采用纯磁弹簧的线性触觉电机设计与分析：提升寿命与性能的创新策略

本文综述了采用纯磁弹簧（Pure Magnetic Spring）的线性触觉电机（Linear Haptic Motor）的创新设计，通过电磁-机械耦合分析（E-M Coupling Analysis）和麦克斯韦应力张量（Maxwell’s Stress Tensor）方法系统评估了电机的力分布与加速度性能，为解决传统机械弹簧疲劳寿命短的问题提供了突破性方案。

　　

Highlights

电磁分析

采用麦克斯韦应力张量（Maxwell’s Stress Tensor）对触觉电机的电磁特性进行分析，其表达式为：

Tmn=μ01(BmBn?21δmnB2)

其中，Tmn、μ0、Bm、δmn、B2分别表示 m-n 方向的应力分量、真空磁导率、m 方向的磁场分量、Kronecker delta 及磁场强度平方。

电磁分析

Jiang 等人提出了一种新型磁路设计（标记为 #1），该设计仍采用混合弹簧结构，旨在进一步提升电机性能。尽管混合弹簧可延长电机寿命并提高精度，但机械弹簧的固有限制仍无法彻底解决疲劳问题。

实验与验证

基于分析结果，研究团队优选连杆型电机（Link-Type Motor）进行深入实验验证。图12(a)展示了电机的爆炸视图，包括动子、连杆、线圈与磁路等核心部件；图12(b)和(c)分别为实物样机的顶视图与底视图。

结论

所提出的连杆型电机结合新型磁路设计与纯磁弹簧结构，显著解决了传统机械弹簧的寿命瓶颈。通过麦克斯韦应力张量精确分析了位移-力曲线，并利用连杆结构实现切向齿槽力（Cogging Force）的准确合成，最终通过电磁-机械耦合分析（E-M Coupling Analysis）验证了其性能竞争力。