圆柱形音圈电机

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。

为了明确影响音圈电机性能的因素， 需要建立音圈电机在工作时的数学模型，才能对音圈电机深入认识，并针对影响其性能的相关因素进行优化 。

由音圈电机的工作原理可知在其工作时，线圈上产生的电磁力为：

为了使线圈运动，电磁力 F_e应大于最大静摩擦力与负载阻力之和。其动力学模型如图 2-6 所示，由图可以得到音圈电机工作时的动力平衡方程：

由音圈电机的工作原理，可以画出音圈电机工作时的电路结构示意图 2-7：

音圈电机工作时的电压平衡方程为：

式中：u为音圈电机工作时的电压，L为电路的电感，i为电路中的电流，R为电流回路的电阻，B为音圈所在气隙的磁感应强度，e为音圈在磁场中的运动时产生的反电动势，其方向总是与电流方向相反。

e的大小可以推知为：

式中，v为音圈在磁场中的运动速度。

加速度a，速度v以及位移x之间的关系为：

为了研究影响音圈电机工作性能的主要因素，可以忽略空气阻尼和摩擦力，可以分别得到动力平衡方程：

式中：c为阻尼系数，k为弹簧的劲度系数。

电压平衡方程

将上两式的中间变量F_e、i(t)、e消去，可以得到电压为输入量，位移为输出量的系统微分方程：

可以画出音圈电机的动态模型结构图如图2-8所示。图中k_e=BlN，

在实际运行中，电感非常小，并且音圈电机驱动熄火拉线时是低频运动，可以忽略电感的影响，则音圈电机的电压—位移的数学模型变为：

对上式进行拉普拉斯变换，可以得到系统传递函数：

音圈电机驱动系统是一个二阶系统，机电时间常数为：

T_m是一个重要参数， 它的大小会影响到音圈电机的响应速度。 通过分析知道，提高气隙磁通密度B，减少运动部件的质量可以减少机电时间常数T_m，提高系统响应速度 。2100433B

圆形音圈电机能够直接产生直线运动，在驱动系统中不需要皮带、齿轮等中间传动机构，大大降低了能量损耗，节约了成本，并极大地提高了系统的响应速度和控制精度 。然而业界对音圈电机的详细设计步骤介绍的却不是太多，并且在进行音圈电机的磁路设计时，设计人员的经验是一重要因素。另外，虽然永磁材料发展速度很快，性能越来越高而且价格逐步降低，但是在永磁电机的造价中，永磁材料仍然占有很大的比重。通过合理设计音圈电机的磁路结构，使用较少的永磁材料，在电机工作气隙中产生满足要求的磁通密度就显得很有必要 。

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 .

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 。

它很像在一只蝴蝶的二只翅膀上安装了二个动圈，如图《蝴蝶形音圈电机结构》所示，二个动圈骨架分别与小车左右连接。小车上面有二根圆柱形轨道，底部有一根圆柱形轨道各自固定在底板上。通过小车上面二只微型滚珠轴承和底部四个微型轴承分别在对应轨道上定位和稳定。当二侧动圈产生推(拉)力时，带动小车在三根圆柱形轨道上作往复直线运动，动圈用自粘性漆包铝质扁平导线绕制，粘嵌于铝质动圈骨架上。二个动圈分别在各自独立的磁路里工作，四周为软铁磁路，在小车运动方向的二侧为二条稀土钻磁钢。线圈套在包有0.5毫米厚铜皮的内铁心柱上，其间隙由小车与轨道保证 。