音圈電機原理及應用

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1、音圈電機的原理及應用音圈電機(Voice?Coil?Motor)是一種特殊形式的直接驅動電機。具有結構簡單、體積小、高速、高加速、響應快等特性。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用。如：光學系統(tǒng)中透鏡的定位、機械工具的多坐標定位平臺、醫(yī)學裝置中精密電子管、真空管控制等。本文將系統(tǒng)討論音圈電機的工作原理、結構及其應用場合。1.?音圈電機的工作原理?1.1?磁學原理?音圈電機的工作原理是依據(jù)安培力原理，即通電導體放在?磁場中

2、，就會產生力F，力的大小取決于磁場強弱B、電流I、?以及磁場和電流的方向(見圖1)。如果共有長度為L的N根導?線放在磁場中，則作用在導線上的力可表示為?kNBIL??F=??(1)?式中k為常數(shù)。?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，如果磁場和導線長度為常量，則產生的力與輸入電流成比例，在最簡單的音圈電機結構形式中，直線音圈電機就是位于徑向電磁場內的一個管狀線圈繞組(見圖2)，鐵磁圓筒內部是由永久磁鐵產生的磁場，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。

3、當給線圈通電時，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，就成為旋轉音圈電機。旋轉音圈電機力的產生方式與直線音圈電機類似，只是旋轉音圈電機力是沿著弧形圓周方向產生的，輸出轉矩見圖3。1.2電子學原理?音圈電機是單相兩極裝置。給線圈施加電壓則在線圈里產生電流，進而在線圈上產生與電流成比例的力，使線圈在氣隙內沿軸向運動，通過線圈的電流方向決定其運動方向。當線圈在磁場內運動時，會在線圈內產生與線圈運動速度、磁場強度、和導線長度成比例的電壓(即感應電動勢)。驅動音

4、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生的感應電動勢，以及通過線圈的漏感壓降。?1.?3?機械系統(tǒng)原理?音圈電機經常作為一個由磁體和線圈組成的零部件出售。線圈與磁體之間的最小氣隙通常是(0.?254～0.?381)?mm，根據(jù)需要此氣隙可以增大，只是需要確定引導系統(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，即動音圈結構。?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

5、產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，即固定音圈結構。該結構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)直接驅動，且從旋轉轉為直線運動無后沖、也沒有能量損失。優(yōu)選的引導方式是與硬化鋼軸相結合的直線軸承或軸襯，可以將軸/軸襯集成為一個整體部分，重要的是要保持引導系統(tǒng)的低摩擦，以不降低電機的平滑響應特性。?典型旋轉音圈電機是用軸/球軸承作為引導系統(tǒng)，這與傳統(tǒng)電機是相同的。旋轉音圈電機提供的運動非常光滑，成為需要快速

6、響應、有限角激勵應用中的首選裝置。比如萬向節(jié)裝配中。??2.?音圈電機的結構形式?2.?1?傳統(tǒng)結構形式?如圖2所示，在音圈電機的傳統(tǒng)結構中，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?隙內沿圓柱軸向運動。圖4為此傳統(tǒng)結構音圈電機的軸測?圖。?依據(jù)線圈行程，線圈的軸向長度可以超出磁鐵軸向長?度，即長音圈結構。而有時根據(jù)行程，磁體又可以比線圈?長，即短音圈結構。長音圈結構中的音圈長度要大于工作?氣隙長度與最大行程長度之和，而短音圈結構中的工作氣?隙長度大于音圈長度與最大行程長度之和。長音圈結構

7、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；短音圈結構則正好相反，兩?種結構相比，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??；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-功率比，且散熱好；而短音圈配置電時間延時較短，質量較小，且產生的電樞反動力小。?2.?2?集中通量結構形式?在運動控制中，有時需要的力比傳統(tǒng)移動音圈電機所?能提供的力要大，傳統(tǒng)結構形式的音圈電機不能滿足要求。?為解決此問題，需要提高音圈電機工作效率，為此應合理?設計其結構，盡量減少磁路漏磁

8、。設計音圈電機時總是希?