直線旋轉(zhuǎn)雙自由度音圈電機(jī)運動的合成

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

音圈電機(jī)工作原理

音圈電機(jī)產(chǎn)生運動的原理與揚聲器相同，如圖《音圈電機(jī)工作原理》所示，通電導(dǎo)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(dǎo)線所受安培力（N） ；

B——磁感應(yīng)強(qiáng)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(qiáng)磁場方向。繞組中有電流通過時產(chǎn)生安培力帶動負(fù)載作往復(fù)運動，通過改變電流的強(qiáng)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(jī)運動形式可以是直線或者圓弧。

磁路形式選擇

音圈電機(jī)常用在多自由度運動平臺的最后一級。 因此除了音圈電機(jī)本身要求具有高速響應(yīng)的能力外，電機(jī)本身的質(zhì)量和體積應(yīng)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(jī)質(zhì)量中占比較大，磁路結(jié)構(gòu)應(yīng)選擇用盡量少的永磁體和導(dǎo)磁材料生成磁通密度高的勻強(qiáng)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(jī)的磁路結(jié)構(gòu)可分為幾種不同類型。

根據(jù)音圈電機(jī)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(dǎo)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(jī)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(qiáng)磁場。當(dāng)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(dāng)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(jī)的磁路結(jié)構(gòu)由直線運動的磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)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 。

音圈電機(jī)是直接驅(qū)動型電機(jī)的一種，具有高響應(yīng)、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(jī)技術(shù)的逐漸推廣，音圈電機(jī)被廣泛應(yīng)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(jī)具有重要意義。

直接驅(qū)動型伺服電機(jī)具有響應(yīng)快、運動速度高、精度高的特點，應(yīng)用在自動化設(shè)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(fù)性強(qiáng)的生產(chǎn)工序，如小家電裝配，智能手機(jī)組裝等，正有越來越多的高速自動化設(shè)備介入 。

直線音圈電機(jī)電壓平衡方程

當(dāng)直線音圈電機(jī)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(yīng)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(jī)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(fù)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(fù)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(jī)方程

音圈電機(jī)方程為：

旋轉(zhuǎn)音圈電機(jī)電壓平衡方程

旋轉(zhuǎn)音圈電機(jī)運動時產(chǎn)生的感應(yīng)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(jī)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(jī)方程

旋轉(zhuǎn)音圈電機(jī)方程為：

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對盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)的工作原理進(jìn)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(jī)的工作原理和其他型式的音圈電機(jī)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(jī)有其特殊的結(jié)構(gòu)特點:包括旋轉(zhuǎn)方向沒有機(jī)械限制，裝配時無機(jī)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(jī)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(jī)徑向高度取決于所需最大力矩。通過電機(jī)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(jī)音圈電機(jī)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(shè)計盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)時需綜合考慮這些因素。

(3)盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)中的結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機(jī)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(jī)扼部磁密下降22.3%，同時電機(jī)定子扼重量增加一倍。當(dāng)盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)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(jī)扼部磁密下降3.6%，同時電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向上寬度增加。這些為此類電機(jī)的設(shè)計提供大的方向，具體參數(shù)的選擇必須根據(jù)具體應(yīng)用場合選擇。

(4)完成盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)本體方面的基本設(shè)計。通過有限元分析軟件仿真音圈電機(jī)本體中關(guān)鍵性的結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機(jī)性能的影響，綜合各方面考慮因素求解出音圈電機(jī)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(jī)主要用來驅(qū)動有限轉(zhuǎn)角慣性負(fù)載，所以其動子只是在有限轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)做往復(fù)擺動。普通磁路結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)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(dāng)于兩個單元電機(jī)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(jī)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(jī)就不能滿足要求了。

一個盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)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(shè)計，所以電機(jī)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(shè)備需要。

旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)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(fù)載在有限轉(zhuǎn)角內(nèi)運動。盤式繞組音圈電機(jī)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(jī)期可靠工作的因素主要有兩點，即應(yīng)力和溫升。對盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)不同工作狀態(tài)下的熱載荷進(jìn)行了分析，并建模對其熱應(yīng)力和熱變形進(jìn)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(jī)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(shè)備上，需要驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動一些力矩較小慣量較小的負(fù)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(jìn)電機(jī)或有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)，但步進(jìn)電機(jī)力矩波動較大，控制精度低;有限轉(zhuǎn)角電機(jī)體積和轉(zhuǎn)動慣量都較大，因此旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)是替代有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)的理想選擇。音圈電機(jī)(Voice Coil Motor, VCM)是一種特殊結(jié)構(gòu)的電機(jī)，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(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

和傳統(tǒng)的有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)相比，旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)特別適宜于應(yīng)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(jī)一般要通過法蘭裝配定子部件，而旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)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(jī)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(jī)近年來得到大量應(yīng)用和推廣，自VCM進(jìn)入獨立應(yīng)用階段以來，音圈電機(jī)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(jī)多達(dá)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(jī)擺角范圍從0-600. BEI Kimco Magnetics公司的音圈電機(jī)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(jī)的計算和設(shè)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(jī)的磁場分布情況則較為普遍睜。另外，針對音圈電機(jī)溫度場和熱變形的相關(guān)研究并不多見.應(yīng)用于空間環(huán)境下的音圈電機(jī)與普通的電機(jī)同，既要適應(yīng)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(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性，其導(dǎo)熱問題比普通的永磁電機(jī)要復(fù)雜。為此，對應(yīng)用于空間環(huán)境下的音圈電機(jī)的熱載荷進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上對盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)的熱應(yīng)力和熱變形情況進(jìn)行了仿真計算，最后進(jìn)行了實驗測試。