自屏蔽式音圈電機結構特點

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

內(nèi)外漏磁場小。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)磁場分布。

有效工作行程內(nèi)的力常數(shù)值均勻。VCM的重要設計原則之一應該使力常數(shù)和動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目的磁道，盡力縮短剎車時間。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、高密度的磁盤機的發(fā)展，為提高系統(tǒng)帶寬，對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，要求跟蹤磁頭相對磁盤擺動的過程中，機械諧振角頻率w大于 104赫，即對應要求機械諧振頻率大于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VCM的某一點諧振頻率起作用，而對多點不同振幅釣諧振峰，則會造成定位不準、功耗急增、無法找道或失鎖等現(xiàn)象。

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。對外部磁千擾是不容忽視的。例如，美國IBM 3330外磁式V CIvff由于外漏磁嚴重而采用磁屏蔽罩，國內(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，形成了一個閉合磁路。在自屏蔽式VCM設計中，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大量外泄。

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(位置模擬信號反饋控制)的方式。其中的直線測速機速度反饋控制方式也可用電子測速方式取代。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)動下，按照推挽式邏輯工作。見圖3所示。

總結自屏蔽式VCM的設計可歸納為如下要點:

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準曲線有很大區(qū)別，因此在確定磁路工作點的正切角對鐵氧體永磁來說一般都設計時必須加以考慮，并充分利用其本征特性。

以上，以避免溫度的不可逆回復特性。

改善力常數(shù)的均勻性

(1)結構設計上，應使自屏蔽式VCM軸向上具有足夠長的工作氣隙，使音圈在工作行程區(qū)始終鏈過恒磁場發(fā)出的磁力線。雙磁路VCM結構對力常數(shù)均勻性要求頗高的使用場合是可取的。

(2)用探測線圈對單塊磁體表面磁通進行磁性測量。經(jīng)篩選將配對誤差<3%的磁鐵裝機。

(3)采用電樞反應補償繞組彌補B值的變化。當永磁體的磁勢不足而音圈電流很大時，采用補償繞組來彌補電樞反應造成的力常數(shù)變化。

對盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機的工作原理進行分析以及結構分析可以得出以下結論:

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

（2)盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機的結構約束體現(xiàn)在軸向厚度主要取決于磁鋼厚度，電機徑向高度取決于所需最大力矩。通過電機空載等效磁路的分析可以發(fā)現(xiàn):盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機音圈電機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，在設計盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機時需綜合考慮這些因素。

(3)盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機中的結構參數(shù)對電機的性能具有較大的影響。定子扼厚度增加一倍時，氣隙磁密幅值增大9.9 %，電機扼部磁密下降22.3%，同時電機定子扼重量增加一倍。當盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機隔磁寬度增加一倍時，氣隙磁密幅值增大4.1 %，氣隙磁密平均值變化不大，電機扼部磁密下降3.6%，同時電機旋轉(zhuǎn)方向上寬度增加。這些為此類電機的設計提供大的方向，具體參數(shù)的選擇必須根據(jù)具體應用場合選擇。

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

旋轉(zhuǎn)式音圈電機由于體積小，安裝方便，在航空航天上越來越多地被用來驅(qū)動小慣量負載在有限轉(zhuǎn)角內(nèi)運動。盤式繞組音圈電機結構上具有一定優(yōu)勢，因為其軸向尺寸小，還可以無約束自由轉(zhuǎn)動。影響音圈電機期可靠工作的因素主要有兩點，即應力和溫升。對盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機不同工作狀態(tài)下的熱載荷進行了分析，并建模對其熱應力和熱變形進行了仿真計算，計算結果表明所選擇材料可以滿足音圈電機長期可靠工作要求。論文工作對工程實際具有很好的參考價值 。

在很多航空航天設備上，需要驅(qū)動機構驅(qū)動一些力矩較小慣量較小的負載，在有限的角度范圍內(nèi)做精確的位置掃描。傳統(tǒng)的驅(qū)動方式是使用步進電機或有限轉(zhuǎn)角力矩電機，但步進電機力矩波動較大，控制精度低;有限轉(zhuǎn)角電機體積和轉(zhuǎn)動慣量都較大，因此旋轉(zhuǎn)式音圈電機是替代有限轉(zhuǎn)角力矩電機的理想選擇。音圈電機(Voice Coil Motor, VCM)是一種特殊結構的電機，有直線運動和旋轉(zhuǎn)運動兩種形式。

一個典型的旋轉(zhuǎn)式音圈電機結構如圖1所示。

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

1體積小，重量輕。傳統(tǒng)的有限轉(zhuǎn)角力矩電機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構，占據(jù)空間較大。旋轉(zhuǎn)式音圈電機則只是占據(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)式音圈電機特別適宜于應用在需要考慮驅(qū)單元體積和重量的場合。

2安裝便利。傳統(tǒng)的有限轉(zhuǎn)角力矩電機一般要通過法蘭裝配定子部件，而旋轉(zhuǎn)式音圈電機一般計成矩形或者圓弧型，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)式音圈電機最突出的優(yōu)點。它的動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，所以氣隙磁場幾乎不變，帶來的最大好處就是動子慣量小動態(tài)性能好，而且輸出力矩和控制電流幾乎就是線性關系。

音圈電機近年來得到大量應用和推廣，自VCM進入獨立應用階段以來，音圈電機首先在歐美和日本等國家得到極大重視。美國BEI Technologies INC公司研制的直線式音圈電機多達幾十種，其出力范圍在0.3-300N，運動行程為0.5-v50mm;其研制的旋轉(zhuǎn)式音圈電機擺角范圍從0-600. BEI Kimco Magnetics公司的音圈電機產(chǎn)品也包括線性型和旋轉(zhuǎn)型，該公司的磁通聚集技術對于減小電氣時間常數(shù)，提升氣隙磁密有重要意義。在音圈電機的計算和設計方而，目前通過較為簡單的二維有限元等效替代直線電機的磁場分布情況則較為普遍睜。另外，針對音圈電機溫度場和熱變形的相關研究并不多見.應用于空間環(huán)境下的音圈電機與普通的電機同，既要適應高低溫環(huán)境，又要解決沒有空氣對流時候的散熱問題。而且由于音圈電機結構的特殊性，其導熱問題比普通的永磁電機要復雜。為此，對應用于空間環(huán)境下的音圈電機的熱載荷進行了分析，在此基礎上對盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機的熱應力和熱變形情況進行了仿真計算，最后進行了實驗測試。

一般地，旋轉(zhuǎn)式音圈電機主要用來驅(qū)動有限轉(zhuǎn)角慣性負載，所以其動子只是在有限轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)做往復擺動。普通磁路結構的旋轉(zhuǎn)式音圈電機是軸向?qū)ΨQ雙層結構，像圖1中顯示的那樣。該類結構主要有兩個缺點:

1)軸向尺寸較大，相當于兩個單元電機并列，個別時候給部件裝配帶來不便。

2)中間有一個磁扼需要套在動子中，不但使定子部件、動子部件互相約束，而且側而的支撐底座使得動子只能有限轉(zhuǎn)角運動，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，往往需要音圈電機動子隨著系統(tǒng)軸系做360度旋轉(zhuǎn)，這時候普通結構的旋轉(zhuǎn)式音圈電機就不能滿足要求了。

一個盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機的結構示意圖如圖2所示。和圖1中單極性磁路結構不同的是，這里采用雙極性磁路設計，所以電機是單層結構，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，左右兩個側而不需要鐵磁性材料支撐，所以動子部件可以360度自由旋轉(zhuǎn)，滿足特殊設備需要。