自屏蔽式音圈電機(jī)

外磁式VCM與自屏蔽式VCM的區(qū)別在于磁路型式不同。外磁式VCM的永磁體暴露于外部空間，因此磁力線是發(fā)散的。對(duì)外部磁千擾是不容忽視的。例如，美國(guó)IBM 3330外磁式V CIvff由于外漏磁嚴(yán)重而采用磁屏蔽罩，國(guó)內(nèi)有些外磁式VCM采取安裝前屏蔽板措施，目的都是消除對(duì)磁頭讀寫的影響。而自屏蔽式VCM的永磁體巧妙地將外部回路(即機(jī)殼)作為磁屏蔽，這樣從永久磁鐵發(fā)出的磁力線，穿過處于氣隙中的音圈，經(jīng)過內(nèi)鐵芯又回到了外磁路，形成了一個(gè)閉合磁路。在自屏蔽式VCM設(shè)計(jì)中，除鐵芯必須處于飽和狀態(tài)外，其它軟磁回路均不飽和，因此氣隙中所需的高磁密不會(huì)大量外泄。

總結(jié)自屏蔽式VCM的設(shè)計(jì)可歸納為如下要點(diǎn):

提高氣隙磁密B

(1)選取合適的磁路工作特性。自屏蔽式VCM的恒磁材料多采用高矯頑力，這樣可以把磁性材料的定向厚度減少到合適的程度。但由于高矯頑力材料的本征與標(biāo)準(zhǔn)曲線有很大區(qū)別，因此在確定磁路工作點(diǎn)的正切角對(duì)鐵氧體永磁來說一般都設(shè)計(jì)時(shí)必須加以考慮，并充分利用其本征特性。

以上，以避免溫度的不可逆回復(fù)特性。

改善力常數(shù)的均勻性

(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，應(yīng)使自屏蔽式VCM軸向上具有足夠長(zhǎng)的工作氣隙，使音圈在工作行程區(qū)始終鏈過恒磁場(chǎng)發(fā)出的磁力線。雙磁路VCM結(jié)構(gòu)對(duì)力常數(shù)均勻性要求頗高的使用場(chǎng)合是可取的。

(2)用探測(cè)線圈對(duì)單塊磁體表面磁通進(jìn)行磁性測(cè)量。經(jīng)篩選將配對(duì)誤差<3%的磁鐵裝機(jī)。

(3)采用電樞反應(yīng)補(bǔ)償繞組彌補(bǔ)B值的變化。當(dāng)永磁體的磁勢(shì)不足而音圈電流很大時(shí)，采用補(bǔ)償繞組來彌補(bǔ)電樞反應(yīng)造成的力常數(shù)變化。

為完成直線伺服定位的控制功能，采用了粗控(數(shù)字速度反饋控制)與精控(位置模擬信號(hào)反饋控制)的方式。其中的直線測(cè)速機(jī)速度反饋控制方式也可用電子測(cè)速方式取代。因此，VCM的音圈繞組一般做成雙股并繞、中間抽頭式.在重電源功放驅(qū)動(dòng)下，按照推挽式邏輯工作。見圖3所示。

圖5~圖8給出了不同類型的自屏蔽式VCM的結(jié)構(gòu)。圖中的半圓虛線所描繪的內(nèi)外漏磁場(chǎng)分布趨勢(shì)是收斂性的。綜觀各種自屏蔽式VCM，具有以下幾個(gè)特點(diǎn):

內(nèi)外漏磁場(chǎng)小。我們以圖5所示的短音圈雙磁路自屏蔽VCM為例，圖9描繪其內(nèi)磁場(chǎng)分布。

有效工作行程內(nèi)的力常數(shù)值均勻。VCM的重要設(shè)計(jì)原則之一應(yīng)該使力常數(shù)和動(dòng)圈電感就其在磁路中位置的變化而言，保持恒定。由于VCM永磁材料的離散性而造成的氣隙磁密的不均勻，引起了力常數(shù)(BI)m18^r}Bl)m8。的變化量，即△BI。伺服定位系統(tǒng)為保證磁頭快速到達(dá)目的磁道，盡力縮短剎車時(shí)間。為此，只能以最小的BI值來裝訂恒壓控制系統(tǒng)的剎車曲線。

第三，頻響特性好。隨著大容量、高密度的磁盤機(jī)的發(fā)展，為提高系統(tǒng)帶寬，對(duì)音圈的固有頻率了更高的要求。如在240 SZX 002型VCM的磁頭定位裝置中，要求跟蹤磁頭相對(duì)磁盤擺動(dòng)的過程中，機(jī)械諧振角頻率w大于 104赫，即對(duì)應(yīng)要求機(jī)械諧振頻率大于1600赫。雖然在伺服控制線路中可以采用有源陷波龜路來濾除諧振峰的影響，但是電路只能對(duì)VCM的某一點(diǎn)諧振頻率起作用，而對(duì)多點(diǎn)不同振幅釣諧振峰，則會(huì)造成定位不準(zhǔn)、功耗急增、無法找道或失鎖等現(xiàn)象。

對(duì)盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)的工作原理進(jìn)行分析以及結(jié)構(gòu)分析可以得出以下結(jié)論:

（1）式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)的工作原理和其他型式的音圈電機(jī)相似。線圈繞組中通以電流在磁場(chǎng)中受到電磁力的作用而產(chǎn)生兩種不同的運(yùn)動(dòng)形式。但盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)有其特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):包括旋轉(zhuǎn)方向沒有機(jī)械限制，裝配時(shí)無機(jī)械禍合，軸向尺寸大大降低等等，這對(duì)某些特殊場(chǎng)合具有重要的工程意義。

（2)盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)的結(jié)構(gòu)約束體現(xiàn)在軸向厚度主要取決于磁鋼厚度，電機(jī)徑向高度取決于所需最大力矩。通過電機(jī)空載等效磁路的分析可以發(fā)現(xiàn):盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)音圈電機(jī)的氣隙磁密主要取決于永磁體剩磁、永磁體厚度、氣隙寬度等等，在設(shè)計(jì)盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)時(shí)需綜合考慮這些因素。

(3)盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)中的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)的性能具有較大的影響。定子扼厚度增加一倍時(shí)，氣隙磁密幅值增大9.9 %，電機(jī)扼部磁密下降22.3%，同時(shí)電機(jī)定子扼重量增加一倍。當(dāng)盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)隔磁寬度增加一倍時(shí)，氣隙磁密幅值增大4.1 %，氣隙磁密平均值變化不大，電機(jī)扼部磁密下降3.6%，同時(shí)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向上寬度增加。這些為此類電機(jī)的設(shè)計(jì)提供大的方向，具體參數(shù)的選擇必須根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合選擇。

(4)完成盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)本體方面的基本設(shè)計(jì)。通過有限元分析軟件仿真音圈電機(jī)本體中關(guān)鍵性的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響，綜合各方面考慮因素求解出音圈電機(jī)本體的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，為接下來的理論研究工作提供模型基礎(chǔ)。2100433B

旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)由于體積小，安裝方便，在航空航天上越來越多地被用來驅(qū)動(dòng)小慣量負(fù)載在有限轉(zhuǎn)角內(nèi)運(yùn)動(dòng)。盤式繞組音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)上具有一定優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠漭S向尺寸小，還可以無約束自由轉(zhuǎn)動(dòng)。影響音圈電機(jī)期可靠工作的因素主要有兩點(diǎn)，即應(yīng)力和溫升。對(duì)盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)不同工作狀態(tài)下的熱載荷進(jìn)行了分析，并建模對(duì)其熱應(yīng)力和熱變形進(jìn)行了仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明所選擇材料可以滿足音圈電機(jī)長(zhǎng)期可靠工作要求。論文工作對(duì)工程實(shí)際具有很好的參考價(jià)值 。

在很多航空航天設(shè)備上，需要驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)一些力矩較小慣量較小的負(fù)載，在有限的角度范圍內(nèi)做精確的位置掃描。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式是使用步進(jìn)電機(jī)或有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)，但步進(jìn)電機(jī)力矩波動(dòng)較大，控制精度低;有限轉(zhuǎn)角電機(jī)體積和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都較大，因此旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)是替代有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)的理想選擇。音圈電機(jī)(Voice Coil Motor, VCM)是一種特殊結(jié)構(gòu)的電機(jī)，有直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)兩種形式。

一個(gè)典型的旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

和傳統(tǒng)的有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)相比，旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)的突出優(yōu)勢(shì)在于:

1體積小，重量輕。傳統(tǒng)的有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)一般由定子部件和轉(zhuǎn)子部件兩部分組成，這兩部分都是圓柱形結(jié)構(gòu)，占據(jù)空間較大。旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)則只是占據(jù)有限轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)的弧形空間，比如±15度，剩余的空間都可以用來裝配其它部件。所以，旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)特別適宜于應(yīng)用在需要考慮驅(qū)單元體積和重量的場(chǎng)合。

2安裝便利。傳統(tǒng)的有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)一般要通過法蘭裝配定子部件，而旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)一般計(jì)成矩形或者圓弧型，通過底角或者底而就可以完成裝配，而且要求的精度也不高。

3控制特性極佳。這是旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn)。它的動(dòng)子部件主要由兩部分組成，通電的銅線和鋁制的底座。由于沒有鋼等鐵磁材料，所以氣隙磁場(chǎng)幾乎不變，帶來的最大好處就是動(dòng)子慣量小動(dòng)態(tài)性能好，而且輸出力矩和控制電流幾乎就是線性關(guān)系。

音圈電機(jī)近年來得到大量應(yīng)用和推廣，自VCM進(jìn)入獨(dú)立應(yīng)用階段以來，音圈電機(jī)首先在歐美和日本等國(guó)家得到極大重視。美國(guó)BEI Technologies INC公司研制的直線式音圈電機(jī)多達(dá)幾十種，其出力范圍在0.3-300N，運(yùn)動(dòng)行程為0.5-v50mm;其研制的旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)擺角范圍從0-600. BEI Kimco Magnetics公司的音圈電機(jī)產(chǎn)品也包括線性型和旋轉(zhuǎn)型，該公司的磁通聚集技術(shù)對(duì)于減小電氣時(shí)間常數(shù)，提升氣隙磁密有重要意義。在音圈電機(jī)的計(jì)算和設(shè)計(jì)方而，目前通過較為簡(jiǎn)單的二維有限元等效替代直線電機(jī)的磁場(chǎng)分布情況則較為普遍睜。另外，針對(duì)音圈電機(jī)溫度場(chǎng)和熱變形的相關(guān)研究并不多見.應(yīng)用于空間環(huán)境下的音圈電機(jī)與普通的電機(jī)同，既要適應(yīng)高低溫環(huán)境，又要解決沒有空氣對(duì)流時(shí)候的散熱問題。而且由于音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性，其導(dǎo)熱問題比普通的永磁電機(jī)要復(fù)雜。為此，對(duì)應(yīng)用于空間環(huán)境下的音圈電機(jī)的熱載荷進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)的熱應(yīng)力和熱變形情況進(jìn)行了仿真計(jì)算，最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

一般地，旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)主要用來驅(qū)動(dòng)有限轉(zhuǎn)角慣性負(fù)載，所以其動(dòng)子只是在有限轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)做往復(fù)擺動(dòng)。普通磁路結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)是軸向?qū)ΨQ雙層結(jié)構(gòu)，像圖1中顯示的那樣。該類結(jié)構(gòu)主要有兩個(gè)缺點(diǎn):

1)軸向尺寸較大，相當(dāng)于兩個(gè)單元電機(jī)并列，個(gè)別時(shí)候給部件裝配帶來不便。

2)中間有一個(gè)磁扼需要套在動(dòng)子中，不但使定子部件、動(dòng)子部件互相約束，而且側(cè)而的支撐底座使得動(dòng)子只能有限轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)，而不能360度自由旋轉(zhuǎn)。在一些精粗禍合的精密儀器中，粗瞄和精瞄是分階段操作的，往往需要音圈電機(jī)動(dòng)子隨著系統(tǒng)軸系做360度旋轉(zhuǎn)，這時(shí)候普通結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)就不能滿足要求了。

一個(gè)盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。和圖1中單極性磁路結(jié)構(gòu)不同的是，這里采用雙極性磁路設(shè)計(jì)，所以電機(jī)是單層結(jié)構(gòu)，軸向尺寸大大壓縮。另外，由于定子扼已經(jīng)給主磁通提供足夠的磁路，左右兩個(gè)側(cè)而不需要鐵磁性材料支撐，所以動(dòng)子部件可以360度自由旋轉(zhuǎn)，滿足特殊設(shè)備需要。