圓柱形音圈電機圓柱形音圈電機數(shù)學模型

為了明確影響音圈電機性能的因素， 需要建立音圈電機在工作時的數(shù)學模型，才能對音圈電機深入認識，并針對影響其性能的相關因素進行優(yōu)化 。

由音圈電機的工作原理可知在其工作時，線圈上產(chǎn)生的電磁力為：

為了使線圈運動，電磁力 F_e應大于最大靜摩擦力與負載阻力之和。其動力學模型如圖 2-6 所示，由圖可以得到音圈電機工作時的動力平衡方程：

由音圈電機的工作原理，可以畫出音圈電機工作時的電路結構示意圖 2-7：

音圈電機工作時的電壓平衡方程為：

式中：u為音圈電機工作時的電壓，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強度，e為音圈在磁場中的運動時產(chǎn)生的反電動勢，其方向總是與電流方向相反。

e的大小可以推知為：

式中，v為音圈在磁場中的運動速度。

加速度a，速度v以及位移x之間的關系為：

為了研究影響音圈電機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：

可以畫出音圈電機的動態(tài)模型結構圖如圖2-8所示。圖中k_e=BlN，

在實際運行中，電感非常小，并且音圈電機驅動熄火拉線時是低頻運動，可以忽略電感的影響，則音圈電機的電壓—位移的數(shù)學模型變?yōu)椋?

對上式進行拉普拉斯變換，可以得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)：

音圈電機驅動系統(tǒng)是一個二階系統(tǒng)，機電時間常數(shù)為：

T_m是一個重要參數(shù)， 它的大小會影響到音圈電機的響應速度。 通過分析知道，提高氣隙磁通密度B，減少運動部件的質量可以減少機電時間常數(shù)T_m，提高系統(tǒng)響應速度 。2100433B

永磁勵磁音圈電機結構

根據(jù)運動部件的不同，音圈電機可分為動鐵式和動圈式結構；根據(jù)音圈電機內線圈的長短可分為長音圈型和短音圈型；根據(jù)永磁體的不同位置可分為外磁式結構和內磁式結構；根據(jù)運動方式的不同，音圈電機可分為直線型和擺動型兩類。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）動圈式和動鐵式結構

按照音圈電機中運動的是音圈還是鐵磁系統(tǒng)，可將音圈電機分為動圈式和動鐵式兩種類型。

在動圈式結構中，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。音圈是運動部件，在電力系統(tǒng)中容易出現(xiàn)故障，并且工作時產(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)點運動部分質量小，慣性也小，動態(tài)響應好。

動鐵式結構中，由于鐵磁系統(tǒng)在運動，所以對永磁體的體積、重量都有要求。在設計時需要一個較長的固定的線圈，結構比較復雜，且運動部分重量大，慣性也大，故其動態(tài)響應沒有動圈式好。其優(yōu)點是散熱容易，線圈中可以通較大的電流，行程也可以做的很長。

（2）長音圈和短音圈結構

音圈電機按照其工作氣隙與音圈長度的大小關系，可分為長音圈結構VCM和短音圈結構VCM。

長音圈結構VCM的音圈長度≥工作氣隙長度 最大行程長度，其優(yōu)點是永磁體體積較小，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。缺點是線圈較長，只有少部分工作在氣息中造成電能浪費，導磁板端部漏磁較多。其基本工作原理圖如圖2-1(a)所示：

短音圈結構VCM的音圈長度 最大行程長度≤工作氣隙長度，其優(yōu)點是線圈長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。相比于長音圈結構VCM，其導磁板較大。其基本工作原理圖如圖2-1(b)所示：

（3）外磁式結構和內磁式結構

永磁音圈電機按照永磁體的位置可以分為外磁式VCM和內磁式VCM。外磁式結構：當永磁體在工作氣隙外部的時候為外磁式結構。為了減少磁體內部損耗，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。對于需要在音圈電機中間穿孔的場合，適宜采用這種結構。其結構示意圖如圖2-2(a)所示。

內磁式結構：當永磁體在工作氣隙內緣時為內磁式結構。其優(yōu)點是磁路較短，能充分利用永磁體的磁力線，漏磁通量比較小。其結構示意圖如圖2-2(b)所示 。

（4）其他結構類型

音圈電機還有很多分類方式，根據(jù)運動方式的不同，可分為直線型和擺動型兩類，如在硬盤中驅動磁頭擺動的就是擺動型音圈電機。根據(jù)音圈電機的外形結構又可分為：圓柱形、扁平形、圓形（含弧形）、扁平形，如圖2-3所示。

圓形音圈電機能夠直接產(chǎn)生直線運動，在驅動系統(tǒng)中不需要皮帶、齒輪等中間傳動機構，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)的響應速度和控制精度 。然而業(yè)界對音圈電機的詳細設計步驟介紹的卻不是太多，并且在進行音圈電機的磁路設計時，設計人員的經(jīng)驗是一重要因素。另外，雖然永磁材料發(fā)展速度很快，性能越來越高而且價格逐步降低，但是在永磁電機的造價中，永磁材料仍然占有很大的比重。通過合理設計音圈電機的磁路結構，使用較少的永磁材料，在電機工作氣隙中產(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，是簡單的、無方向轉換的電磁裝置.且可靠性高，能量轉換效率越來越多地用在各種直線和旋轉運動系統(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、直線力或轉矩響應的伺服控制中 .

為了給音圈電機的選用提供理論基礎 ，詳細闡述了音圈電機的技術工作原理和結構形式，作為一種特殊結構形式的新型直驅電機，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動電機。具有結構簡單體積小、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 但有關音圈電機詳細技術原理的還不多見 。

它很像在一只蝴蝶的二只翅膀上安裝了二個動圈，如圖《蝴蝶形音圈電機結構》所示，二個動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微型軸承分別在對應軌道上定位和穩(wěn)定。當二側動圈產(chǎn)生推(拉)力時，帶動小車在三根圓柱形軌道上作往復直線運動，動圈用自粘性漆包鋁質扁平導線繞制，粘嵌于鋁質動圈骨架上。二個動圈分別在各自獨立的磁路里工作，四周為軟鐵磁路，在小車運動方向的二側為二條稀土鉆磁鋼。線圈套在包有0.5毫米厚銅皮的內鐵心柱上，其間隙由小車與軌道保證 。