圆筒单相动圈式直线震荡电机设计与参数优化仿真应用

导读：大家好，我是电磁安，从事Ansys 低频电磁相关工作10年以上，主要负责软件售前、售后培训及日常技术服务。精通Ansys Maxwell、RMxprt、Solidworks、Matlab软件，熟练掌握变压器、电磁阀、无线充电、直线电机、盘式电机、开关磁阻电机、永磁同步电机和三相感应电机的设计、结构优化和电磁场仿真验证。也对磁热双向耦合仿真和磁力双向耦合仿真多场耦合方面有深入研究。诚邀朋友们关注我在仿真秀专栏，我将在仿真秀带来系统实用的电机设计视频教程和技术服务。

本文跟大家分享的案例是圆筒动圈式直线震荡电机设计与仿真优化的一些经验，与大家一起交流学习。在此，我要感谢仿真秀平台提供的宝贵机会。11月2日20时，我将2023电机设计仿真学习月第三期《圆筒动圈式直线震荡电机设计与仿真优化应用》做技术讲座，与各位老师同行交流，希望能够抛砖引玉，引起大家的共鸣。

一、圆筒单相动圈式直线震荡电机设计

固定频率的线性运动应用，如压缩机、泵、振动器以及扬声器/麦克风，使用的是线性震荡单相永磁电动机（LOM），而短冲程（一般不超过 20 毫米）应用使用的是线性单相永磁发电机（LOG），如斯特林发动机或其他线性活塞发动机。

1、具有以下特点：

• 消除了从旋转运动到线性运动的机械传动；
• 拓扑结构简单、坚固耐用；
• 相当高的效率和高力密度，尤其是机械弹簧在共振频率（机械特征频率 = 电频率）下运行时更是如此；

• 闭环控制简单（单相 PWM 转换器）。

LOM（LOG）可分为三大类：

• 动圈式
• 动磁式

• 动铁式

平板式和圆筒状单相永磁体拓扑结构都是可行的，但圆筒拓扑结构更受欢迎，因为圆形的好处是可以更好地利用体积和热传导。

这次讲座中，我主要与大家分享我们在设计圆筒直线震荡单相动圈式发电机中的经验。本课程先对单相圆筒震荡动圈式直线电机进行结构设计。然后，对单相圆筒震荡动圈式直线电机Maxwell建模和仿真。最后对其结构参数进行优化。

以下是直播安排：

2023电机设计仿真（三）：圆筒直线电机结构设计与仿真优化应用-仿真秀直播

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2、动圈式直线震荡电机特点

单线圈（或同极）动圈式 LOM是典型的冲程达 100 mm，额定推力高，当频率低于 6-70 Hz 时为数百牛顿至千牛顿；在微米范围内，用于移动电话中的微型扬声器等时，额定推力更低。

图1 多线圈多PM结构示意图

那么，如何用根据设计设计参数设计出震荡电机的初始结构，并通过Maxwell进行仿真验证？下面我将简要为大家介绍一下。

二、电机设计流程

图2 震荡电机设计流程

（1）初始结构尺寸计算

在前期需要借助Matlab对电机结构设计，包括定子尺寸、动子尺寸、永磁体尺寸、线圈匝数、定动子轭铁厚度等。

（2）Maxwell模型构建

基于Maxwell创建直线震荡电机2D模型，模型包括绕组、定子轭铁、转子轭铁、磁钢、求解域、band区域等。

然后对模型进行求解设置和仿真，并根据仿真结果对模型进行结构优化设计

图3 仿真模型和结果

三、电机设计经验及心得

当我们设计电机尺寸与仿真结果不符时，我们可以从以下方面进行改进：

• 永磁体尺寸曲线拟合得到最优值；
• 正弦运动设置方法；
• 结构优化设计方法。

• 我们也可以适当调整maxwell经验参数来使仿真数据与matlab计算数据接近。

总之，通过这个案例，我们可以看maxwell在电机设计中的作用，可以加快研发效率，降低研发成本，成为电机设计者的必备工具之一。近日，我在仿真秀更新了原创视频课程《Maxwell高级进阶案例18—三相变压器设计和电磁场温度场仿真》推荐电机设计工程师一起学习。

以下是课程安排：

《Maxwell高级进阶案例18—三相变压器设计和电磁场温度场仿真》

以下是仿真秀-电磁安-在仿真秀原创系列视频教程（持续更新）。