音圈电机原理及应用

音圈电机的原理及应用

音圈电机(Voice Coil Motor)就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。近年来,随着对高速、高精度定位系统性能要求的提高与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、真空管控制等。本文将系统讨论音圈电机的工作原理、结构及其应用场合。

1、音圈电机的工作原理

1、1 磁学原理

音圈电机的工作原理就是依据安培力原理,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I、以及磁场与电流的方向(见图1)。如果共有长度为L的N根导线放在磁场中,则作用在导线上的力可表示为

kNBIL F (1)

式中k为常数。

由图1可知,力的方向就是电流方向与磁场向量的函数,就是二者的相互作用,如果磁场与导线长度为常量,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,直线音圈电机就就是位于径向电磁场内的一个管状线圈绕组(见图2),铁磁圆筒内部就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,在线圈与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,只就是旋转音圈电机力就是沿着弧形圆周方向产生的,输出转矩见图3。

1、2电子学原理

音圈电机就是单相两极装置。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、与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。

1、 3 机械系统原理

音圈电机经常作为一个由磁体与线圈组成的零部件出售。线圈与磁体之间的最小气隙通常就是(0、 254～0、 381) mm,根据需要此气隙可以增大,只就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。其优点就是固定的磁铁系统可以比较大,因而可以得到较强的磁场;缺点就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,运动部件与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就是大问题,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

导方式就是与硬化钢轴相结合的直线轴承或轴衬,可以将轴/轴衬集成为一个整体部分,重要的就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。

典型旋转音圈电机就是用轴/球轴承作为引导系统,这与传统电机就是相同的。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。

2、音圈电机的结构形式

2、 1 传统结构形式

如图2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,在磁体与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。图4为此传统结构音圈电机的轴测图。

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与,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与。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-功率比,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。

2、 2 集中通量结构形式

在运动控制中,有时需要的力比传统移动音圈电机所能提供的力要大,传统结构形式的音圈电机不能满足要求。为解决此问题,需要提高音圈电机工作效率,为此应合理设计其结构,尽量减少磁路漏磁。设计音圈电机时总就是希望磁钢的磁力线尽可能多地通过气隙,以提高气隙磁密, 从而产生尽可能大的磁力。

采用集中磁通技术,能够使制造的电机气隙磁密等于甚至大于磁体中的剩余量。基于该技术的电机内部就是一个一端封闭的空心圆柱磁铁(见图5)。圆柱内部形成N极,

圆柱的外部形成S极。紧贴磁体外部由一个也有一端封闭的软铁圆柱壳罩住,软铁壳的开口端伸出磁体开口端。由软铁制成的圆柱芯在磁体内部紧紧贴合,并从其开口端伸出。壳的内表面与圆柱芯的外表面之间的环形空间形成气隙,圆柱状线圈可在气隙中沿轴向运动。该电机结构形式允许磁体面大于气隙面。这样的设计不会引起泄漏,几乎从磁体表面发出的所有磁力线都通过气隙。

2、 3 磁力交叉存取结构形式

若要求在尽可能小的直径情况下,获得最高输出力,可采用专有的交叉存取磁电路技术。与传统结构以及集中磁通量结构相比,其性能特性不变,而轴向尺寸更长,但直径尺寸减小,其磁体质量较小,但线圈趋于更重。交叉存取磁电路音圈的突出优点就是线圈漏感较小,电时间延迟非常短。

2、 4 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、加工与成本等因素。线圈一般就是用铜或