control; robust control

用于斯特林热机的动圈式直线电机设计与分析贾红书;洪国同;陈厚磊【摘要】In order to develop linear motor for free piston Stirling generator, moving coil linear motor structure was designed. Magnetic field of the motor was obtained by finite element simulation and testing, and the output characteristic were studied. The calculated results of magnetic field using the finite element software ANSYS meet the experimental results, and the results show that magnetic flux density a-chieved 626 mT at the air-gap is 6 mm. Experimental system for testing output characteristics of the moving coil motor was established. Output characteristics testing of moving coil linear motor was conducted. The results show that effective output voltage increases linearly with displacement at constant magnetic field strength, coil length and moving frequency. The slope is the function of coil impedance and external load. Moreover, the output voltage increases at load resistance under conditions of same input voltage at a constant coil displacement. The calculatied natrual frequency is 16. 5 Hz. The output current of the motor decreases with the increasing of work frequency away from the system natural frequency, and the efficiency of the system is 20% .%为了研制用于自由活塞斯特林发电机的直线电机,完成动圈式直线电机结构设计,模拟并测试电机磁场强度,对发电机的输出特性进行实验研究.采用有限元软件ANSYS计算电机的磁场密度,并与测试结果进行比较,气隙宽度为6 mm时,磁通密度为626 mT,计算结果与测试值一致；搭建动圈式发电机的输出特性测试系统,进行实验研究.实验结果表明,磁场中线圈长度和电机频率不变时,有效输出电压随线圈位移线性增大,斜率与线圈阻抗和外接负载有关；系统的固有频率计算值为16.5 Hz,当工作频率远离系统固有频率时,电机输出电流随工作频率的增大而变小,系统效率最高为20％.【期刊名称】《电机与控制学报》【年(卷),期】2011(015)012【总页数】5页(P21-25)【关键词】动圈式直线电机;自由活塞斯特林发电机;磁通密度;输出特性;频率【作者】贾红书;洪国同;陈厚磊【作者单位】中国科学院理化技术研究所,北京100190;中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院理化技术研究所,北京100190;中国科学院理化技术研究所,北京100190【正文语种】中文【中图分类】TM340 引言斯特林发动机是一种外部加热闭式循环的能量转化装置，具有同卡诺循环相同的热效率，可以采用多种外部热源，如液态燃料、煤、生物质能、太阳能、同位素热源以及多种余热能，通过工质的热力循环将热能转化为活塞运动的机械能。

不能用于电机动态特性的分析。 电机分析的重要性：
1、用于电机正常工作状态和特殊工 作状态的动静态特性的分析和计算；
2、电机分析所建立的状态方程是现 代电机控制理论的基础。
特殊电动机超直声线波电电机机直 直直线 线线异 同磁步 步阻电 电电机 机机（ （短 长定 定子 子） ）
电机分析基础
磁耦合电路 机电能量转换 绕组和磁动势（MMF）
鼠笼转子(squirrel cage)异步电动机
通常的异步电动机有两类： 1、绕线转子(wound rotor)异步电动机 2、鼠笼转子(squirrel cage)异步电动机
异步电动机的结构特点
Stator of a large induction motor. (Siemens).
鼠笼转子(squirrel cage)
度差120°电角度的三相绕组（abc）。用矢量图
表示如右图所示。
工作原理：稳态运行时，异步电机定子三相绕组 c轴
流过频率为f1, 幅值相等,相位相差120的三相对
称交流电,这样就会在电机气隙中产生一个匀速
旋转的磁场, 其旋转速度又称为同步角速度，用
ω1=2πf1表示，在该旋转磁场的作用下，异步
电机的转子也随之旋转，旋转电速度用ωr表示，
通常情况下， ωr<ω1，即电机工作于异步方式。
它们之间的差值称为异步电机的滑差角频率，表
示为sω1= ω1- ωr ，异步电机的滑差率定义
为：
s (1 r )1
b轴
u ib2 b2
B轴
uc2 ic2
uc1 ic1
ub1 ib1
ua1 ia1
ua2 ia2
A轴
r a轴
异步电机的空间位置关系

2021年3月电工技术学报Vol.36 No. 6 第36卷第6期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Mar. 2021DOI: 10.19595/ki.1000-6753.tces.200725音圈电机结构优化及应用综述柴嘉伟贵献国（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院哈尔滨 150001）摘要音圈电机是一种不需要任何机械传动环节，就可以将电能转化为直线运动机械能的直线电机。

由于具有结构简单、体积小、响应速度快、定位精度高、易于控制等优点，音圈电机广泛应用于国民经济的诸多领域。

该文首先简述音圈电机的理论基础，阐述音圈电机的工作原理、结构分类以及各结构的特点；然后，结合国内外学者对音圈电机的结构优化，对音圈电机提高力常数和定位精度的方法进行归纳总结；最后，对音圈电机的主要应用领域进行综述，并对其发展趋势和研究热点进行讨论和展望。

关键词：音圈电机结构优化力常数定位精度中图分类号：TM359.9Overview of Structure Optimization and Application of Voice Coil MotorChai Jiawei Gui Xianguo（School of Electrical Engineering and Automation Harbin Institute of TechnologyHarbin 150001 China）Abstract Voice coil motor is a linear motor that can convert electrical energy into linear motion mechanical energy without any mechanical transmission. Due to the advantages of simple structure, small size, fast response speed, high positioning accuracy and easy control, voice coil motors are widely used in many electrical fields. This paper briefly described the theoretical basis of the voice coil motor, and explained the working principle, structural classification and characteristics of each structure of voice coil motor. Besides, based on the research of domestic and foreign scholars on the structure optimization of voice coil motor, this paper summarized the methods of improving the force constant and positioning accuracy of voice coil motor. Furthermore, the main application fields of voice coil motor were summarized, and their development trends and research hotspots were discussed and prospected.Keywords：Voice coil motor, structure optimization, force constant, positioning accuracy0引言音圈电机是一种直接驱动的无迟滞设备[1-2]，利用永磁体产生的磁场与通电线圈的相互作用产生驱动力。

(收稿日期：2020・07・13)
— —666—
姚代祯等:直线电机车辆机电动力学模型的构建与分析
械阻力主要由轮轨之间的摩擦碰撞产生，而气动阻 力则与车辆的运行速度有关，随着运行速度的提升, 气动阻力占总阻力的比重不断增加［⑵。以下是空 气阻力的计算公式［⑶:
式中Sc为车辆横截面积,。为车辆运行速度,C°为 气动阻力系数，入为综合水力摩擦系数,P为空气密 度,d为车辆水力直径丿为列车长度。
[8] 王晨，许自强,马卫华，等.两种米轨机车转向架动力 学性能分析[J].机械设计与制造,2017(5) ：48-51
[9] 庞绍煌，耿明.宜线电机在轨道车辆运用中的三维分 析[J].电力机车与城轨车辆,2004, 27(1)=31-33
[10] 徐菲菲.地铁车辆制动能量回收利用研究[D].南京： 东南大学电气工程学院，2017：2-6
0引言
1直线电机车辆的基本结构及工作原理
轨道交通在现代化城市中扮演着极其重要的角 色，是整个城市是否活跃的重要标志,它的运行平稳 性及安全性是衡量它是否能够正常服役的决定性因 素。直线电机地铁车辆以其独特的工作原理及相比 于传统旋转电机车辆的巨大优势，越来越具有发展 潜力。
直线电机车辆系统是一个复杂且强耦合的电磁 机械系统，其中涉及了诸多学科的理论知识，包括了 电磁学和力学以及其演变的交叉学科，想要综合考 虑每个环节是很困难的。而机电耦合动力学则是将 这些因素巧妙合理地结合起来［⑺］。利用拉格朗日麦克斯韦方程,从机械与电磁能量层面进行模型建 立,分析车辆机械部件及电磁部分的相互作用规律。 通过Matlab软件进行模型求解，得到相关参数的变 化规律，以此来判断车辆的运行状况,从而分析岀车 辆服役时的运行安全性及平稳性⑶。
高技术通讯2021年第31卷 第6期：666-670

由于运动部件、弹性元件和线圈形状的差别, 音圈直线电机的结构形式可以分为:
( 1)动圈型和动磁型。动圈型的结构磁铁与导 磁材料之间无相 对位移, 可 以避免磁 滞损失, 容 易获得较 强的 磁场, 具 有更 好的 快速 响应 能力。 缺点是线圈可能出现断路, 易受发热问题的影响。 动磁型结构线圈 部分固定, 不会有断 路问题, 允 许的电流更大。缺点是为了减小运动部分的质量, 采用较小的磁铁则磁场较弱。
D esign and C ontro l App lication of V oice Coil LinearM otors CHANG Xue- feng, CH EN You-ping, A IW u, ZHOU Zu-de
( State K ey L aboratory o f D ig ita lM anufacturing Equ ipm ent& T echno logy, H uazhong Un iversity of Science and T echno logy, W uhan 430074, Ch ina) Abstract: Vo ice co il linearm o tors w ere d irect drive, linear contro,l non-comm utated lim ited m otion electrom agnet ic dev ices. T he ir h igh acce leration, high prec ision, fast response characteristics m ade vo ice co il linear mo tors ideal fo r shor-t stroke closed loop servo applications. Th is paper d iscussed the structure and basic principle o f vo ice co il linear m oto rs, and analyzed the design and contro l m ethod of vo ice co il linear m otors in deta iled. T he typ ica l app lication and recent stud ies of vo ice coil linearm oto rsw ere presen ted. K ey W ords: L inear m otor; Opt im al design; Servo contro;l App lication

k 改写成 k = {2_ 1_ 2 / [_ 4 r (_ 1 l2 + _ 2 l1 ) ]}1 /2 ≈ ( 2_ 1 /_ 4 )1 /2 {1 / [(l 1 + l 2 )r ]}1 /2 = k1 {1 / [r (l 1 + l2 ) ]}1 /2 ,
(即绕组 ) 相对定子的速度 . 由于定子也在运动 ,
而动子平衡方程式要以动子相对导轨的速度 v1
作变量 ,所以需找出 v 与 v1的关系 . 设定子运动
速度为 v2 ,定、动子质量分别为 M 和 m ,由动量
一个既简明又较实用的数学模型 .
电机的磁路结构剖面简图见图 1. 电机采用
钕铁硼稀土永磁体 ,去磁曲线见图 2. 除芯柱外 ,
设电机的磁路是分段均匀的 .沿图 1中主磁通路
径 (虚线所示 ) 积分得
l1 H1 + l 2 H2 + r H3 /2+
L
∫ H4 (x ) dx + l5 H5 = l 1 Hr , x
1996年 8月 J. Hua zhong Univ. of Sci. & Tech. Aug. 1996
音圈电机的数学模型及仿真
黄声华 陶醒世 傅光洁
(电力工程系 )
摘 要 从应用角度出发 , 建立了音圈电机的数学模型 , 导出了电磁力表达式、定子可动式结构的电压平衡 方 程和力学平衡方程 . 在模拟电机负载的静、动态摩擦力 的基础上 ,给出了音圈电机及其控制系统的模拟仿真 框 图和仿真 结果 . 结果表 明 ,音圈电 机的电磁力与电机 动子的位移有关 , 通过合理设计 ,可以减弱 动子位移对电 磁力的影响 . 所提供的系统仿真方法 ,为合理有效地控 制音圈电机奠定了基础 . 关键词 音圈电机 ;数学模型 ;仿真 分类号 TM 35

直线音圈电机结 构及工作原理
目录
1
音圈电机介绍
直线音圈电机构造及工作原理 音圈电机应用
2
3
1.音圈电机介绍
类型：一种特殊形式的直接驱动电机。
结构：类似于喇叭的音圈 运动形式：直线或者圆弧。 特点：结构简单、体积小、高频响、高精度……
外壳
永磁体
2.构造及工作原理
S极 N极 永磁体 铁芯
铁芯
线圈
FFS来自NN极S极 永磁体
磁路形式
工作原理
给线圈施加电压则在线圈里产生电流，进 而在线圈上产生与电流成比例的力，使线圈在气 隙内沿轴向运动，通过线圈的电流方向决定其运 动方向。 当线圈在磁场内运动时，会在线圈内产生 与线圈运动速度、磁场强度、和导线长度成比例 的电压(即感应电动势)。 提高气隙磁通密度B，减少运动部件的质量 可以减少机电时间常数，提高系统响应速度。
3.音圈电机的应用
1.光盘和硬盘驱动
用音圈电机为磁盘头提供运动，并在磁盘表 面对磁盘头进行定位。
2.用于半导体加工的XY坐标型精密定位工作台驱动电机
谢谢观看

「讲解」电机仿真案例介绍！讲解直线电机或发电机的建模仿真来源：机械社区“AC/DC 模块”中的旋转机械，磁场物理场接口可用于模拟旋转机械，如电动机或发电机。

利用磁场和移动网格这两个物理场接口模拟直线设备或管式设备时，定制的线性周期性边界条件是非常适合的。

在本篇文章中，我们将探索如何定制线性周期性边界条件，并模拟用于波浪能的管式发电机。

直线电机或发电机直线电机 (LEM) 是一种能进行直线运动的机电设备，无须使用任何机构它就能将旋转运动转换为直线运动。

直线电机和旋转电机相似，定子和转子沿径向平面被切割并展开以提供线性推力。

相同的电磁力在旋转电机中产生扭矩，在直线电机中则产生直接的线性力。

值得一提的是，“AC/DC 模块”中的旋转机械，磁场接口包含模拟旋转机器所需的所有功能部件。

该接口结合了磁场接口；磁场，无电流接口和移动网格接口。

经定制后此接口适用于模拟旋转机器，由此极大地简化了静态域和旋转域的定义，以及两者之间接口的处理。

在模拟模型的扇形区域或某一部分以获得完整设备的仿真结果时，扇区对称和周期性边界条件这样的功能部件也极其有用。

尽管该接口显著减少了建立旋转运动模型所需的工作，但直线运动中不能使用该接口。

下面，我们将演示如何对磁场和移动网格这两个物理场接口定制耦合来模拟管式发电机。

另外，还会解释如何创建线性周期性边界条件，这是利用广义拉伸算子模拟直线/管式电机或发电机的一个重要元素。

用于波浪能转换系统的管式发电机管式电机在许多应用中受到青睐，从车辆的主动悬架系统到潮汐能和波浪能转换系统都有涉及。

管式电机的传输效率比传统的直线和旋转转换系统高出许多，因为推力直接作用于负载。

管式电机的另一个优势是，没有定子端部绕组。

因此，铜损相对较少，永磁材料的利用率很高。

下面，我们将讨论对管式发电机进行模拟的技巧（如下图所示）。

管式发电机包含两个主要零件：一个静态定子和一个作直线移动的滑块。

定子由三相绕组和一个非线性磁芯构成。

微电机MEROMOTORS第53卷第1期020年 1月VvP23. No 12Dec. 2020“工字形”直线超声电机的结构设计与模态分析张 健1,王笑竹9何 勅2,荆 珂1(1.营口理工学院，辽宁营口 11501； 2.辽宁工业大学，辽宁锦州121001摘 要：为了提高直线超声电机的输岀性能，研制了纵弯复合模态“工字形”直线超声电机，对“工字形”弹性体的几种复合振动模态及其驱动方案进行了分析，确定了振子的工作模态。

完成了“工字形”振子的结构设计，利用An-is 软件对“工字形”压电振子进行了优化设计，确定了定子各结构参数。

纵向伸缩振动模态固有频率和弯曲振动模态固有频率分别为33.07kHz 和33.08kHz ,频率差8Hz 。

根据优化设计结果，试制了原理样机。

对样机的输出性能进行了实验研究。

实验结果表明：当驱动频率为31.10 kHz ,激励电压峰峰值为255V 时，电机动子V cx 为240mm/s ；驱动力F ”cx 为0.5N 。

关键词：直线超声电机；“工字形”压电振子；复合模态；优化设计中图分类号：TM357. 2 文献标志码：A 文章编号：1001-6848(2020)12-0029-05StrcctorcO Desion and ModaO Analysis of Gong-shaped Lineer Ultrcsonio MotorZHANG Jinn 1, WANG Xiaozhu 1, HE Qing 2, JING Ke 1(1. Yingkon Insthuto cf Technolof,, Yingkon Liaoning 115014 , CCirrn ；2. Liaoning University of Technolofy , Jinzhon Liaoning 1101, CCirrn /Abstrcct : In OTOar to improvv the output performanca of linen ultrasonOc motoo , a longituXinal-4evgmg composiia moOa " gong ・sUdpeV ” linevo ultrasonOc motoo was dofopeV. Severat complea vibration moOes of"nona-sOdpeV ” elastomao ang thfo d/mng schemas were analyzef , ang the worOing moOes of the oscillatoo were determined. TOe stroctural design of the "gong-sUdneV ” piezoelectrOc oscillatoo was completed. TOe opstimum design of the "0011070x 0” piezoelecthc oscillatar was coyied oni by using Ansps $(00X0, ang the stroctural parameters of the stator were determined. TOe natural freguevcies of loogituUinal ang flexxratmoOes are 33. 08 kHz and 33. 08 kHz , /spectPely, with a f/quevey diOerevca of 8 Hz. According to the results of eptimizypn design , a prototype of the p/nciple was tPal-oroduced. TOe output pe/ormanca of the prototype was expe/mevtdPy stuUied. TOe expe/mentdl resulis show thai wOev the d/ving frequevey is31. 10 kHz , the peaP velue of excitation veltape is 255 V, the Vmax of the motor is 244mn^( ang the d/ving force F mpp is 0. 5N.Key worct : linevr piezoelecthc motor ； “001030x 3—” piezoelecthc vibrator ； composiie moPe ；de-signo 引言超声电机利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体在超声频率范围内微幅振动，将这种微幅振动转换成动子的旋转或直线运动，来实现功率输出以 达到驱动负载的目的［］。

音圈电机设计优化与分析潘新远1常以涛1张长胜22钱俊兵26(1.云南锡业股份有限公司铜业分公司；2•昆明理工大学2•信息工程与自动化学院；6.民航与航空学院)摘要针对精密仪器对作动器小空间尺寸、大推力及低热量扩散的特殊应用要求，通过分析传统音圈电机气隙磁场磁感应强度的不足，提出了气隙磁感应强度的改进结构，并通过Ansoft电磁有限元仿真软件验证了改进音圈电机结构的有效性和优异性，对音圈电机动子线圈的相关电磁参数进行了分析和计算，指明了音圈电机优化目标函数中主要影响的因素变量#关键词音圈电机优化设计Ansoft推力磁力线中图分类号TM302文献标识码A文章编号1000-3932(2020)06-0512-06音圈电机是一种简单的机电式直线电机，作为一种电磁驱动能量转换器,在电机、航空及流体控制系统等领域有着广泛的应用［I］O音圈电机由永磁体和电流驱动的电磁线圈组成，是一种小型化的直线或旋转驱动技术。

音圈电机满足空间或质量限制应用中的运动控制要求，例如在移动摄影中作为照相机镜头的执行器［2］,在医疗应用中作为左心室辅助设备［3］和呼吸机中的阀门控制⑷。

更普遍地说，音圈电机已广泛应用于各种领域，如汽车悬架［5］、纳米光刻和计量学［6］、激光雷达应用的光色散［(］、通用快速转向镜［)］和硬盘驱动器［9］%音圈电机的工作原理基于洛伦兹力定律，它将电流直接转化为运动，而不需要中间形式的能量转换［I0］o音圈电机具有结构简单、体积小、响应快、速度高、加速度高及控制简单等优点，广泛应用于高精度定位运动系统中［11-13］%现代生产中经常需要高精度的快速响应直线运动。

如果用带机械传动的旋转马达来实现直线运动，机械传动会产生齿隙和较大的摩擦力，而音圈电机是一种直接驱动电机，它使用永久磁场和线圈绕组产生与施加到线圈绕组的电流成比例的力［1%，15］，其固定部分为永磁体，运动部分为线圈绕组。

迄今为止，一些学者对音圈电机的性能提升已做出了较大的贡献。

音圈电机的原理及应用音圈电机(V oice Coil Motor)是一种特殊形式的直接驱动电机。

具有结构简单、体积小、高速、高加速、响应快等特性。

近年来，随着对高速、高精度定位系统性能要求的提高和音圈电机技术的迅速发展，音圈电机不仅被广泛用在磁盘、激光唱片定位等精密定位系统中，在许多不同形式的高加速、高频激励上也得到广泛应用。

如：光学系统中透镜的定位、机械工具的多坐标定位平台、医学装置中精密电子管、真空管控制等。

本文将系统讨论音圈电机的工作原理、结构及其应用场合。

1. 音圈电机的工作原理1.1 磁学原理音圈电机的工作原理是依据安培力原理，即通电导体放在磁场中，就会产生力F，力的大小取决于磁场强弱B、电流I、以及磁场和电流的方向(见图1)。

如果共有长度为L的N根导线放在磁场中，则作用在导线上的力可表示为F (1)kNBIL式中k为常数。

由图1可知，力的方向是电流方向和磁场向量的函数，是二者的相互作用，如果磁场和导线长度为常量，则产生的力与输入电流成比例，在最简单的音圈电机结构形式中，直线音圈电机就是位于径向电磁场内的一个管状线圈绕组(见图2)，铁磁圆筒内部是由永久磁铁产生的磁场，这样的布置可使贴在线圈上的磁体具有相同的极性，铁磁材料的内芯配置在线圈轴向中心线上，与永久磁体的一端相连，用来形成磁回路。

当给线圈通电时，根据安培力原理，它受到磁场作用，在线圈和磁体之间产生沿轴线方向的力，通电线圈两端电压的极性决定力的方向。

将圆形管状直线音圈电机展开，两端弯曲成圆弧，就成为旋转音圈电机。

旋转音圈电机力的产生方式与直线音圈电机类似，只是旋转音圈电机力是沿着弧形圆周方向产生的，输出转矩见图3。

1. 2 电子学原理音圈电机是单相两极装置。

给线圈施加电压则在线圈里产生电流，进而在线圈上产生与电流成比例的力，使线圈在气隙内沿轴向运动，通过线圈的电流方向决定其运动方向。

当线圈在磁场内运动时，会在线圈内产生与线圈运动速度、磁场强度、和导线长度成比例的电压(即感应电动势)。

线圈前移式直线音圈电机的设计与分析罗辞勇;王晓伟;孙军【摘要】针对直线音圈电机出力密度不高的问题,提出了线圈前移式电机结构.通过改变电机出力特性曲线,使其向右移动到合适位置,从而获得更大的平均出力密度以及更小的推力波动.采用磁路分析法推导该线圈前移式直线音圈电机在工作行程范围内的出力表达式,并分析其出力特性曲线.此外,通过有限元法仿真研究音圈电机的音圈前移量对电机平均出力的变化规律,从而分析确定前移量的理论优化值.最后,在理论与仿真的基础上,制作了实验样机,实验结果表明该样机的出力特性曲线与理论仿真结果基本一致,证明了线圈前移式结构在提高直线音圈电机平均出力和出力密度方面具有非常重要的意义.%A winding-forward linear voice coilmotor(VCM)is presented to overcome its lower thrust density.In order to obtain a higher average thrust density and a lower thrust ripple,the thrust character-istic curve of linear VCM was taken into account by moving it to the optimal position.Magnetic circuit a-nalysis was utilized to deduce the thrust formula of this winding-forward structure within the working stroke,and the thrust characteristic curve was analyzed.Moreover, the variation of average thrust with respect to the forward offset was analyzed by finite element method(FEA),and the optimal value of for-ward offset was obtained.Finally,the experimental prototype was made on the basis of theory and simula-tion analysis.The experimental results show that the thrust characteristic curve of the prototype is basical-ly consistent with the results of simulation, and play a great role in increasing the average thrust and thrust density of linear VCM.【期刊名称】《电机与控制学报》【年(卷),期】2018(022)006【总页数】7页(P22-28)【关键词】线圈前移式;音圈电机;有限元仿真;出力特性曲线;出力密度【作者】罗辞勇;王晓伟;孙军【作者单位】重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室,重庆400044;重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室,重庆400044;重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室,重庆400044【正文语种】中文【中图分类】TM359.40 引言近年来，随着工业级电机不断向着小型化、精密化方向发展，音圈电机越来越受到学者的广泛关注[1]。

微型特种电机直线电机和音圈电机介绍一、直线电机原理一般电动机工作时都是转动的．但是用旋转的电机驱动的交通工具（比如电动机车和城市中的电车等）需要做直线运动，用旋转的电机驱动的机器的一些部件也要做直线运动．这就需要增加把旋转运动变为直线运动的一套装置．能不能直接运用直线运动的电机来驱动，从而省去这套装呢？几十年前人们就提出了这个问题．现在已制成了直线运动的电动机，即直线电机．工作原理.直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。

它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成.由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。

在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。

直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。

考虑到制造成本、运行费用，目前一般均采用短初级长次级。

直线电动机的工作原理与旋转电动机相似。

以直线感应电动机为例：当初级绕组通入交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。

如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动；反之，则初级做直线运动。

直线电机的原理并不复杂．设想把一台旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开，并且展平，这就成了一台直线感应电动机．在直线电机中，相当于旋转电机定子的，叫初级；相当于旋转电机转子的，叫次级．初级中通以交流，次级就在电磁力的作用下沿着初级做直线运动．这时初级要做得很长，延伸到运动所需要达到的位置，而次级则不需要那么长．实际上，直线电机既可以把初级做得很长，也可以把次级做得很长；既可以初级固定、次级移动，也可以次级固定、初级移动．二、音圈电机所谓音圈直线电机(Voice Coil Motor)因其结构类似于喇叭的音圈而得名。

具有高频响、高精度的特点。

SUPT主要把此类电机分为圆柱型音圈电机和摆动型音圈电机。