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1、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.
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
