圓柱形音圈電機(jī)圓柱形音圈電機(jī)數(shù)學(xué)模型

為了明確影響音圈電機(jī)性能的因素， 需要建立音圈電機(jī)在工作時(shí)的數(shù)學(xué)模型，才能對(duì)音圈電機(jī)深入認(rèn)識(shí)，并針對(duì)影響其性能的相關(guān)因素進(jìn)行優(yōu)化 。

由音圈電機(jī)的工作原理可知在其工作時(shí)，線圈上產(chǎn)生的電磁力為：

為了使線圈運(yùn)動(dòng)，電磁力 F_e應(yīng)大于最大靜摩擦力與負(fù)載阻力之和。其動(dòng)力學(xué)模型如圖 2-6 所示，由圖可以得到音圈電機(jī)工作時(shí)的動(dòng)力平衡方程：

由音圈電機(jī)的工作原理，可以畫出音圈電機(jī)工作時(shí)的電路結(jié)構(gòu)示意圖 2-7：

音圈電機(jī)工作時(shí)的電壓平衡方程為：

式中：u為音圈電機(jī)工作時(shí)的電壓，L為電路的電感，i為電路中的電流，R為電流回路的電阻，B為音圈所在氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度，e為音圈在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)，其方向總是與電流方向相反。

e的大小可以推知為：

式中，v為音圈在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)速度。

加速度a，速度v以及位移x之間的關(guān)系為：

為了研究影響音圈電機(jī)工作性能的主要因素，可以忽略空氣阻尼和摩擦力，可以分別得到動(dòng)力平衡方程：

式中：c為阻尼系數(shù)，k為彈簧的勁度系數(shù)。

電壓平衡方程

將上兩式的中間變量F_e、i(t)、e消去，可以得到電壓為輸入量，位移為輸出量的系統(tǒng)微分方程：

可以畫出音圈電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型結(jié)構(gòu)圖如圖2-8所示。圖中k_e=BlN，

在實(shí)際運(yùn)行中，電感非常小，并且音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)熄火拉線時(shí)是低頻運(yùn)動(dòng)，可以忽略電感的影響，則音圈電機(jī)的電壓—位移的數(shù)學(xué)模型變?yōu)椋?

對(duì)上式進(jìn)行拉普拉斯變換，可以得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)：

音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)二階系統(tǒng)，機(jī)電時(shí)間常數(shù)為：

T_m是一個(gè)重要參數(shù)， 它的大小會(huì)影響到音圈電機(jī)的響應(yīng)速度。 通過分析知道，提高氣隙磁通密度B，減少運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量可以減少機(jī)電時(shí)間常數(shù)T_m，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度 。2100433B

永磁勵(lì)磁音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)

根據(jù)運(yùn)動(dòng)部件的不同，音圈電機(jī)可分為動(dòng)鐵式和動(dòng)圈式結(jié)構(gòu)；根據(jù)音圈電機(jī)內(nèi)線圈的長(zhǎng)短可分為長(zhǎng)音圈型和短音圈型；根據(jù)永磁體的不同位置可分為外磁式結(jié)構(gòu)和內(nèi)磁式結(jié)構(gòu)；根據(jù)運(yùn)動(dòng)方式的不同，音圈電機(jī)可分為直線型和擺動(dòng)型兩類。根據(jù)其外形又可分為：圓柱形、扁平形、圓形（含弧形）、扁平形等不同種類 。

（1）動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式結(jié)構(gòu)

按照音圈電機(jī)中運(yùn)動(dòng)的是音圈還是鐵磁系統(tǒng)，可將音圈電機(jī)分為動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式兩種類型。

在動(dòng)圈式結(jié)構(gòu)中，可以將鐵磁系統(tǒng)做的大一些，以便產(chǎn)生所需要的氣隙磁通密度。音圈是運(yùn)動(dòng)部件，在電力系統(tǒng)中容易出現(xiàn)故障，并且工作時(shí)產(chǎn)生的熱量不容易消散，所以在音圈中的電流不能太大。其優(yōu)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量小，慣性也小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。

動(dòng)鐵式結(jié)構(gòu)中，由于鐵磁系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)，所以對(duì)永磁體的體積、重量都有要求。在設(shè)計(jì)時(shí)需要一個(gè)較長(zhǎng)的固定的線圈，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且運(yùn)動(dòng)部分重量大，慣性也大，故其動(dòng)態(tài)響應(yīng)沒有動(dòng)圈式好。其優(yōu)點(diǎn)是散熱容易，線圈中可以通較大的電流，行程也可以做的很長(zhǎng)。

（2）長(zhǎng)音圈和短音圈結(jié)構(gòu)

音圈電機(jī)按照其工作氣隙與音圈長(zhǎng)度的大小關(guān)系，可分為長(zhǎng)音圈結(jié)構(gòu)VCM和短音圈結(jié)構(gòu)VCM。

長(zhǎng)音圈結(jié)構(gòu)VCM的音圈長(zhǎng)度≥工作氣隙長(zhǎng)度 最大行程長(zhǎng)度，其優(yōu)點(diǎn)是永磁體體積較小，能夠充分利用永磁體產(chǎn)生的氣隙磁通密度，節(jié)省了成本。缺點(diǎn)是線圈較長(zhǎng)，只有少部分工作在氣息中造成電能浪費(fèi)，導(dǎo)磁板端部漏磁較多。其基本工作原理圖如圖2-1(a)所示：

短音圈結(jié)構(gòu)VCM的音圈長(zhǎng)度 最大行程長(zhǎng)度≤工作氣隙長(zhǎng)度，其優(yōu)點(diǎn)是線圈長(zhǎng)度較短且全部都工作在氣隙中，電能利用率高，功耗容易控制。相比于長(zhǎng)音圈結(jié)構(gòu)VCM，其導(dǎo)磁板較大。其基本工作原理圖如圖2-1(b)所示：

（3）外磁式結(jié)構(gòu)和內(nèi)磁式結(jié)構(gòu)

永磁音圈電機(jī)按照永磁體的位置可以分為外磁式VCM和內(nèi)磁式VCM。外磁式結(jié)構(gòu)：當(dāng)永磁體在工作氣隙外部的時(shí)候?yàn)橥獯攀浇Y(jié)構(gòu)。為了減少磁體內(nèi)部損耗，一般將高矯頑力的永磁材料做成面積大而厚度小的環(huán)形磁體，這樣能大大提高磁能的利用。對(duì)于需要在音圈電機(jī)中間穿孔的場(chǎng)合，適宜采用這種結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-2(a)所示。

內(nèi)磁式結(jié)構(gòu)：當(dāng)永磁體在工作氣隙內(nèi)緣時(shí)為內(nèi)磁式結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)是磁路較短，能充分利用永磁體的磁力線，漏磁通量比較小。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-2(b)所示 。

（4）其他結(jié)構(gòu)類型

音圈電機(jī)還有很多分類方式，根據(jù)運(yùn)動(dòng)方式的不同，可分為直線型和擺動(dòng)型兩類，如在硬盤中驅(qū)動(dòng)磁頭擺動(dòng)的就是擺動(dòng)型音圈電機(jī)。根據(jù)音圈電機(jī)的外形結(jié)構(gòu)又可分為：圓柱形、扁平形、圓形（含弧形）、扁平形，如圖2-3所示。

圓形音圈電機(jī)能夠直接產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中不需要皮帶、齒輪等中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，大大降低了能量損耗，節(jié)約了成本，并極大地提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度 。然而業(yè)界對(duì)音圈電機(jī)的詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟介紹的卻不是太多，并且在進(jìn)行音圈電機(jī)的磁路設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)是一重要因素。另外，雖然永磁材料發(fā)展速度很快，性能越來越高而且價(jià)格逐步降低，但是在永磁電機(jī)的造價(jià)中，永磁材料仍然占有很大的比重。通過合理設(shè)計(jì)音圈電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)，使用較少的永磁材料，在電機(jī)工作氣隙中產(chǎn)生滿足要求的磁通密度就顯得很有必要 。

基于安培力原理制造的音圈電機(jī)，是簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中.加上音圈電機(jī)的快速、平滑、無嵌齒、無滯后響應(yīng)等特點(diǎn)，使音圈電機(jī)可以很好地應(yīng)用在需要高速、高加速度、直線力或轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的伺服控制中 .

為了給音圈電機(jī)的選用提供理論基礎(chǔ) ，詳細(xì)闡述了音圈電機(jī)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(jī)，音圈電機(jī)具有高加速度、高速度、快速響應(yīng)、平滑力特性等優(yōu)良性能.在此基礎(chǔ)上分別給出了直線音圈電機(jī)和旋轉(zhuǎn)音圈電機(jī)的選型訓(xùn)一算方法，并對(duì)音圈電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行了詳細(xì)介紹.從而為音圈電機(jī)的具體應(yīng)用提供了理論依據(jù).

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。其工作原理是，通電線圈(導(dǎo)體)放在磁場(chǎng)內(nèi)就會(huì)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(jī)運(yùn)動(dòng)形式可以為直線或者圓弧。

近年來，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、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;在柔性機(jī)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(jī)來有效地抑制振動(dòng) 但有關(guān)音圈電機(jī)詳細(xì)技術(shù)原理的還不多見 。

它很像在一只蝴蝶的二只翅膀上安裝了二個(gè)動(dòng)圈，如圖《蝴蝶形音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)》所示，二個(gè)動(dòng)圈骨架分別與小車左右連接。小車上面有二根圓柱形軌道，底部有一根圓柱形軌道各自固定在底板上。通過小車上面二只微型滾珠軸承和底部四個(gè)微型軸承分別在對(duì)應(yīng)軌道上定位和穩(wěn)定。當(dāng)二側(cè)動(dòng)圈產(chǎn)生推(拉)力時(shí)，帶動(dòng)小車在三根圓柱形軌道上作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，動(dòng)圈用自粘性漆包鋁質(zhì)扁平導(dǎo)線繞制，粘嵌于鋁質(zhì)動(dòng)圈骨架上。二個(gè)動(dòng)圈分別在各自獨(dú)立的磁路里工作，四周為軟鐵磁路，在小車運(yùn)動(dòng)方向的二側(cè)為二條稀土鉆磁鋼。線圈套在包有0.5毫米厚銅皮的內(nèi)鐵心柱上，其間隙由小車與軌道保證 。