文档介绍：略谈音圈电机结构的优化设计
1新型聚磁式音圈电机传统的聚磁式结构
由轴向充磁磁环、径向充磁磁环和轭铁构成，其性能虽优于轴向充磁式和径向充磁式结构，出力大小也能满足要求，但其出力的平稳性不够好。图6是由ANSYS仿真得到的聚磁式结构气隙磁场随轴向位移变化的曲线，很容易看出随着轴向位移的变化，磁场强度变化较大，这将导致电磁力变化大，出力不平稳。通过研究发现，在聚磁式结构径向充磁磁环下面加一个非导磁材料制成的隔磁环，将径向磁环与轴向磁环分隔开，这样不仅能减小漏磁，更能使气隙磁场均匀，大大改善出力的平稳性。其结构见图7，气隙磁场随轴向位移的变化。在较长的一段轴向位移内，磁感应强度曲线几乎与X轴平行，表现出良好的平稳性，故改进后的新型聚磁式结构将工作得更加平稳可靠。
2音圈电机的优化设计
在确定音圈电机的结构形式后，利用ANSYS对音圈电机进行了优化设计。由于音圈电机不可避免地会有漏磁，所以为了模拟的环境更接近真实情况，在建立的音圈电机模型之外，又建立了3倍于模型面积的空气模型。因此，磁路系统的几何模型中主要是由永磁体、内外磁轭、线圈支架和气隙组成的一个静态磁场回路，几何上为轴对称结构，故可采用二维模型来代替三维模型。另外，磁路系统是关于Y轴对称的，所以对磁路的一半建模即可。对二维静态磁场进行分析，网格划分时采用PLANE53单元，为四边形八节点单元。受力线圈所在气隙处的磁场分布和永磁体的工作点是我们所关心的，为了计算精确，网格要细化，；其他部分根据磁场强度的大小由密到疏划分网格。设计音圈电机时，应保证有足够的作用力，并兼顾最大磁感应强度、长度和高度等。在优化初始过程中发现，优化结果使气隙面积变得很大，有效线圈长度也变得很大，而磁感应强度变得较小，这样，音圈电机虽然作用力很大，但线圈质量也很大，磁能利用率很低，发热严重。因此，需对气隙中的磁感应强度进行限制。另外，所用的永磁体材料钕铁硼价格较贵，为节省成本，且满足作用力的要求，优化以永磁体体积为目标函数。最大磁感应强度、直径、高度、气隙中的磁感应强度、力常数BL都是较重要的物理量，它们的大小需满足设计要求，因而将这些量设为状态变量。尺寸tqx、dqx、dycn、tycn、dycw、djn、txw等是会影响到永磁体大小、轭铁漏磁程度及音圈电机尺寸大小的结构参数，故将其设为设计变量。优化方法可选用零阶算法或一阶算法。本课题所涉及
的模型不是很复杂，所以为了提高运算精度，在机时允许的情况下，采用一阶算法进行优化。经圆整的优化结果。该优化结果使永磁体体积有了较大幅度的减小，高度也较小，力常数和最大磁感应强度均满足要求。
3不同计算方法的计算结果对比
计算音圈电机产生的电磁力可用洛伦兹力法或有限元法获得。洛伦兹力法是通过仿真得到气隙磁场的磁感应强度后，认为气隙中磁感应强度处处相等，再利用公式F=BIL进行计算，得到输出力。有限元法通常包括虚功法和麦克斯韦张量法2种方法计算电磁力。虚功法是基于能量守恒原理和虚位移原理的一种计算方法。麦克斯韦张量法是利用等效的磁张力代替体积力来计算电磁力的方法。两种方法都能在ANSYS中实现。音