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音圈电机技术原理
音圈电机技术原理
音圈电机技术原理
2011年05月25日
音圈电机(VoiceCoilActuator)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.其工作原理是,通电线圈(导体)放在磁场内就会产生力,力的大小与施加在线
圈上的电流成比例.基于此原理制造的音圈电机运动形式可以为直线或者圆弧.
近年来,随着对高速、高精度定位系统性能要求的提高和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[1],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;在柔性机器人中,为使末端执行器快速、精确定位,还可以用音圈电机来有效地抑制振动[2].
但有关音圈电机详细技术原理的文献还不多见,为此,本文将系统讨论音圈电机的基本原理,并阐
述其选型方法和应用场合.
1音圈电机的基本原理
1.1磁学原理
音圈电机的工作原理是依据安培力原理,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,以及磁场和电流的方向(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
F=kBLIN,
(1)
式中k为常数.
由图1可知,力的方向是电流方向和磁场向量的函数,是二者
的相互作用.如果磁场和导线长度为常量,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,在线圈和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.只是旋转音圈电机力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、和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和线圈组成的零部件出售.线圈与磁体之间的最小气隙通常是
(0.254~0.381)mm,根据需要此气隙可以增大,只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,运动部件和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[3].
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
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.
典型旋转音圈电机是用轴?
球轴承作为引导系统,这与传统电机是相同的.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音圈电机主要结构形式及材料选用
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
图4传统音圈电机结构图
Fig.4Conventionalvoicecoil
actuatorstructure
久磁体形成的气隙,在磁体和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和;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和.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2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
图5集中磁通技术的音圈电机结构图
Fig.5Flux2focusdesignvoicecoil
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[3].
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、加工和成本等因素.线圈一般是用铜或铝线缠在
非铁磁的绕线筒上,外部涂上一层聚合体薄膜来绝缘.铝线的传导率是铜线的一半,但重量是铜线的三
分之一.可根据具体散热和使用情况进行选择.
大部分永久磁体材料是硬磁铁,钕铁硼和钴化钐.用来容纳线圈的磁体气隙必须足够大,也就是磁
体必须在较低的载重线上工作,通常B?
H=1.0~2.0.另外磁材料应当具有高抗磁力和相当好的退磁曲
线,以提高磁路的工作效率.
3音圈电机的选型与应用
3.1直线音圈电机的选择
由4个参数选择直线音圈电机:
所需峰值力(Fp);所需平均连续力(FRMS);直线速度(v);总行程
或移动距离(D).
3.1.1需要的峰值力Fp
峰值力是载荷力FL,摩擦力FF,及质量加速度引起的力Fm的总和.
Fp=FL+FF+Fm.
(2)
图6点对点运动中梯形速度图图7点对点运动中三角形速度图
Fig.6TrapezoidalmoveforFig.7Triangularmovefor
point2topointmotionpoint2topointmotion
观察各分量,载荷引起的力FL持续作用在电机
上.摩擦力FF由完成运动的装配体的机械配置
决定,如轴承,油脂,联接,面接触等因素.质
量加速度引起的力Fm,它由载荷(包括电机线
圈)的质量mL+C和负载加速度a决定.
Fm=mL+C×a.(3)
3.1.2需要的平均连续力FRMS
RMS(Root2Mean2Square)力用来估计应用
中的平均连续力.它由下面公式描述
FRMS=
(F2
pt1+(FL+FF)2t2+(Fm-FL-FF)2t3
t1+t2+t3+t4
,(4)
式中t1是加速时间;t2是匀速运行时间;t3是减速时间,而t4是运动过程中的停顿时间.
3.1.3直线速度
图6,图7给出了点到点定位运动中额定速度与平均速度的关系.图6中,(i)加速部分:
vmax+0
2
=
(1?
4)D
t1
,vmax=D
2t1
;(ii)整个行程:
vTRAP=
[(1?
4)D+(1?
2)D+(1?
4)D]
(t1+t2+t3)=D
3t1
;(iii)vmax
vTRAP
=
D?
2t1
D?
3t1
=
3
2
,
即vmax=1.5vTRAP;图7中(i)加速部分:
vmax+0
2
=
(1?
2)D
t1
,vmax=D
2t1
;(ii)整个行程:
vTRI=
[(1?
2)D+(1?
2)D]
(t1+t3)=D
2t1
;(iii)vmax
vTRAP
=
Dt1
D?
2t1
2,即vmax=2vTRI.
式中vmax=电机额定工作速度,mm?
s;vTRAP=梯形运动需要的电机平均速度,mm?
s;vTRI=三角
形运动需要的电机平均速度,mm?
s;D=移动线圈总行程;t1=加速时间,s;t2=运行时间,s;t3=减速
时间,s;t4=停顿时间,s.
3.1.4行程
行程指运行的一端点到另一端点的总位移,或者以行程中点为参考点的正、负位移.音圈的行程范
围从几微米到大约102mm.力和行程通常成反比.
3.2旋转音圈电机的选型
合理选择直线音圈电机需要的4个参数,对于旋转音圈电机同样适用.即:
所需峰值转矩,TP;所
需平均连续转矩,TRMS;角速度,X;角位移或行程.旋转情况下加速度与力的关系为
TJ=JL+C×a,(5)
式中TJ是转矩;JL+C是电机线圈和载荷的总惯量;a是载荷的角加速度.
3.3音圈电机的应用
音圈电机的电和机械时间延时短,响应快,并具有线性力2行程特性,和较高的电2机能量转化率.这
些属性使音圈电机具有平滑可控性,成为应用在各种型式伺服模式中的理想装置.而且作为精密快速机
电控制系统的重要执行部件,音圈电机更适用于要求快速高精度定位的控制系统.
图8HDD的顶部视图
Fig.8TopviewofHDD
如在光盘和硬盘驱动中,音圈电机得到广泛应用.对于光
盘驱动电机,重要的是高的灵敏性和宽的伺服带宽[4],音圈电
机无疑是理想的选择.光盘表面的反馈元件从光盘表面读取信
息并动态地修正音圈电机的位置,以达到精确定位的目的.在
硬盘驱动中也大多应用音圈电机为磁盘头提供运动,并在磁盘
表面对磁盘头进行定位[5].即为磁盘表面的读?
写记录头提供转
矩,并对其进行定位[6](见图8).用音圈电机可以满足硬盘驱动
系统对高共振频率的需要[7].
近年来,随着半导体元件集成化程度的提高,对用于半导
体加工的XY坐标型精密定位工作台的操作精度要求达到了亚
微米级[8].为抑制工作台振动,使其定位更精确,常应用音圈电
机进行驱动.音圈电机也可用在半导体焊接设备的焊头上.另
外,在光学和测量系统、光学装配以及航空航天方面音圈电机都有广泛的应用.
4结论
基于安培力原理制造的音圈电机,是简单的、无方向转换的电磁装置.且可靠性高,能量转换效率
高,越来越多地用在各种直线和旋转运动系统中.加上音圈电机的快速、平滑、无嵌齿、无滞后响应等特
性,使音圈电机可以很好地应用在需要高速、高加速度、直线力或转矩响应的伺服控制中.
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- 电机 技术 原理