音圈電機(jī)原理及應(yīng)用

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1、音圈電機(jī)的原理及應(yīng)用音圈電機(jī)(Voice?Coil?Motor)是一種特殊形式的直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、高速、高加速、響應(yīng)快等特性。近年來(lái)，隨著對(duì)高速、高精度定位系統(tǒng)性能要求的提高和音圈電機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，音圈電機(jī)不僅被廣泛用在磁盤(pán)、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(lì)上也得到廣泛應(yīng)用。如：光學(xué)系統(tǒng)中透鏡的定位、機(jī)械工具的多坐標(biāo)定位平臺(tái)、醫(yī)學(xué)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(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用場(chǎng)合。1.?音圈電機(jī)的工作原理?1.1?磁學(xué)原理?音圈電機(jī)的工作原理是依據(jù)安培力原理，即通電導(dǎo)體放在?磁場(chǎng)中

2、，就會(huì)產(chǎn)生力F，力的大小取決于磁場(chǎng)強(qiáng)弱B、電流I、?以及磁場(chǎng)和電流的方向(見(jiàn)圖1)。如果共有長(zhǎng)度為L(zhǎng)的N根導(dǎo)?線(xiàn)放在磁場(chǎng)中，則作用在導(dǎo)線(xiàn)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(chǎng)向量的函數(shù)，是二者的相互作用，如果磁場(chǎng)和導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度為常量，則產(chǎn)生的力與輸入電流成比例，在最簡(jiǎn)單的音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)形式中，直線(xiàn)音圈電機(jī)就是位于徑向電磁場(chǎng)內(nèi)的一個(gè)管狀線(xiàn)圈繞組(見(jiàn)圖2)，鐵磁圓筒內(nèi)部是由永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)，這樣的布置可使貼在線(xiàn)圈上的磁體具有相同的極性，鐵磁材料的內(nèi)芯配置在線(xiàn)圈軸向中心線(xiàn)上，與永久磁體的一端相連，用來(lái)形成磁回路。

3、當(dāng)給線(xiàn)圈通電時(shí)，根據(jù)安培力原理，它受到磁場(chǎng)作用，在線(xiàn)圈和磁體之間產(chǎn)生沿軸線(xiàn)方向的力，通電線(xiàn)圈兩端電壓的極性決定力的方向。?將圓形管狀直線(xiàn)音圈電機(jī)展開(kāi)，兩端彎曲成圓弧，就成為旋轉(zhuǎn)音圈電機(jī)。旋轉(zhuǎn)音圈電機(jī)力的產(chǎn)生方式與直線(xiàn)音圈電機(jī)類(lèi)似，只是旋轉(zhuǎn)音圈電機(jī)力是沿著弧形圓周方向產(chǎn)生的，輸出轉(zhuǎn)矩見(jiàn)圖3。1.2電子學(xué)原理?音圈電機(jī)是單相兩極裝置。給線(xiàn)圈施加電壓則在線(xiàn)圈里產(chǎn)生電流，進(jìn)而在線(xiàn)圈上產(chǎn)生與電流成比例的力，使線(xiàn)圈在氣隙內(nèi)沿軸向運(yùn)動(dòng)，通過(guò)線(xiàn)圈的電流方向決定其運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)線(xiàn)圈在磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)在線(xiàn)圈內(nèi)產(chǎn)生與線(xiàn)圈運(yùn)動(dòng)速度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、和導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度成比例的電壓(即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì))。驅(qū)動(dòng)音

4、圈電機(jī)的電源必須提供足夠的電流滿(mǎn)足輸出力的需要，且要克服線(xiàn)圈在最大運(yùn)動(dòng)速度下產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，以及通過(guò)線(xiàn)圈的漏感壓降。?1.?3?機(jī)械系統(tǒng)原理?音圈電機(jī)經(jīng)常作為一個(gè)由磁體和線(xiàn)圈組成的零部件出售。線(xiàn)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(dǎo)系統(tǒng)允許的運(yùn)動(dòng)范圍，同時(shí)避免線(xiàn)圈與磁體間摩擦或碰撞。多數(shù)情況下，移動(dòng)載荷與線(xiàn)圈相連，即動(dòng)音圈結(jié)構(gòu)。?其優(yōu)點(diǎn)是固定的磁鐵系統(tǒng)可以比較大，因而可以得到較強(qiáng)的磁場(chǎng)；缺點(diǎn)是音圈輸電線(xiàn)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，容易出現(xiàn)斷路的問(wèn)題。同時(shí)由于可運(yùn)動(dòng)的支承，運(yùn)動(dòng)部件和環(huán)境的熱接觸很惡劣，動(dòng)音圈

5、產(chǎn)生的熱量會(huì)使運(yùn)動(dòng)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(duì)熱特別敏感時(shí)，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(xiàn)圈的散熱不再是大問(wèn)題，線(xiàn)圈允許的最大電流較大，但為了減小運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量，采用了較小的磁鐵，因此磁場(chǎng)較弱。?直線(xiàn)音圈電機(jī)可實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，且從旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)無(wú)后沖、也沒(méi)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(xiàn)軸承或軸襯，可以將軸/軸襯集成為一個(gè)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(jī)的平滑響應(yīng)特性。?典型旋轉(zhuǎn)音圈電機(jī)是用軸/球軸承作為引導(dǎo)系統(tǒng)，這與傳統(tǒng)電機(jī)是相同的。旋轉(zhuǎn)音圈電機(jī)提供的運(yùn)動(dòng)非常光滑，成為需要快速

6、響應(yīng)、有限角激勵(lì)應(yīng)用中的首選裝置。比如萬(wàn)向節(jié)裝配中。??2.?音圈電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式?2.?1?傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式?如圖2所示，在音圈電機(jī)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，有一個(gè)圓柱?狀線(xiàn)圈，圓柱中心桿與包圍在中心桿周?chē)挠谰么朋w形成?的氣隙，在磁體和中心桿外部罩有一個(gè)軟鐵殼。線(xiàn)圈在氣?隙內(nèi)沿圓柱軸向運(yùn)動(dòng)。圖4為此傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)音圈電機(jī)的軸測(cè)?圖。?依據(jù)線(xiàn)圈行程，線(xiàn)圈的軸向長(zhǎng)度可以超出磁鐵軸向長(zhǎng)?度，即長(zhǎng)音圈結(jié)構(gòu)。而有時(shí)根據(jù)行程，磁體又可以比線(xiàn)圈?長(zhǎng)，即短音圈結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)音圈結(jié)構(gòu)中的音圈長(zhǎng)度要大于工作?氣隙長(zhǎng)度與最大行程長(zhǎng)度之和，而短音圈結(jié)構(gòu)中的工作氣?隙長(zhǎng)度大于音圈長(zhǎng)度與最大行程長(zhǎng)度之和。長(zhǎng)音圈結(jié)構(gòu)

7、充?分利用了磁密，但由于音圈中只有一部分線(xiàn)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(jī)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(xiàn)圈配置相比，長(zhǎng)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(shí)間延時(shí)較短，質(zhì)量較小，且產(chǎn)生的電樞反動(dòng)力小。?2.?2?集中通量結(jié)構(gòu)形式?在運(yùn)動(dòng)控制中，有時(shí)需要的力比傳統(tǒng)移動(dòng)音圈電機(jī)所?能提供的力要大，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的音圈電機(jī)不能滿(mǎn)足要求。?為解決此問(wèn)題，需要提高音圈電機(jī)工作效率，為此應(yīng)合理?設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)，盡量減少磁路漏磁

8、。設(shè)計(jì)音圈電機(jī)時(shí)總是希?