作者 |電磁安 仿真秀專欄作者

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一、圓筒單相動(dòng)圈式直線震蕩電機(jī)設(shè)計(jì)

固定頻率的線性運(yùn)動(dòng)應(yīng)用，如壓縮機(jī)、泵、振動(dòng)器以及揚(yáng)聲器/麥克風(fēng)，使用的是線性震蕩單相永磁電動(dòng)機(jī)（LOM），而短沖程（一般不超過(guò) 20 毫米）應(yīng)用使用的是線性單相永磁發(fā)電機(jī)（LOG），如斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)或其他線性活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。

1、具有以下特點(diǎn)：

消除了從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到線性運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)；

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用；

相當(dāng)高的效率和高力密度，尤其是機(jī)械彈簧在共振頻率（機(jī)械特征頻率 = 電頻率）下運(yùn)行時(shí)更是如此；

閉環(huán)控制簡(jiǎn)單（單相 PWM 轉(zhuǎn)換器）。

LOM（LOG）可分為三大類：

動(dòng)圈式

動(dòng)磁式

動(dòng)鐵式

平板式和圓筒狀單相永磁體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都是可行的，但圓筒拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更受歡迎，因?yàn)閳A形的好處是可以更好地利用體積和熱傳導(dǎo)。

這次講座中，我主要與大家分享我們?cè)谠O(shè)計(jì)圓筒直線震蕩單相動(dòng)圈式發(fā)電機(jī)中的經(jīng)驗(yàn)。本課程先對(duì)單相圓筒震蕩動(dòng)圈式直線電機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。然后，對(duì)單相圓筒震蕩動(dòng)圈式直線電機(jī)Maxwell建模和仿真。最后對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2、動(dòng)圈式直線震蕩電機(jī)特點(diǎn)

單線圈（或同極）動(dòng)圈式 LOM是典型的沖程達(dá) 100 mm，額定推力高，當(dāng)頻率低于 6-70 Hz 時(shí)為數(shù)百牛頓至千牛頓；在微米范圍內(nèi)，用于移動(dòng)電話中的微型揚(yáng)聲器等時(shí)，額定推力更低。

圖1 多線圈多PM結(jié)構(gòu)示意圖

那么，如何用根據(jù)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)出震蕩電機(jī)的初始結(jié)構(gòu)，并通過(guò)Maxwell進(jìn)行仿真驗(yàn)證？下面我將簡(jiǎn)要為大家介紹一下。

二、電機(jī)設(shè)計(jì)流程

圖2 震蕩電機(jī)設(shè)計(jì)流程

（1）初始結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算

在前期需要借助Matlab對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括定子尺寸、動(dòng)子尺寸、永磁體尺寸、線圈匝數(shù)、定動(dòng)子軛鐵厚度等。

（2）Maxwell模型構(gòu)建

基于Maxwell創(chuàng)建直線震蕩電機(jī)2D模型，模型包括繞組、定子軛鐵、轉(zhuǎn)子軛鐵、磁鋼、求解域、band區(qū)域等。

然后對(duì)模型進(jìn)行求解設(shè)置和仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖3 仿真模型和結(jié)果

三、電機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及心得

當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)電機(jī)尺寸與仿真結(jié)果不符時(shí)，我們可以從以下方面進(jìn)行改進(jìn)：

永磁體尺寸曲線擬合得到最優(yōu)值；

正弦運(yùn)動(dòng)設(shè)置方法；

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

我們也可以適當(dāng)調(diào)整maxwell經(jīng)驗(yàn)參數(shù)來(lái)使仿真數(shù)據(jù)與matlab計(jì)算數(shù)據(jù)接近。

總之，通過(guò)這個(gè)案例，我們可以看maxwell在電機(jī)設(shè)計(jì)中的作用，可以加快研發(fā)效率，降低研發(fā)成本，成為電機(jī)設(shè)計(jì)者的必備工具之一。

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