摘要：文章為鏡頭驅(qū)動的小型直驅(qū)系統(tǒng)設計了具有低速大轉(zhuǎn)矩特性的軸向永磁游標電機拓撲結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用環(huán)形永磁體和集中式繞組，使其適應有限的電機安裝空間和轉(zhuǎn)矩輸出要求。設計中采用永磁電機的磁路解析模型和有限元分析法評估對比了電機的主要穩(wěn)態(tài)特性，驗證所提出電機在0-100rpm低轉(zhuǎn)速下的運行特點，為該類型電機的設計提供依據(jù)和經(jīng)驗。

1引言

在鏡頭驅(qū)動系統(tǒng)中，根據(jù)驅(qū)動電機的安裝位置不同通常分為以下幾類：機身驅(qū)動型、鏡頭驅(qū)動型以及機身鏡頭雙驅(qū)動型。其中鏡頭驅(qū)動型（驅(qū)動電機直接安裝在鏡頭中的類型）使系統(tǒng)減少了減速器和柔性聯(lián)動機構(gòu)設置，其電機性能一般比機身驅(qū)動電機優(yōu)越，但要求使用能實現(xiàn)低速高轉(zhuǎn)矩的直驅(qū)電機。目前，大多數(shù)的直驅(qū)應用場合是通過減速裝置實現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩驅(qū)動的，傳統(tǒng)的精密變速裝置雖然技術(shù)相對成熟，但通常體積較大、噪聲較大、效率較低，因此無需變速裝置的低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)電機是迫切需要的[1]-[3]。將直驅(qū)電機應用于小型鏡頭驅(qū)動系統(tǒng)中，可以直接進行電磁能和機械能轉(zhuǎn)換，減小能量損耗；同時，傳統(tǒng)電磁電機又可以借鑒成熟的電機控制策略，與借助于壓電陶瓷的超聲波電機[4]驅(qū)動器對比，實現(xiàn)電機的精密穩(wěn)定控制。

永磁游標電機是一種熱門的軸向磁場型永磁同步直驅(qū)電機，因其多極設計具有低速高轉(zhuǎn)矩的“磁性齒輪”特性[5]-[6]，克服了傳統(tǒng)永磁同步電機在直驅(qū)應用中的諸多不足，具有較好的應用和研究前景。游標電機機理較傳統(tǒng)永磁電機復雜，但獨特的設計原理使其不依靠減速齒輪便具有低速高轉(zhuǎn)矩特性，因此在直驅(qū)系統(tǒng)中應用較廣。盡管永磁游標電機在轉(zhuǎn)矩密度方面，較磁齒輪復合電機性能尚有落后，但永磁體用量減小了接近一半，而較傳統(tǒng)永磁電機而言，轉(zhuǎn)矩密度有了大幅提高。同時，合理的極數(shù)設計和齒槽優(yōu)化可使游標電機的大轉(zhuǎn)矩特性發(fā)揮到最優(yōu)，且同等功率等級的盤式軸向氣隙磁場設計相較徑向磁場設計可進一步減小電機體積，提升轉(zhuǎn)矩密度[7]。

因此，本文立足于小型鏡頭驅(qū)動系統(tǒng)應用，參考現(xiàn)有的環(huán)形超聲波電機安裝方式，提出了采用軸向永磁游標電機結(jié)構(gòu)的設計方案，通過磁路解析法和三維有限元仿真法對電機在低速區(qū)的穩(wěn)態(tài)特性進行評估，探索總結(jié)低速大轉(zhuǎn)矩電磁電機在此類工況下的運行特點和優(yōu)化方案。

2電機設計與分析

2.1軸向永磁電機結(jié)構(gòu)

所提出軸向永磁游標電機（如圖1）具有平行的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和軸向氣隙磁場，其主要優(yōu)點為體積小、重量輕、調(diào)速性能好和可靠性高等，符合高負載鏡頭對驅(qū)動電機的安裝體積限制和高轉(zhuǎn)矩輸出要求。電機單層氣隙設計為0.3-0.5mm，主體結(jié)構(gòu)為定子和轉(zhuǎn)子，定子包含定子鐵心和繞組，轉(zhuǎn)子包含轉(zhuǎn)子鐵心和環(huán)形永磁體。為減小磁路中的渦流損耗提高電機效率，鐵心一般采用冷軋硅鋼片。徑向電機的硅鋼片可直接沖壓而成，而軸向電機在鐵心中具有軸向磁路，不能直接采用壓制硅鋼片，而是通常將卷起的硅鋼薄層軸向切割出所需齒槽結(jié)構(gòu)。同時，采用環(huán)形結(jié)構(gòu)永磁體設計可以有效減小漏磁，提高氣隙磁場強度和磁路的利用率，同時損耗的降低可以提高電機效率。

表1列出了電機運行過程中主要參數(shù)要求，由電池供電，平均轉(zhuǎn)矩輸出要高于200gf.cm，同時調(diào)焦過程中的振動和噪聲不能過大，量化為額定50rpm轉(zhuǎn)速時的噪聲低于40dB。

2.2等效磁路解析法

為清楚描述各參數(shù)間關(guān)系，圖2展示了所提出軸向電機的橫截面示意圖，給出了部分電機參數(shù)定義。同時為了便于分析，作如下基本假設：

1）定、轉(zhuǎn)子鐵心的磁導率無窮大；

2）永磁體相對磁導率取其實際磁導率，且永磁體極間空氣區(qū)域的相對磁導率與永磁體相同；

3）分析區(qū)域在二維平面內(nèi)，不計端部效應；

4）定子槽為徑向開口槽，槽內(nèi)每個線圈邊的電流密度均勻分布。

為求解空載氣隙磁場的磁動勢分布，根據(jù)安培環(huán)路定律，忽略定轉(zhuǎn)子鐵心的磁動勢，則根據(jù)圖2中磁力線回路得到

其中，F(xiàn)g為氣隙磁動勢，F(xiàn)mag為永磁體磁動勢，Br為永磁體剩磁，gm為永磁體軸向厚度，μm為永磁體磁導率，g為氣隙實際長度。上述磁動勢為各自的基波幅值，充分考慮氣隙磁場不同位置的磁密分布，可將氣隙磁動勢的表達擴展為

其中，F(xiàn)g1為基波幅值，θm代表以定子為參照的轉(zhuǎn)子位置角，θ代表定子上某一位置與參照軸之間的機械角度，Zr為永磁體極對數(shù)，n代表氣隙磁動勢諧波次數(shù)。在表貼式永磁電機中，計算氣隙等效磁導可以簡化為計算單位面積下的氣隙磁導，將齒槽結(jié)構(gòu)近似為圖3，其中氣隙磁導分為兩部分P0（無槽表面到轉(zhuǎn)子之間）和P1（開槽到轉(zhuǎn)子之間）計算。單位面積上的氣隙等效磁導推導如下

其中P0為定子無槽表面到轉(zhuǎn)子的氣隙磁導，P1為定子開槽到轉(zhuǎn)子氣隙磁導，Pm為氣隙磁導的m次諧波分量，μ0為真空磁導率，b0為槽口寬度，ts為齒距，m為諧波次數(shù)，Zs為定子槽數(shù)，j為偏離短距繞組的槽數(shù)（整距繞組中j=0）。ge為氣隙等效長度，因永磁體磁導與空間接近且表貼式安裝，故計算磁導時永磁體可按空氣對待。β被定義為一補償系數(shù)[8]，其中β與槽寬/氣隙長度的比有如圖4關(guān)系：

氣隙磁場強度BPM=P(θ)F(θ)，進而得到反電動勢e(t)和電磁轉(zhuǎn)矩T(r)的表達式為

其中，λ為每相磁鏈，N為線圈匝數(shù)，Dg為氣隙平均直徑，l為氣隙的徑向長度，ω為機械角速度，α為定子齒距對應的角度，kT為電機轉(zhuǎn)矩系數(shù)，Irms為繞組線電流有效值，Ri為氣隙內(nèi)徑，Ro為氣隙外徑，r代表氣隙某一位置處半徑。此外，為有效提高電機運行的平穩(wěn)性，該結(jié)構(gòu)下的齒槽轉(zhuǎn)矩需要最大程度上減小，探討影響齒槽轉(zhuǎn)矩大小的電機設計參數(shù)關(guān)系。根據(jù)上述磁場參數(shù)的解析關(guān)系，齒槽轉(zhuǎn)矩可由解析法表達為

其中W為空載時永磁體產(chǎn)生磁場在主氣隙中的能量表達。

2.3三維有限元仿真與對比

電機運行中同時存在永磁體磁場和電樞電流產(chǎn)生磁場，圖5即為電樞通電后的磁場強度分布圖，其中最大磁場強度在1.7T附近，鐵心不存在飽和風險，可允許一定的過載運行，符合電機設計要求。

圖6將通過磁路解析法和三維有限元仿真法得到的軸向永磁游標電機工作在50rpm時的穩(wěn)態(tài)特性進行對比和分析，依次為電機的電磁轉(zhuǎn)矩曲線、空載反電動勢曲線及其諧波分析、齒槽轉(zhuǎn)矩曲線及其諧波分析。其中等效磁路法在空間維度上的電機和材料參數(shù)為定值，因此數(shù)值關(guān)系計算出的電磁轉(zhuǎn)矩為恒值，如圖6(a)。同時等效磁路法無法設置鐵心材料BH曲線特性及無窮的諧波次數(shù)，因此未能反映磁路飽和特性，所得反電動勢波形較有限元法更加理想正弦化，如圖6(b)。

表2總結(jié)了磁路解析法和三維有限元分析法所得電機穩(wěn)態(tài)性能對比，由于磁飽和效應的產(chǎn)生兩者空載反電動勢有效值相差7.6%，電磁轉(zhuǎn)矩平均值相差1.5%，兩組結(jié)果中齒槽轉(zhuǎn)矩峰峰值都低于平均電磁轉(zhuǎn)矩的7.5%，說明了磁路解析法對電機性能的評估偏差不大，可通過更多補償系數(shù)的設置提升精確度。

3結(jié)論

本文立足小型直驅(qū)系統(tǒng)應用，設計了一款符合鏡頭安裝要求的軸向永磁游標電機，并從磁場分布、反電動勢、齒槽轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動等方面對該電機進行了有限元計算分析，并與解析建模結(jié)果進行對比，說明了電機穩(wěn)態(tài)特性并驗證磁路解析模型的可靠性，為該類型電機的設計提供依據(jù)和經(jīng)驗。