[科普中國]-音圈電機

簡介

為了給音圈電機的選用提供理論基礎1，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、平滑力特性等優(yōu)良性能.在此基礎上分別給出了直線音圈電機和旋轉(zhuǎn)音圈電機的選型訓一算方法，并對音圈電機的應用場合進行了詳細介紹.從而為音圈電機的具體應用提供了理論依據(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、高加速響應快等特性。其工作原理是，通電線圈(導體)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;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2。

特點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特性，可做高速往復直線運動，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1。

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)。

音圈電機的基本原理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，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(見圖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(見圖2).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.

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(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、和導線長度成比例的電壓(即感應電動勢).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)生的感應電動勢，以及通過線圈的漏感壓降.

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1。

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系統(tǒng)的低摩擦，以不降低電機的平滑響應特性.

典型旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)音圈電機提供的運動非常光滑，成為需要快速響應、有限角激勵應用中的首選裝置.比如萬向節(jié)裝配中.

音圈電機主要結(jié)構(gòu)形式及材料選用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式如圖2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.圖4為此傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(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1.

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2.

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,另外磁材料應當具有高抗磁力和相當好的退磁曲線，以提高磁路的工作效率.

總結(jié)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、無滯后響應等特點，使音圈電機可以很好地應用在需要高速、高加速度、直線力或轉(zhuǎn)矩響應的伺服控制中1.