音圈电机基本原理

音圈电机磁学原理

音圈电机的工作原理是依据安培力原理，即通电导体放在磁场中，就会产生力F，力的大小取决于磁场强弱B，电流五以及磁场和电流的方向(如图所示1)。

由图1可知，力的方向是电流方向和磁场向量的函数，是二者的相互作用.如果磁场和导线长度为常量，则产生的力与输入电流成比例.在最简单的音圈电机结构形式中，直线音圈电机就是位于径向电磁场内的一个管状线圈绕组(如图2所示).铁磁圆筒内部是由永久磁铁产生的磁场，这样的布置可使贴在线圈上的磁体具有相同的极性.铁磁材料的内芯配置在线圈轴向中心线上，与永久磁体的一端相连，用来形成磁回路.当给线圈通电时，根据安培力原理，它受到磁场作用，在线圈和磁体之间产生沿轴线方向的力.通电线圈两端电压的极性决定力的方向.

将圆形管状直线音圈电机展开，两端弯曲成圆弧，就成为旋转音圈电机.旋转音圈电机力的产生方式与直线音圈电机类似.只是旋转音圈电机力是沿着弧形圆周方向产生的.

音圈电机电子学原理

音圈电机是单相两极装置.给线圈施加电压则在线圈里产生电流，进而在线圈上产生与电流成比例的力，使线圈在气隙内沿轴向运动.通过线圈的电流方向决定其运动方向.当线圈在磁场内运动时，会在线圈内产生与线圈运动速度、磁场强度、和导线长度成比例的电压(即感应电动势).驱动音圈电机的电源必须提供足够的电流满足输出力的需要，且要克服线圈在最大运动速度下产生的感应电动势，以及通过线圈的漏感压降.

音圈电机机械系统原理

音圈电机经常作为一个由磁体和线圈组成的零部件出售.根据需要此气隙可以增大，只是需要确定引导系统允许的运动范围，同时避免线圈与磁体间摩擦或碰撞.多数情况下，移动载荷与线圈相连，即动音圈结构.其优点是固定的磁铁系统可以比较大，因而可以得到较强的磁场;缺点是音圈输电线处于运动状态，容易出现断路的问题.同时由于可运动的支承，运动部件和环境的热接触很恶劣，动音圈产生的热量会使运动部件的温度升高，因而音圈中所允许的最大电流较小.当载荷对热特别敏感时，可以把载荷与磁体相连，即固定音圈结构.该结构线圈的散热不再是大问题，线圈允许的最大电流较大，但为了减小运动部分的质量，采用了较小的磁铁，因此磁场较弱 。

直线音圈电机可实现直接驱动，且从旋转转为直线运动无后冲、也没有能量损失.优选的引导方式是与硬化钢轴相结合的直线轴承或轴衬.可以将轴触衬集成为一个整体部分.重要的是要保持引导系统的低摩擦，以不降低电机的平滑响应特性.

典型旋转音圈电机是用轴球轴承作为引导系统，这与传统电机是相同的.旋转音圈电机提供的运动非常光滑，成为需要快速响应、有限角激励应用中的首选装置.比如万向节装配中.

SUPT摆动型音圈电机系列采用矩型系列产品的技术，将矩形系列产品予以弯曲，以形成一定的优先角度定位系统。其典型的扭矩达到100度，扭力达 50 N·m。摆动型系列产品典型应用于激光技术中的镜面定位器，摆动型阀门制动器、摆动型定位系统以及飞行控制器等方面，涉及半导体行业、自动化、飞机工业领域。与U型直线电机和平板型直线电机相比它可以提供更好的高频响应特性，可做高速往复直线运动，特别适合用于短行程的闭环伺服控制系统。音圈直线电机的控制简单可靠，无需换向装置,寿命长 。

SUPT音圈电机，是一种将电能转化为机械能的装置，并实现直线型及有限摆角的运动。它利用来自永恒磁场或通电线圈导体产生的磁场中磁极的相互作用产生有规律的运动。因为音圈电机是一种非换流型动力装置，其定位精度完全取决于反馈及控制系统，与音圈电机本身无关。采用合适的定位反馈及感应装置其定位精度可以轻易达到10nm，加速度可达300g（实际加速度取决于负载物具体工作状况)。

为了给音圈电机的选用提供理论基础 ，详细阐述了音圈电机的技术工作原理和结构形式，作为一种特殊结构形式的新型直驱电机，音圈电机具有高加速度、高速度、快速响应、平滑力特性等优良性能.在此基础上分别给出了直线音圈电机和旋转音圈电机的选型训一算方法，并对音圈电机的应用场合进行了详细介绍.从而为音圈电机的具体应用提供了理论依据.

音圈电机(Voice Coil Motor)是一种特殊形式的直接驱动电机。具有结构简单体积小、高速、高加速响应快等特性。其工作原理是，通电线圈(导体)放在磁场内就会产生力，力的大小与施加在线圈上的电流成比例.基于此原理制造的音圈电机运动形式可以为直线或者圆弧。

近年来，随着对高速高精度定位系统性能要求的提高和音圈电机技术的迅速发展，音圈电机不仅被广泛用在磁盘、激光唱片定位等精密定位系统中，在许多不同形式的高加速、高频激励上也得到广泛应用.如，光学系统中透镜的定位;机械工具的多坐标定位平台;医学装置中精密电子管、真空管控制;在柔性机器人中，为使末端执行器快速、精确定位，还可以用音圈电机来有效地抑制振动 但有关音圈电机详细技术原理的还不多见 。

传统结构形式

如图3：传统结构音圈电机的轴测图所示，在音圈电机的传统结构中，有一个圆柱状线圈，圆柱中心杆与包围在中心杆周围的永久磁体形成的气隙，在磁体和中心杆外部罩有一个软铁壳.线圈在气隙内沿圆柱轴向运动。

依据线圈行程，线圈的轴向长度可以超出磁铁轴向长度，即长音圈结构.而有时根据行程，磁体又可以比线圈长，即短音圈结构.长音圈结构中的音圈长度要大于工作气隙长度与最大行程长度之和;而短音圈结构中的工作气隙长度大于音圈长度与最大行程长度之和.长音圈结构充分利用了磁密，但由于音圈中只有一部分线圈处于工作气隙中，所以电功率利用不足;短音圈结构则正好相反.两种结构相比，前者可以允许较小的磁铁系统，因此音圈电机的体积也可以比较小;后者则体积较大，但功耗较小，可以允许较大音圈电流.与短线圈配置相比，长音圈配置可以提供更好的力劝率比，且散热好.而短音圈配置电时间延时较短，质量较小，且产生的电枢反动力小 .

音圈电机的材料选用

选择音圈电机材料需要考虑系统性能、工作环境加工和成本等因素.线圈一般是用铜或铝线缠在非铁磁的绕线筒上，外部涂上一层聚合体薄膜来绝缘.铝线的传导率是铜线的一半，但重量是铜线的三分之一可根据具体散热和使用情况进行选择 .

大部分永久磁体材料是硬磁铁，钱铁硼和钻化衫.用来容纳线圈的磁体气隙必须足够大，也就是磁体必须在较低的载重线上工作,另外磁材料应当具有高抗磁力和相当好的退磁曲线，以提高磁路的工作效率.

基于安培力原理制造的音圈电机，是简单的、无方向转换的电磁装置.且可靠性高，能量转换效率越来越多地用在各种直线和旋转运动系统中.加上音圈电机的快速、平滑、无嵌齿、无滞后响应等特点，使音圈电机可以很好地应用在需要高速、高加速度、直线力或转矩响应的伺服控制中 .

永磁励磁音圈电机结构

根据运动部件的不同，音圈电机可分为动铁式和动圈式结构；根据音圈电机内线圈的长短可分为长音圈型和短音圈型；根据永磁体的不同位置可分为外磁式结构和内磁式结构；根据运动方式的不同，音圈电机可分为直线型和摆动型两类。根据其外形又可分为：圆柱形、扁平形、圆形（含弧形）、扁平形等不同种类 。

（1）动圈式和动铁式结构

按照音圈电机中运动的是音圈还是铁磁系统，可将音圈电机分为动圈式和动铁式两种类型。

在动圈式结构中，可以将铁磁系统做的大一些，以便产生所需要的气隙磁通密度。音圈是运动部件，在电力系统中容易出现故障，并且工作时产生的热量不容易消散，所以在音圈中的电流不能太大。其优点运动部分质量小，惯性也小，动态响应好。

动铁式结构中，由于铁磁系统在运动，所以对永磁体的体积、重量都有要求。在设计时需要一个较长的固定的线圈，结构比较复杂，且运动部分重量大，惯性也大，故其动态响应没有动圈式好。其优点是散热容易，线圈中可以通较大的电流，行程也可以做的很长。

（2）长音圈和短音圈结构

音圈电机按照其工作气隙与音圈长度的大小关系，可分为长音圈结构VCM和短音圈结构VCM。

长音圈结构VCM的音圈长度≥工作气隙长度 最大行程长度，其优点是永磁体体积较小，能够充分利用永磁体产生的气隙磁通密度，节省了成本。缺点是线圈较长，只有少部分工作在气息中造成电能浪费，导磁板端部漏磁较多。其基本工作原理图如图2-1(a)所示：

短音圈结构VCM的音圈长度 最大行程长度≤工作气隙长度，其优点是线圈长度较短且全部都工作在气隙中，电能利用率高，功耗容易控制。相比于长音圈结构VCM，其导磁板较大。其基本工作原理图如图2-1(b)所示：

（3）外磁式结构和内磁式结构

永磁音圈电机按照永磁体的位置可以分为外磁式VCM和内磁式VCM。外磁式结构：当永磁体在工作气隙外部的时候为外磁式结构。为了减少磁体内部损耗，一般将高矫顽力的永磁材料做成面积大而厚度小的环形磁体，这样能大大提高磁能的利用。对于需要在音圈电机中间穿孔的场合，适宜采用这种结构。其结构示意图如图2-2(a)所示。

内磁式结构：当永磁体在工作气隙内缘时为内磁式结构。其优点是磁路较短，能充分利用永磁体的磁力线，漏磁通量比较小。其结构示意图如图2-2(b)所示 。

（4）其他结构类型

音圈电机还有很多分类方式，根据运动方式的不同，可分为直线型和摆动型两类，如在硬盘中驱动磁头摆动的就是摆动型音圈电机。根据音圈电机的外形结构又可分为：圆柱形、扁平形、圆形（含弧形）、扁平形，如图2-3所示。

音圈电机的结构设计主要包括磁场结构和运动结构的设计。 作为同时具有直线和旋转两个运动的音圈电机，还将涉及到两个运动的耦合

音圈电机工作原理

音圈电机产生运动的原理与扬声器相同，如图《音圈电机工作原理》所示，通电导线在磁场中受到的安培力是动子动力的来源。受力方向由左手定则判定，安培力的大小为：f =BLi

式中：

f——导线所受安培力（N） ；

B——磁感应强度（T） ；

L ——线圈长度（m）；

i ——线圈电流（A） 。

在均匀气隙磁场中放入线圈绕组，绕线方向垂直于匀强磁场方向。绕组中有电流通过时产生安培力带动负载作往复运动，通过改变电流的强弱和方向，就可改变安培力的大小和方向。 根据磁场结构不同音圈电机运动形式可以是直线或者圆弧。

磁路形式选择

音圈电机常用在多自由度运动平台的最后一级。 因此除了音圈电机本身要求具有高速响应的能力外，电机本身的质量和体积应尽量小，以提高整个运动平台的高速运动能力。通常，用以生成定子磁场的材料密度较大，定子结构在电机质量中占比较大，磁路结构应选择用尽量少的永磁体和导磁材料生成磁通密度高的匀强磁场的结构。

根据永磁体的位置、气隙及线圈结构的不同，音圈电机的磁路结构可分为几种不同类型。

根据音圈电机外形不同，又可分为圆柱形、矩形和扇形等。其中矩形结构具有使用导磁材料少，结构紧凑，易于加工的特点，从而成为直线型音圈电机的理想选择。

直线运动磁路结构

在矩形磁轭内，布置两块方向相反地永磁体，气隙中可生成方向相反的近似匀强磁场。当线圈中的电流从上侧磁场穿入，绕过中间部分磁轭从下侧磁场穿出，由左手定则可知，线圈的上半部分和下半部分都受到方向向右的安培力，合力方向向右。当线圈中电流方向发生变化时，受力方向随之改变。

旋转运动磁路结构

旋转音圈电机的磁路结构由直线运动的磁路结构进行弧形演化而来， 将直线磁路下侧的永磁体方向翻转，则线圈受到绕磁轭中心点的力矩作用，然后将原来的平面状的永磁体和磁轭替换为弧形，线圈即可绕磁轭中心点做旋转运动 。

音圈电机性能参数的测量，主要是测定电机输出推(拉)力、比推力均匀性、气隙磁场、漏磁场和机械谐振频率等。在以往研制13片盘组用大推力音圈电机时，拉力15公斤，用弹簧秤测定。测机械谐振频率时，因动圈自重达九百克，故加速度计重20多克可忽略不计。但被测电机正常工作拉力仅20。克左右，而单个动圈重不到10克，这给测试工作带来一定困难。

蝴蝶形音圈电机推（拉）力测定

为精确测定200克左右推(拉)力，选用了500克、200克、100克三种拉压传感器，配以数字式力敏表和电动打印机。如图《蝴葬形音圈电机推力曲线》所示为实测的推(拉)力曲线。

比推力不均匀度定义为±K%=（最大推力-最小拉力）/（最大推力 最小拉力）%。

一般短音圈电机比推力不均匀度为士5%，显然被测电机比推力不均匀是比较好的。这是因为该电机磁路结构为双通道磁路，对称性好，漏磁场小，气隙磁场均匀。所以推(拉)力曲线在工作行程范围内变化很小。但线圈有效利用率低，动圈上下二个面导线不在磁路中，故不产生力，仅线圈二侧面导线在磁场中产生力。如果进一步改进磁路结构，如在动圈底部构成磁回路，电机推力将会增加 。

蝴蝶形音圈电机漏磁场测定和分析

对音圈电机研究表明，加速磁头运动速度的有效途径是增加电机气隙的磁密和降低电机机电时间常数，电机气隙磁密增加促使磁路饱和。为了减少电机电枢反应对工作性能影响以及减少线圈的电感，在设计音圈电机时往往有念识地将磁路设计得十分饱和。从而使音圈电机漏磁场普遍较大。例如高性能长音圈电机的漏磁场不仅影响磁头和磁盘，而且能磁化磁盘操作者所戴手表，只有加磁屏蔽后才能工作。短音圈电机因磁路结构原因，漏磁场小~些，但在离前端盖3厘米处仍有几十到上百高斯漏磁场。音圈电机是一种同极性磁路结构电机，一般做成圆筒形，沿内铁心圆柱四周磁通都按一方向进入铁心圆柱，通过铁扼、磁体和气隙回到内铁心圆柱。为了给动圈留出运动空间，往往做成一端开口，这样磁路是单通道，即磁通只能一端闭合，另一端则造成很大漏磁并使工作行程内气隙磁场发生畸变，比推力均匀度变差。这种结构的音圈电机所驱动的磁头工作位置恰好处在漏磁场最大位置，对磁头影响较大 。

蝴蝶形音圈电机机械谐振频率测试

机械谐振频率测试与电机装配、微型滚珠轴承对轨道压力、小车是否带磁头和组件块等有关，尤其是该电机单个线圈重只有9.8克，线圈、骨架和小车总重34.2克。原有的重23克加速度传感器和电荷放大器都不能使用。为此进口了一套加速度传感器，自重仅2克的测试设备，配以国产自动扫频仪和电平记录仪的实验线路，测出了在小车不带磁头时电机一小车系统的机械谐振频率特性曲线。发现在低频50周到100周之间有较小震荡，这在实际应用中是不允许的。其产生原因是电机装配不佳和压力弹簧不合适造成的。电机一小车系统共振点发生在大于2千赫处，符合短音圈电机技术指标。谐振频率越高，系统调试频带就宽，系统工作时不易发生共振，调试亦方便，最终才能实现磁盘机快速存取信息的目的。若谐振频率低于1千赫，即使电机输出力很大，也不能实现最小取数时间5毫秒的要求。从某种意义上说，电机-小车系统机械谐振频率的高低，直接决定于音圈电机是否能在磁盘机上的应用间题，它是电机主要技术指标之一，亦是这类磁盘机的关键测试项目。可以不夸大地说，不进行电机机械谐振频率特性曲线的测试，等放没有对被测电机作出应有评价，就等聆不能肯定该音圈电机是否可用 。2100433B