直線旋轉(zhuǎn)雙自由度音圈電機

音圈電機的結(jié)構(gòu)設計主要包括磁場結(jié)構(gòu)和運動結(jié)構(gòu)的設計。 作為同時具有直線和旋轉(zhuǎn)兩個運動的音圈電機，還將涉及到兩個運動的耦合

音圈電機工作原理

音圈電機產(chǎn)生運動的原理與揚聲器相同，如圖《音圈電機工作原理》所示，通電導線在磁場中受到的安培力是動子動力的來源。受力方向由左手定則判定，安培力的大小為：f =BLi

式中：

f——導線所受安培力（N） ；

B——磁感應強度（T） ；

L ——線圈長度（m）；

i ——線圈電流（A） 。

在均勻氣隙磁場中放入線圈繞組，繞線方向垂直于勻強磁場方向。繞組中有電流通過時產(chǎn)生安培力帶動負載作往復運動，通過改變電流的強弱和方向，就可改變安培力的大小和方向。 根據(jù)磁場結(jié)構(gòu)不同音圈電機運動形式可以是直線或者圓弧。

磁路形式選擇

音圈電機常用在多自由度運動平臺的最后一級。 因此除了音圈電機本身要求具有高速響應的能力外，電機本身的質(zhì)量和體積應盡量小，以提高整個運動平臺的高速運動能力。通常，用以生成定子磁場的材料密度較大，定子結(jié)構(gòu)在電機質(zhì)量中占比較大，磁路結(jié)構(gòu)應選擇用盡量少的永磁體和導磁材料生成磁通密度高的勻強磁場的結(jié)構(gòu)。

根據(jù)永磁體的位置、氣隙及線圈結(jié)構(gòu)的不同，音圈電機的磁路結(jié)構(gòu)可分為幾種不同類型。

根據(jù)音圈電機外形不同，又可分為圓柱形、矩形和扇形等。其中矩形結(jié)構(gòu)具有使用導磁材料少，結(jié)構(gòu)緊湊，易于加工的特點，從而成為直線型音圈電機的理想選擇。

直線運動磁路結(jié)構(gòu)

在矩形磁軛內(nèi)，布置兩塊方向相反地永磁體，氣隙中可生成方向相反的近似勻強磁場。當線圈中的電流從上側(cè)磁場穿入，繞過中間部分磁軛從下側(cè)磁場穿出，由左手定則可知，線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。當線圈中電流方向發(fā)生變化時，受力方向隨之改變。

旋轉(zhuǎn)運動磁路結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)音圈電機的磁路結(jié)構(gòu)由直線運動的磁路結(jié)構(gòu)進行弧形演化而來， 將直線磁路下側(cè)的永磁體方向翻轉(zhuǎn)，則線圈受到繞磁軛中心點的力矩作用，然后將原來的平面狀的永磁體和磁軛替換為弧形，線圈即可繞磁軛中心點做旋轉(zhuǎn)運動 。

直線音圈電機電壓平衡方程

當直線音圈電機動子處于運動狀態(tài)時， 線圈在定子磁場中做切割磁力線的運動，根據(jù)楞次定律，將產(chǎn)生感應電動勢，其大小為 ：

e_l——直線線圈在定子磁場中運動時線圈所產(chǎn)生的反電勢（V） ；

v ——直線動子的運動速度（m/s） 。

直線電樞回路的電壓平衡方程為：

式中：

u_l——直線電樞兩端電壓（V） ；

i_l——直線電樞回路電流（A）。

力平衡方程

直線音圈電機在運動過程中，驅(qū)動力為線圈中通過的電流il 產(chǎn)生的安培力。運動過程中的阻力包括，各運動副之間粘性摩擦力，負載力及所有運動部件受加速度作用產(chǎn)生的慣性力。即有：

式中：

F——直線線圈所受安培力（N） ；

F_k ——運動副之間粘性摩擦力的總和（N） ；

F_ld——負載力（N） ；

F_M——慣性力（N） ；

k_ρ ——阻尼系數(shù)。

表示為速度對時間的微分方程，得到：

直線音圈電機方程

音圈電機方程為：

旋轉(zhuǎn)音圈電機電壓平衡方程

旋轉(zhuǎn)音圈電機運動時產(chǎn)生的感應電動勢大小為：

式中：

e_r——旋轉(zhuǎn)線圈在定子磁場中運動時線圈所產(chǎn)生的反電勢（V） ；

ω——旋轉(zhuǎn)動子的角速度（rad/s） 。

在旋轉(zhuǎn)音圈電機的動態(tài)過程中， 電樞線圈所施加的電源電壓和電樞線圈內(nèi)通過的電流的關(guān)系式：

式中：

u_r ——旋轉(zhuǎn)電樞兩端電壓（V）；

i_r ——旋轉(zhuǎn)電樞回路電流（A）。

旋轉(zhuǎn)音圈電機方程

旋轉(zhuǎn)音圈電機方程為：

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音圈電機是直接驅(qū)動型電機的一種，具有高響應、高速度、高加速度、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、控制方便等優(yōu)點。隨著音圈電機技術(shù)的逐漸推廣，音圈電機被廣泛應用在精密定位系統(tǒng)和許多不同形式的自動化裝配系統(tǒng)中，一種雙自由度音圈電機具有重要意義。

直接驅(qū)動型伺服電機具有響應快、運動速度高、精度高的特點，應用在自動化設備中可以大幅提升生產(chǎn)效率。目前我國已成為全球最大代工廠，廉價勞動力的優(yōu)勢正在逐漸減弱，人力流水線的模式不可持續(xù)，在一些產(chǎn)量大、動作簡單、重復性強的生產(chǎn)工序，如小家電裝配，智能手機組裝等，正有越來越多的高速自動化設備介入 。

由于該音圈電機主要應用于需求高速運動的場合，如半導體行業(yè)、細小零件裝配等，通常情況下，負載重量可以忽略不計。為了在相同的驅(qū)動力條件下盡量提高運動速度，整個電機的運動部分質(zhì)量應盡量少。 構(gòu)成直線音圈電機電磁部分的零部件總質(zhì)量為146.33g，旋轉(zhuǎn)軸部分為45.34g。若采用串列結(jié)構(gòu)，不論是直線運動或是旋轉(zhuǎn)運動作為第一級，都將導致另一運動方向結(jié)構(gòu)的質(zhì)量累加在第一級的動子質(zhì)量中，因此，串聯(lián)結(jié)構(gòu)將極大降低雙自由度音圈電機的加速性能。

直線軸動子加速度為：

式中：

M——直線動子總質(zhì)量（Kg） ；

m_c ——直線線圈有效部分質(zhì)量（Kg） ；

A_l ——直線線圈繞組單匝橫截面積（m²） ；

ρ ——線圈漆包線密度（Kg/m³） 。

旋轉(zhuǎn)軸動子角加速度為：

式中：

T——旋轉(zhuǎn)動子總慣量（Kg） ；

I_c——旋轉(zhuǎn)線圈有效部分慣量（Kg） ；

A_r ——旋轉(zhuǎn)線圈繞組單匝橫截面積（m²） 。

由兩式可以看出，為了提高電機的動態(tài)響應特性，應提高線圈有效質(zhì)量占動子總質(zhì)量的比。生成直線、旋轉(zhuǎn)兩個運動的永磁體和磁軛都應設置為定子，兩個運動在動子輸出軸上合成。

滾珠花鍵是由花鍵軸、滾珠、花鍵套和相關(guān)循環(huán)零件組成的，是能在直線運動過程中傳遞扭矩的動態(tài)扭矩傳遞部件，另外滾珠花鍵還有結(jié)構(gòu)緊湊、動態(tài)傳動效率高和使用壽命長等特點。 利用滾珠花鍵可以將直線和旋轉(zhuǎn)兩個運動在末端輸出軸上合成。

在完成了對音圈電機的運動結(jié)構(gòu)設計后，將直線定子、旋轉(zhuǎn)定子、直線導軌固定在基座上，做旋轉(zhuǎn)運動的部分通過軸承座安裝在基座上。輸出軸經(jīng)過線性滾珠襯套以減小末端偏擺。直線光柵尺作為直線位移的反饋測量元件，貼放在直線動子上，圓形光柵尺作為旋轉(zhuǎn)角度的反饋測量元件，貼放在轉(zhuǎn)子上。按照光柵編碼器與光柵尺的相對位置要求，將光柵編碼器固定在基座上 。

對盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機的工作原理進行分析以及結(jié)構(gòu)分析可以得出以下結(jié)論:

（1）式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機的工作原理和其他型式的音圈電機相似。線圈繞組中通以電流在磁場中受到電磁力的作用而產(chǎn)生兩種不同的運動形式。但盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機有其特殊的結(jié)構(gòu)特點:包括旋轉(zhuǎn)方向沒有機械限制，裝配時無機械禍合，軸向尺寸大大降低等等，這對某些特殊場合具有重要的工程意義。

（2)盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機的結(jié)構(gòu)約束體現(xiàn)在軸向厚度主要取決于磁鋼厚度，電機徑向高度取決于所需最大力矩。通過電機空載等效磁路的分析可以發(fā)現(xiàn):盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機音圈電機的氣隙磁密主要取決于永磁體剩磁、永磁體厚度、氣隙寬度等等，在設計盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機時需綜合考慮這些因素。

(3)盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機中的結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機的性能具有較大的影響。定子扼厚度增加一倍時，氣隙磁密幅值增大9.9 %，電機扼部磁密下降22.3%，同時電機定子扼重量增加一倍。當盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機隔磁寬度增加一倍時，氣隙磁密幅值增大4.1 %，氣隙磁密平均值變化不大，電機扼部磁密下降3.6%，同時電機旋轉(zhuǎn)方向上寬度增加。這些為此類電機的設計提供大的方向，具體參數(shù)的選擇必須根據(jù)具體應用場合選擇。

(4)完成盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機本體方面的基本設計。通過有限元分析軟件仿真音圈電機本體中關(guān)鍵性的結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機性能的影響，綜合各方面考慮因素求解出音圈電機本體的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，為接下來的理論研究工作提供模型基礎(chǔ)。2100433B

一般地，旋轉(zhuǎn)式音圈電機主要用來驅(qū)動有限轉(zhuǎn)角慣性負載，所以其動子只是在有限轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)做往復擺動。普通磁路結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)式音圈電機是軸向?qū)ΨQ雙層結(jié)構(gòu)，像圖1中顯示的那樣。該類結(jié)構(gòu)主要有兩個缺點:

1)軸向尺寸較大，相當于兩個單元電機并列，個別時候給部件裝配帶來不便。

2)中間有一個磁扼需要套在動子中，不但使定子部件、動子部件互相約束，而且側(cè)而的支撐底座使得動子只能有限轉(zhuǎn)角運動，而不能360度自由旋轉(zhuǎn)。在一些精粗禍合的精密儀器中，粗瞄和精瞄是分階段操作的，往往需要音圈電機動子隨著系統(tǒng)軸系做360度旋轉(zhuǎn)，這時候普通結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)式音圈電機就不能滿足要求了。

一個盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。和圖1中單極性磁路結(jié)構(gòu)不同的是，這里采用雙極性磁路設計，所以電機是單層結(jié)構(gòu)，軸向尺寸大大壓縮。另外，由于定子扼已經(jīng)給主磁通提供足夠的磁路，左右兩個側(cè)而不需要鐵磁性材料支撐，所以動子部件可以360度自由旋轉(zhuǎn)，滿足特殊設備需要。

旋轉(zhuǎn)式音圈電機由于體積小，安裝方便，在航空航天上越來越多地被用來驅(qū)動小慣量負載在有限轉(zhuǎn)角內(nèi)運動。盤式繞組音圈電機結(jié)構(gòu)上具有一定優(yōu)勢，因為其軸向尺寸小，還可以無約束自由轉(zhuǎn)動。影響音圈電機期可靠工作的因素主要有兩點，即應力和溫升。對盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機不同工作狀態(tài)下的熱載荷進行了分析，并建模對其熱應力和熱變形進行了仿真計算，計算結(jié)果表明所選擇材料可以滿足音圈電機長期可靠工作要求。論文工作對工程實際具有很好的參考價值 。

在很多航空航天設備上，需要驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動一些力矩較小慣量較小的負載，在有限的角度范圍內(nèi)做精確的位置掃描。傳統(tǒng)的驅(qū)動方式是使用步進電機或有限轉(zhuǎn)角力矩電機，但步進電機力矩波動較大，控制精度低;有限轉(zhuǎn)角電機體積和轉(zhuǎn)動慣量都較大，因此旋轉(zhuǎn)式音圈電機是替代有限轉(zhuǎn)角力矩電機的理想選擇。音圈電機(Voice Coil Motor, VCM)是一種特殊結(jié)構(gòu)的電機，有直線運動和旋轉(zhuǎn)運動兩種形式。

一個典型的旋轉(zhuǎn)式音圈電機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

和傳統(tǒng)的有限轉(zhuǎn)角力矩電機相比，旋轉(zhuǎn)式音圈電機的突出優(yōu)勢在于:

1體積小，重量輕。傳統(tǒng)的有限轉(zhuǎn)角力矩電機一般由定子部件和轉(zhuǎn)子部件兩部分組成，這兩部分都是圓柱形結(jié)構(gòu)，占據(jù)空間較大。旋轉(zhuǎn)式音圈電機則只是占據(jù)有限轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)的弧形空間，比如±15度，剩余的空間都可以用來裝配其它部件。所以，旋轉(zhuǎn)式音圈電機特別適宜于應用在需要考慮驅(qū)單元體積和重量的場合。

2安裝便利。傳統(tǒng)的有限轉(zhuǎn)角力矩電機一般要通過法蘭裝配定子部件，而旋轉(zhuǎn)式音圈電機一般計成矩形或者圓弧型，通過底角或者底而就可以完成裝配，而且要求的精度也不高。

3控制特性極佳。這是旋轉(zhuǎn)式音圈電機最突出的優(yōu)點。它的動子部件主要由兩部分組成，通電的銅線和鋁制的底座。由于沒有鋼等鐵磁材料，所以氣隙磁場幾乎不變，帶來的最大好處就是動子慣量小動態(tài)性能好，而且輸出力矩和控制電流幾乎就是線性關(guān)系。

音圈電機近年來得到大量應用和推廣，自VCM進入獨立應用階段以來，音圈電機首先在歐美和日本等國家得到極大重視。美國BEI Technologies INC公司研制的直線式音圈電機多達幾十種，其出力范圍在0.3-300N，運動行程為0.5-v50mm;其研制的旋轉(zhuǎn)式音圈電機擺角范圍從0-600. BEI Kimco Magnetics公司的音圈電機產(chǎn)品也包括線性型和旋轉(zhuǎn)型，該公司的磁通聚集技術(shù)對于減小電氣時間常數(shù)，提升氣隙磁密有重要意義。在音圈電機的計算和設計方而，目前通過較為簡單的二維有限元等效替代直線電機的磁場分布情況則較為普遍睜。另外，針對音圈電機溫度場和熱變形的相關(guān)研究并不多見.應用于空間環(huán)境下的音圈電機與普通的電機同，既要適應高低溫環(huán)境，又要解決沒有空氣對流時候的散熱問題。而且由于音圈電機結(jié)構(gòu)的特殊性，其導熱問題比普通的永磁電機要復雜。為此，對應用于空間環(huán)境下的音圈電機的熱載荷進行了分析，在此基礎(chǔ)上對盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機的熱應力和熱變形情況進行了仿真計算，最后進行了實驗測試。