音圈电机温度特性分析

张琪林

（北京理工大学，北京 100081）

音圈电机温度特性分析

张琪林

（北京理工大学，北京 100081）

音圈电机的温度变化对其驱动特性和工作性能有着至关重要的影响。建立了音圈电机的有限元模型，得到了音圈电机稳态温度场分布特征以及驱动电流和磁缸温度关系，以此确定了音圈电机的持续工作电流。得到了电流与磁缸瞬态温升之间的关系，以此确定了在超过持续电流的条件下电机的可靠工作时间，为音圈电机的设计和使用提供了理论依据，稳态温度分布和瞬态温升规律得到了试验验证。

音圈电机；稳态温度分布；瞬态温度特性；有限元法

直线式音圈电机是一种利用通电线圈在磁场中受洛伦兹力将电能转化为线圈动子动能的电机，由于其高响应、高精度的特点，在许多领域得到应用。音圈电机在工作过程中各部分温度会上升，会引起电机电磁材料参数的改变，影响电机的性能。因此准确预测音圈电机的温度对于电机的设计和使用具有重要的意义，本文研究音圈电机的稳态温度分布和瞬态温升规律，为电机设计使用提供依据。

1 问题描述

音圈电机由线圈体和磁缸组成，工作时线圈处在磁缸外壁和内芯所夹的空气间隙之中，通入电流在洛伦兹力的作用下作轴向运动。在线圈、内芯以及线圈、外壁之间存在着0.5mm的空气间隙。电机工作时，热量主要产生在线圈处，通过夹层空气和材料的导热传递到磁缸和线圈架子，并最终通过磁缸和线圈架子将热量散发外界环境中，当线圈热量生成量与对外界环境的散热量达到平衡的时候，音圈电机温度不变。由音圈电机的产热和传热过程可以得知，在建立传热模型时，应该考虑的因素有：产热量、线圈体的热传导、线圈体与夹层空气的热对流、磁缸和夹层空气的热对流、线圈体和磁缸和外部环境的热对流。

2 音圈电机的有限元热分析

2.1 热分析的有限元关系式

本文研究主要涉及到稳态热分析和瞬态热分析。音圈电机的稳态温度分布指的是在某一工况下电机温度升高并达到热平衡时音圈电机各个部分的温度。通过有限元计算音圈电机各个部分温升曲线最终趋近的值即是各个稳态的稳态分布。稳态传热过程的能量平衡方程是：

而瞬态传热过程是一个系统加热或者冷却的过程，该过程中系统的温度、热流率、热边界条件和内能随时间有明显变化，瞬态热平衡的能量平衡形式可以表示成：

式（1）和（2）中，

[K]——传导矩阵，包含导热、对流和辐射等因素的影响；[C]——比热矩阵，反应系统内能变化；{T} ——节点温度向量；——温度对时间导数向量；{Q}——节点热流率向量，包括热生成。

从瞬态传热和稳态传热的能量平衡方程可以看出两者的区别主要在于比热与温升速率的积这项。瞬态过程可以看作是系统由初始环境温度条件发展到热平衡稳态结果的历程，而稳态温度分布反过来则可以看作是瞬态过程经过无限时间发展到某一时刻的结果。

2.2 热载荷与边界条件

音圈电机工作过程的热载荷主要有线圈产热、线圈与线圈架体之间的热传导、磁缸的热传导、线圈架体与夹层空气的热对流、磁缸与夹层空气的热对流以及线圈盖和磁缸表面与外界环境的热对流。

（1）线圈热生成量。

式（3）中，I——通过线圈的直流电流；R——线圈电阻。

（2）热传导。

式（4）中，Q——导热速率，W；A——导热面积，m2；dT/dn——温度梯度，K/m ；λ——导热系数，W/mK。

（3）与外界热对流。

式（5）中，h——对流换热系数；Q——热流密度；A——对流面积；Δt——温差。

（4）夹层空气热对流。

音圈电机线圈体与磁缸外围和磁芯之间各有0.5mm的缝隙，包含四个夹层，一是外围和线圈外壁的竖直夹层，二是线圈内壁和磁芯之间的夹层，三是线圈底部和磁缸内底部的水平夹层，四是线圈内上壁和磁缸顶部的水平夹层。分别以竖直和水平夹层的自然形式的对流换热模型计算这几个面的对流换热系数。

式（6）中，Gr——格拉晓夫数；Pr——普朗特数；H——夹层高度；δ——夹层宽度。

3 试验原理与装置

图1所示是音圈电机温度特性试验的试验布置图。研究采用控制器电流模式驱动音圈电机。采用电机控制器电流模式驱动电机。电机型号为XVLC80-06-00A，为圆筒式直线电机。音圈电机安装在铝制轨道上，轴向定位限制其运动，因此电机的电路为纯电阻电路，不存在反向电动势。温度传感器的探头与电机磁缸的外壁接触，测量外壁的温度，温度传感器通过夹具保持平衡。试验条件为持续通有1A的直流电，温度传感器测量这一过程中磁缸外壁的温度。由于传感器不变置于电机内部，为了测量电机不同位置的温度，在电机持续工作280s后取下迅速测量电机内壁、磁缸端部和线圈的温度，用来验证模型关于温度分布的假设。

4 温升特性分析

4.1 温度模型验证

图2是持续通有1A的电流时，磁缸外壁温度的变化趋势。初始状态，外壁温度为环境温度27℃，在280s之后达到38℃，变化的趋势和温度增加量均和仿真结果比较接近，验证了音圈电机温度瞬态模型。从图中可以看出温度逐渐上升但是升高的趋势逐渐放缓。

4.2 稳态温度与持续推力

在验证基于有限元法的音圈电机热模型的基础上，对其在不同电流的工作条件下的稳态温度进行仿真计算。由于电机的磁性元件使用的是N38材料，以磁缸内壁80℃作为安全工作温度可以得到持续工作的安全电流为2A，由于电机推力常数为12.7N/A，因此所对应的持续推力为25.4N。

图1 音圈电机温升试验

图2 磁缸温升曲线

4.3 瞬态温升与可靠工作时间

随着时间增加，磁缸温度逐渐增加但是增幅逐渐放缓，这是由于温度越高与环境温度之间的温差越大，单位时间内对外散热就越多。最终音圈电机线圈产热和对外散热会达到平衡状态，达到某个温度后不在增加，就是前面的稳态温度。由于电机有时需要在超过持续推力的条件下工作，故计算不同工况可靠工作时间（如图3、图4）。

图3 不同工况的瞬态温升

图4 不同工况可靠工作时间

5 结语

（1）针对音圈电机的热问题建立了有限元模型，并通过试验证实了模型。音圈电机的线圈温度高于磁缸，而磁缸的内壁温度高于端部和外壁。在电机温升过程，温升逐渐增加且增幅降低，最终当线圈产热和对外散热达到平衡，温度不在变化。

（2）音圈电机的稳态温度及电机达到热平衡时的温度决定了持续推力。电流越高稳态温度越高并且增幅越来越大。

（3）电流越大则电机温度上升越快，并且平衡温度越高。在超过持续推力的工况，电流越大则持续工作时间越短。

[1]武汉鹏. 音圈电机直驱式水液压控制阀研制与试验研究[D].大连海事大学, 2015.

[2]张波. 盘式绕组旋转式音圈电机的研究[D]. 哈尔滨工业大学, 2014.

TM301.4

A

1671-0711（2016）12（上）-0160-02