音圈電機

為了給音圈電機的選用提供理論基礎(chǔ) ，詳細闡述了音圈電機的技術(shù)工作原理和結(jié)構(gòu)形式，作為一種特殊結(jié)構(gòu)形式的新型直驅(qū)電機，音圈電機具有高加速度、高速度、快速響應(yīng)、平滑力特性等優(yōu)良性能.在此基礎(chǔ)上分別給出了直線音圈電機和旋轉(zhuǎn)音圈電機的選型訓(xùn)一算方法，并對音圈電機的應(yīng)用場合進行了詳細介紹.從而為音圈電機的具體應(yīng)用提供了理論依據(jù).

音圈電機(Voice Coil Motor)是一種特殊形式的直接驅(qū)動電機。具有結(jié)構(gòu)簡單體積小、高速、高加速響應(yīng)快等特性。其工作原理是，通電線圈(導(dǎo)體)放在磁場內(nèi)就會產(chǎn)生力，力的大小與施加在線圈上的電流成比例.基于此原理制造的音圈電機運動形式可以為直線或者圓弧。

近年來，隨著對高速高精度定位系統(tǒng)性能要求的提高和音圈電機技術(shù)的迅速發(fā)展，音圈電機不僅被廣泛用在磁盤、激光唱片定位等精密定位系統(tǒng)中，在許多不同形式的高加速、高頻激勵上也得到廣泛應(yīng)用.如，光學(xué)系統(tǒng)中透鏡的定位;機械工具的多坐標定位平臺;醫(yī)學(xué)裝置中精密電子管、真空管控制;在柔性機器人中，為使末端執(zhí)行器快速、精確定位，還可以用音圈電機來有效地抑制振動 但有關(guān)音圈電機詳細技術(shù)原理的還不多見 。

SUPT擺動型音圈電機系列采用矩型系列產(chǎn)品的技術(shù)，將矩形系列產(chǎn)品予以彎曲，以形成一定的優(yōu)先角度定位系統(tǒng)。其典型的扭矩達到100度，扭力達 50 N·m。擺動型系列產(chǎn)品典型應(yīng)用于激光技術(shù)中的鏡面定位器，擺動型閥門制動器、擺動型定位系統(tǒng)以及飛行控制器等方面，涉及半導(dǎo)體行業(yè)、自動化、飛機工業(yè)領(lǐng)域。與U型直線電機和平板型直線電機相比它可以提供更好的高頻響應(yīng)特性，可做高速往復(fù)直線運動，特別適合用于短行程的閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。音圈直線電機的控制簡單可靠，無需換向裝置,壽命長 。

SUPT音圈電機，是一種將電能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置，并實現(xiàn)直線型及有限擺角的運動。它利用來自永恒磁場或通電線圈導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場中磁極的相互作用產(chǎn)生有規(guī)律的運動。因為音圈電機是一種非換流型動力裝置，其定位精度完全取決于反饋及控制系統(tǒng)，與音圈電機本身無關(guān)。采用合適的定位反饋及感應(yīng)裝置其定位精度可以輕易達到10nm，加速度可達300g（實際加速度取決于負載物具體工作狀況)。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

如圖3：傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)音圈電機的軸測圖所示，在音圈電機的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，有一個圓柱狀線圈，圓柱中心桿與包圍在中心桿周圍的永久磁體形成的氣隙，在磁體和中心桿外部罩有一個軟鐵殼.線圈在氣隙內(nèi)沿圓柱軸向運動。

依據(jù)線圈行程，線圈的軸向長度可以超出磁鐵軸向長度，即長音圈結(jié)構(gòu).而有時根據(jù)行程，磁體又可以比線圈長，即短音圈結(jié)構(gòu).長音圈結(jié)構(gòu)中的音圈長度要大于工作氣隙長度與最大行程長度之和;而短音圈結(jié)構(gòu)中的工作氣隙長度大于音圈長度與最大行程長度之和.長音圈結(jié)構(gòu)充分利用了磁密，但由于音圈中只有一部分線圈處于工作氣隙中，所以電功率利用不足;短音圈結(jié)構(gòu)則正好相反.兩種結(jié)構(gòu)相比，前者可以允許較小的磁鐵系統(tǒng)，因此音圈電機的體積也可以比較小;后者則體積較大，但功耗較小，可以允許較大音圈電流.與短線圈配置相比，長音圈配置可以提供更好的力勸率比，且散熱好.而短音圈配置電時間延時較短，質(zhì)量較小，且產(chǎn)生的電樞反動力小 .

音圈電機的材料選用

選擇音圈電機材料需要考慮系統(tǒng)性能、工作環(huán)境加工和成本等因素.線圈一般是用銅或鋁線纏在非鐵磁的繞線筒上，外部涂上一層聚合體薄膜來絕緣.鋁線的傳導(dǎo)率是銅線的一半，但重量是銅線的三分之一可根據(jù)具體散熱和使用情況進行選擇 .

大部分永久磁體材料是硬磁鐵，錢鐵硼和鉆化衫.用來容納線圈的磁體氣隙必須足夠大，也就是磁體必須在較低的載重線上工作,另外磁材料應(yīng)當(dāng)具有高抗磁力和相當(dāng)好的退磁曲線，以提高磁路的工作效率.

音圈電機磁學(xué)原理

音圈電機的工作原理是依據(jù)安培力原理，即通電導(dǎo)體放在磁場中，就會產(chǎn)生力F，力的大小取決于磁場強弱B，電流五以及磁場和電流的方向(如圖所示1)。

由圖1可知，力的方向是電流方向和磁場向量的函數(shù)，是二者的相互作用.如果磁場和導(dǎo)線長度為常量，則產(chǎn)生的力與輸入電流成比例.在最簡單的音圈電機結(jié)構(gòu)形式中，直線音圈電機就是位于徑向電磁場內(nèi)的一個管狀線圈繞組(如圖2所示).鐵磁圓筒內(nèi)部是由永久磁鐵產(chǎn)生的磁場，這樣的布置可使貼在線圈上的磁體具有相同的極性.鐵磁材料的內(nèi)芯配置在線圈軸向中心線上，與永久磁體的一端相連，用來形成磁回路.當(dāng)給線圈通電時，根據(jù)安培力原理，它受到磁場作用，在線圈和磁體之間產(chǎn)生沿軸線方向的力.通電線圈兩端電壓的極性決定力的方向.

將圓形管狀直線音圈電機展開，兩端彎曲成圓弧，就成為旋轉(zhuǎn)音圈電機.旋轉(zhuǎn)音圈電機力的產(chǎn)生方式與直線音圈電機類似.只是旋轉(zhuǎn)音圈電機力是沿著弧形圓周方向產(chǎn)生的.

音圈電機電子學(xué)原理

音圈電機是單相兩極裝置.給線圈施加電壓則在線圈里產(chǎn)生電流，進而在線圈上產(chǎn)生與電流成比例的力，使線圈在氣隙內(nèi)沿軸向運動.通過線圈的電流方向決定其運動方向.當(dāng)線圈在磁場內(nèi)運動時，會在線圈內(nèi)產(chǎn)生與線圈運動速度、磁場強度、和導(dǎo)線長度成比例的電壓(即感應(yīng)電動勢).驅(qū)動音圈電機的電源必須提供足夠的電流滿足輸出力的需要，且要克服線圈在最大運動速度下產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，以及通過線圈的漏感壓降.

音圈電機機械系統(tǒng)原理

音圈電機經(jīng)常作為一個由磁體和線圈組成的零部件出售.根據(jù)需要此氣隙可以增大，只是需要確定引導(dǎo)系統(tǒng)允許的運動范圍，同時避免線圈與磁體間摩擦或碰撞.多數(shù)情況下，移動載荷與線圈相連，即動音圈結(jié)構(gòu).其優(yōu)點是固定的磁鐵系統(tǒng)可以比較大，因而可以得到較強的磁場;缺點是音圈輸電線處于運動狀態(tài)，容易出現(xiàn)斷路的問題.同時由于可運動的支承，運動部件和環(huán)境的熱接觸很惡劣，動音圈產(chǎn)生的熱量會使運動部件的溫度升高，因而音圈中所允許的最大電流較小.當(dāng)載荷對熱特別敏感時，可以把載荷與磁體相連，即固定音圈結(jié)構(gòu).該結(jié)構(gòu)線圈的散熱不再是大問題，線圈允許的最大電流較大，但為了減小運動部分的質(zhì)量，采用了較小的磁鐵，因此磁場較弱 。

直線音圈電機可實現(xiàn)直接驅(qū)動，且從旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)為直線運動無后沖、也沒有能量損失.優(yōu)選的引導(dǎo)方式是與硬化鋼軸相結(jié)合的直線軸承或軸襯.可以將軸觸襯集成為一個整體部分.重要的是要保持引導(dǎo)系統(tǒng)的低摩擦，以不降低電機的平滑響應(yīng)特性.

典型旋轉(zhuǎn)音圈電機是用軸球軸承作為引導(dǎo)系統(tǒng)，這與傳統(tǒng)電機是相同的.旋轉(zhuǎn)音圈電機提供的運動非常光滑，成為需要快速響應(yīng)、有限角激勵應(yīng)用中的首選裝置.比如萬向節(jié)裝配中.

基于安培力原理制造的音圈電機，是簡單的、無方向轉(zhuǎn)換的電磁裝置.且可靠性高，能量轉(zhuǎn)換效率越來越多地用在各種直線和旋轉(zhuǎn)運動系統(tǒng)中.加上音圈電機的快速、平滑、無嵌齒、無滯后響應(yīng)等特點，使音圈電機可以很好地應(yīng)用在需要高速、高加速度、直線力或轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的伺服控制中 .

永磁勵磁音圈電機結(jié)構(gòu)

根據(jù)運動部件的不同，音圈電機可分為動鐵式和動圈式結(jié)構(gòu)；根據(jù)音圈電機內(nèi)線圈的長短可分為長音圈型和短音圈型；根據(jù)永磁體的不同位置可分為外磁式結(jié)構(gòu)和內(nèi)磁式結(jié)構(gòu)；根據(jù)運動方式的不同，音圈電機可分為直線型和擺動型兩類。根據(jù)其外形又可分為：圓柱形、扁平形、圓形（含弧形）、扁平形等不同種類 。

（1）動圈式和動鐵式結(jié)構(gòu)

按照音圈電機中運動的是音圈還是鐵磁系統(tǒng)，可將音圈電機分為動圈式和動鐵式兩種類型。

在動圈式結(jié)構(gòu)中，可以將鐵磁系統(tǒng)做的大一些，以便產(chǎn)生所需要的氣隙磁通密度。音圈是運動部件，在電力系統(tǒng)中容易出現(xiàn)故障，并且工作時產(chǎn)生的熱量不容易消散，所以在音圈中的電流不能太大。其優(yōu)點運動部分質(zhì)量小，慣性也小，動態(tài)響應(yīng)好。

動鐵式結(jié)構(gòu)中，由于鐵磁系統(tǒng)在運動，所以對永磁體的體積、重量都有要求。在設(shè)計時需要一個較長的固定的線圈，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且運動部分重量大，慣性也大，故其動態(tài)響應(yīng)沒有動圈式好。其優(yōu)點是散熱容易，線圈中可以通較大的電流，行程也可以做的很長。

（2）長音圈和短音圈結(jié)構(gòu)

音圈電機按照其工作氣隙與音圈長度的大小關(guān)系，可分為長音圈結(jié)構(gòu)VCM和短音圈結(jié)構(gòu)VCM。

長音圈結(jié)構(gòu)VCM的音圈長度≥工作氣隙長度 最大行程長度，其優(yōu)點是永磁體體積較小，能夠充分利用永磁體產(chǎn)生的氣隙磁通密度，節(jié)省了成本。缺點是線圈較長，只有少部分工作在氣息中造成電能浪費，導(dǎo)磁板端部漏磁較多。其基本工作原理圖如圖2-1(a)所示：

短音圈結(jié)構(gòu)VCM的音圈長度 最大行程長度≤工作氣隙長度，其優(yōu)點是線圈長度較短且全部都工作在氣隙中，電能利用率高，功耗容易控制。相比于長音圈結(jié)構(gòu)VCM，其導(dǎo)磁板較大。其基本工作原理圖如圖2-1(b)所示：

（3）外磁式結(jié)構(gòu)和內(nèi)磁式結(jié)構(gòu)

永磁音圈電機按照永磁體的位置可以分為外磁式VCM和內(nèi)磁式VCM。外磁式結(jié)構(gòu)：當(dāng)永磁體在工作氣隙外部的時候為外磁式結(jié)構(gòu)。為了減少磁體內(nèi)部損耗，一般將高矯頑力的永磁材料做成面積大而厚度小的環(huán)形磁體，這樣能大大提高磁能的利用。對于需要在音圈電機中間穿孔的場合，適宜采用這種結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-2(a)所示。

內(nèi)磁式結(jié)構(gòu)：當(dāng)永磁體在工作氣隙內(nèi)緣時為內(nèi)磁式結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點是磁路較短，能充分利用永磁體的磁力線，漏磁通量比較小。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-2(b)所示 。

（4）其他結(jié)構(gòu)類型

音圈電機還有很多分類方式，根據(jù)運動方式的不同，可分為直線型和擺動型兩類，如在硬盤中驅(qū)動磁頭擺動的就是擺動型音圈電機。根據(jù)音圈電機的外形結(jié)構(gòu)又可分為：圓柱形、扁平形、圓形（含弧形）、扁平形，如圖2-3所示。

音圈電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括磁場結(jié)構(gòu)和運動結(jié)構(gòu)的設(shè)計。 作為同時具有直線和旋轉(zhuǎn)兩個運動的音圈電機，還將涉及到兩個運動的耦合

音圈電機工作原理

音圈電機產(chǎn)生運動的原理與揚聲器相同，如圖《音圈電機工作原理》所示，通電導(dǎo)線在磁場中受到的安培力是動子動力的來源。受力方向由左手定則判定，安培力的大小為：f =BLi

式中：

f——導(dǎo)線所受安培力（N） ；

B——磁感應(yīng)強度（T） ；

L ——線圈長度（m）；

i ——線圈電流（A） 。

在均勻氣隙磁場中放入線圈繞組，繞線方向垂直于勻強磁場方向。繞組中有電流通過時產(chǎn)生安培力帶動負載作往復(fù)運動，通過改變電流的強弱和方向，就可改變安培力的大小和方向。 根據(jù)磁場結(jié)構(gòu)不同音圈電機運動形式可以是直線或者圓弧。

磁路形式選擇

音圈電機常用在多自由度運動平臺的最后一級。 因此除了音圈電機本身要求具有高速響應(yīng)的能力外，電機本身的質(zhì)量和體積應(yīng)盡量小，以提高整個運動平臺的高速運動能力。通常，用以生成定子磁場的材料密度較大，定子結(jié)構(gòu)在電機質(zhì)量中占比較大，磁路結(jié)構(gòu)應(yīng)選擇用盡量少的永磁體和導(dǎo)磁材料生成磁通密度高的勻強磁場的結(jié)構(gòu)。

根據(jù)永磁體的位置、氣隙及線圈結(jié)構(gòu)的不同，音圈電機的磁路結(jié)構(gòu)可分為幾種不同類型。

根據(jù)音圈電機外形不同，又可分為圓柱形、矩形和扇形等。其中矩形結(jié)構(gòu)具有使用導(dǎo)磁材料少，結(jié)構(gòu)緊湊，易于加工的特點，從而成為直線型音圈電機的理想選擇。

直線運動磁路結(jié)構(gòu)

在矩形磁軛內(nèi)，布置兩塊方向相反地永磁體，氣隙中可生成方向相反的近似勻強磁場。當(dāng)線圈中的電流從上側(cè)磁場穿入，繞過中間部分磁軛從下側(cè)磁場穿出，由左手定則可知，線圈的上半部分和下半部分都受到方向向右的安培力，合力方向向右。當(dāng)線圈中電流方向發(fā)生變化時，受力方向隨之改變。

旋轉(zhuǎn)運動磁路結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)音圈電機的磁路結(jié)構(gòu)由直線運動的磁路結(jié)構(gòu)進行弧形演化而來， 將直線磁路下側(cè)的永磁體方向翻轉(zhuǎn)，則線圈受到繞磁軛中心點的力矩作用，然后將原來的平面狀的永磁體和磁軛替換為弧形，線圈即可繞磁軛中心點做旋轉(zhuǎn)運動 。

音圈電機性能參數(shù)的測量，主要是測定電機輸出推(拉)力、比推力均勻性、氣隙磁場、漏磁場和機械諧振頻率等。在以往研制13片盤組用大推力音圈電機時，拉力15公斤，用彈簧秤測定。測機械諧振頻率時，因動圈自重達九百克，故加速度計重20多克可忽略不計。但被測電機正常工作拉力僅20?？俗笥?，而單個動圈重不到10克，這給測試工作帶來一定困難。

蝴蝶形音圈電機推（拉）力測定

為精確測定200克左右推(拉)力，選用了500克、200克、100克三種拉壓傳感器，配以數(shù)字式力敏表和電動打印機。如圖《蝴葬形音圈電機推力曲線》所示為實測的推(拉)力曲線。

比推力不均勻度定義為±K%=（最大推力-最小拉力）/（最大推力 最小拉力）%。

一般短音圈電機比推力不均勻度為士5%，顯然被測電機比推力不均勻是比較好的。這是因為該電機磁路結(jié)構(gòu)為雙通道磁路，對稱性好，漏磁場小，氣隙磁場均勻。所以推(拉)力曲線在工作行程范圍內(nèi)變化很小。但線圈有效利用率低，動圈上下二個面導(dǎo)線不在磁路中，故不產(chǎn)生力，僅線圈二側(cè)面導(dǎo)線在磁場中產(chǎn)生力。如果進一步改進磁路結(jié)構(gòu)，如在動圈底部構(gòu)成磁回路，電機推力將會增加 。

蝴蝶形音圈電機漏磁場測定和分析

對音圈電機研究表明，加速磁頭運動速度的有效途徑是增加電機氣隙的磁密和降低電機機電時間常數(shù)，電機氣隙磁密增加促使磁路飽和。為了減少電機電樞反應(yīng)對工作性能影響以及減少線圈的電感，在設(shè)計音圈電機時往往有念識地將磁路設(shè)計得十分飽和。從而使音圈電機漏磁場普遍較大。例如高性能長音圈電機的漏磁場不僅影響磁頭和磁盤，而且能磁化磁盤操作者所戴手表，只有加磁屏蔽后才能工作。短音圈電機因磁路結(jié)構(gòu)原因，漏磁場小~些，但在離前端蓋3厘米處仍有幾十到上百高斯漏磁場。音圈電機是一種同極性磁路結(jié)構(gòu)電機，一般做成圓筒形，沿內(nèi)鐵心圓柱四周磁通都按一方向進入鐵心圓柱，通過鐵扼、磁體和氣隙回到內(nèi)鐵心圓柱。為了給動圈留出運動空間，往往做成一端開口，這樣磁路是單通道，即磁通只能一端閉合，另一端則造成很大漏磁并使工作行程內(nèi)氣隙磁場發(fā)生畸變，比推力均勻度變差。這種結(jié)構(gòu)的音圈電機所驅(qū)動的磁頭工作位置恰好處在漏磁場最大位置，對磁頭影響較大 。

蝴蝶形音圈電機機械諧振頻率測試

機械諧振頻率測試與電機裝配、微型滾珠軸承對軌道壓力、小車是否帶磁頭和組件塊等有關(guān)，尤其是該電機單個線圈重只有9.8克，線圈、骨架和小車總重34.2克。原有的重23克加速度傳感器和電荷放大器都不能使用。為此進口了一套加速度傳感器，自重僅2克的測試設(shè)備，配以國產(chǎn)自動掃頻儀和電平記錄儀的實驗線路，測出了在小車不帶磁頭時電機一小車系統(tǒng)的機械諧振頻率特性曲線。發(fā)現(xiàn)在低頻50周到100周之間有較小震蕩，這在實際應(yīng)用中是不允許的。其產(chǎn)生原因是電機裝配不佳和壓力彈簧不合適造成的。電機一小車系統(tǒng)共振點發(fā)生在大于2千赫處，符合短音圈電機技術(shù)指標。諧振頻率越高，系統(tǒng)調(diào)試頻帶就寬，系統(tǒng)工作時不易發(fā)生共振，調(diào)試亦方便，最終才能實現(xiàn)磁盤機快速存取信息的目的。若諧振頻率低于1千赫，即使電機輸出力很大，也不能實現(xiàn)最小取數(shù)時間5毫秒的要求。從某種意義上說，電機-小車系統(tǒng)機械諧振頻率的高低，直接決定于音圈電機是否能在磁盤機上的應(yīng)用間題，它是電機主要技術(shù)指標之一，亦是這類磁盤機的關(guān)鍵測試項目。可以不夸大地說，不進行電機機械諧振頻率特性曲線的測試，等放沒有對被測電機作出應(yīng)有評價，就等聆不能肯定該音圈電機是否可用 。2100433B