[发明专利]一种新型航空用盘式绕组旋转式音圈电机

说明书

本发明公开一种新型航空用盘式绕组旋转式音圈电机设计方法，盘式绕组旋转式音圈电机的三种工作状态中，定位状态是热负荷最严重的，而在整个电机中，动子部分的线圈是发热最严重的部件；选取合适的材料，可以有效降低旋转式音圈电机动子部件的热应力和热变形，保证电机的长期可靠运行。计算结果表明，动子底座用硬铝合金，灌封胶用环氧树脂是较好的选择；所设计的盘式绕组旋转式音圈电机轴向尺寸小，且可以无约束旋转，具有一定的特殊用途，电机的力矩系数达到了0.3 N.m/A，可以满足中小载荷的驱动要求，研究成果可以为此类电机的设计和分析提供依据，并对工程应用提供十分重要的参考价值。

技术领域

本发明属于电机设计领域，尤其涉及一种新型航空用盘式绕组旋转式音圈电机。

背景技术

在很多航空航天设备上，需要驱动机构驱动一些力矩较小惯量较小的负载，在有限的角度范围内做精确的位置扫描。传统的驱动方式是使用步进电机或有限转角力矩电机，但步进电机力矩波动较大，控制精度低；有限转角电机体积和转动惯量都较大，因此旋转式音圈电机是替代有限转角力矩电机的理想选择。

该类结构主要有两个缺点：轴向尺寸较大，相当于两个单元电机并列，个别时候给部件装配带来不便；中间有一个磁轭需要套在动子中，不但使定子部件、动子部件互相约束，而且侧面的支撑底座使得动子只能有限转角运动，而不能 360 度自由旋转。在一些精粗耦合的精密仪器中，粗瞄和精瞄是分阶段操作的，往往需要音圈电机动子随着系统轴系做 360 度旋转，这时候普通结构的旋转式音圈电机就不能满足要求了。应用于空间环境下的音圈电机与普通的电机不同，既要适应高低温环境，又要解决没有空气对流时候的散热问题。而且由于音圈电机结构的特殊性，其导热问题比普通的永磁电机要复杂。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供了一种新型航空用盘式绕组旋转式音圈电机设计方法，该方法是对应用于空间环境下的音圈电机的热载荷进行了分析，在此基础上对盘式绕组旋转式音圈电机的热应力和热变形情况进行了仿真计算，最后进行了实验测试。

本发明采用的技术方案是，一种新型航空用盘式绕组旋转式音圈电机设计方法，包括盘式绕组旋转式音圈电机的结构、音圈电机的热载荷分析、动子材料选择、绕组铜损导致的热应力、环境温度变化导致的热应力、音圈电机动子的热变形分析。

所述的盘式绕组旋转式音圈电机的结构，采用双极性磁路设计，所以电机是单层结构，轴向尺寸大大压缩；由于定子轭已经给主磁通提供足够的磁路，左右两个侧面不需要铁磁性材料支撑，所以动子部件可以 360 度自由旋转，满足特殊设备需要。

所述的音圈电机的热载荷分析，同样的峰值电流条件下，定位状态下的热载荷最大，正弦波扫描状态次之，三角波扫描状态最小；影响音圈电机热可靠性的最严重状态，是定位状态，不管哪种工作状态，采用铜耗等效的原则，热载荷都可以等效成直流电流对应的铜耗进行计算，由于热源主要集中在音圈电机的动子上，所以动子的热变形和热应力计算最重要。

所述的动子材料选择，线圈，动子底座和灌封胶，为了减小热应力，各部分材料的选择要兼顾其传热性能，以使各部分之间的温度梯度较小，除去自身的主要性能外，为了更好地传热，各部分材料应该导热系数尽量大，并选择热膨胀系数尽量接近使得整体变形趋势一致。

所述的绕组铜损导致的热应力，由于灌封胶和铜线、动子底座的温差相差较大，灌封胶中间区域的热应力最大，而动子底座和绕组铜线的温度相近，所以热应力非常小。

所述的环境温度变化导致的热应力，如果放在舱外，一个航天设备面临的最大问题是外界环境温度变化，因为温差可能达到二三百度，而且由于没有空气对流，长时间工作后电机绕组本身温度也会很高。

所述的音圈电机动子的热变形分析，由于动子各部件热膨胀系数的不同，随着温度变化，其热变形也将不同，进而影响动子各组件之间的机械配合和整个部件的牢固性，对工作可靠性产生影响。