音圈電機

為了給音圈電機的選用提供理論基礎 ^[1]  ，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，並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.

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)放在磁場內就會產生力，力的大小與施加在線圈上的電流成比例.基於此原理製造的音圈電機運動形式可以為直線或者圓弧。

近年來，隨着對高速高精度定位系統性能要求的提高和音圈電機技術的迅速發展，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，光學系統中透鏡的定位;機械工具的多座標定位平台;醫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 ^[2]  。

SUPT擺動型音圈電機系列採用矩型系列產品的技術，將矩形系列產品予以彎曲，以形成一定的優先角度定位系統。其典型的扭矩達到100度，扭力達 50 N·m。擺動型系列產品典型應用於激光技術中的鏡面定位器，擺動型閥門制動器、擺動型定位系統以及飛行控制器等方面，涉及半導體行業、自動化、飛機工業領域。與U型直線電機和平板型直線電機相比它可以提供更好的高頻響應特性，可做高速往復直線運動，特別適合用於短行程的閉環伺服控制系統。音圈直線電機的控制簡單可靠，無需換向裝置,壽命長 ^[1]  。

SUPT音圈電機，是一種將電能轉化為機械能的裝置，並實現直線型及有限擺角的運動。它利用來自永恆磁場或通電線圈導體產生的磁場中磁極的相互作用產生有規律的運動。因為音圈電機是一種非換流型動力裝置，其定位精度完全取決於反饋及控制系統，與音圈電機本身無關。採用合適的定位反饋及感應裝置其定位精度可以輕易達到10nm，加速度可達300g（實際加速度取決於負載物具體工作狀況）。

音圈電機的工作原理是依據安培力原理，即通電導體放在磁場中，就會產生力F，力的大小取決於磁場強弱B，電流五以及磁場和電流的方向(如圖所示1)。

由圖1可知，力的方向是電流方向和磁場向量的函數，是二者的相互作用.如果磁場和導線長度為常量，則產生的力與輸入電流成比例.在最簡單的音圈電機結構形式中，直線音圈電機就是位於徑向電磁場內的一個管狀線圈繞組(如圖2所示).鐵磁圓筒內部是由永久磁鐵產生的磁場，這樣的佈置可使貼在線圈上的磁體具有相同的極性.鐵磁材料的內芯配置在線圈軸向中心線上，與永久磁體的一端相連，用來形成磁迴路.當給線圈通電時，根據安培力原理，它受到磁場作用，在線圈和磁體之間產生沿軸線方向的力.通電線圈兩端電壓的極性決定力的方向.

將圓形管狀直線音圈電機展開，兩端彎曲成圓弧，就成為旋轉音圈電機.旋轉音圈電機力的產生方式與直線音圈電機類似.只是旋轉音圈電機力是沿着弧形圓周方向產生的.

音圈電機是單相兩極裝置.給線圈施加電壓則在線圈裏產生電流，進而在線圈上產生與電流成比例的力，使線圈在氣隙內沿軸向運動.通過線圈的電流方向決定其運動方向.當線圈在磁場內運動時，會在線圈內產生與線圈運動速度、磁場強度、和導線長度成比例的電壓(即感應電動勢).驅動音圈電機的電源必須提供足夠的電流滿足輸出力的需要，且要克服線圈在最大運動速度下產生的感應電動勢，以及通過線圈的漏感壓降.

音圈電機經常作為一個由磁體和線圈組成的零部件出售.根據需要此氣隙可以增大，只是需要確定引導系統允許的運動範圍，同時避免線圈與磁體間摩擦或碰撞.多數情況下，移動載荷與線圈相連，即動音圈結構.其優點是固定的磁鐵系統可以比較大，因而可以得到較強的磁場;缺點是音圈輸電線處於運動狀態，容易出現斷路的問題.同時由於可運動的支承，運動部件和環境的熱接觸很惡劣，動音圈產生的熱量會使運動部件的温度升高，因而音圈中所允許的最大電流較小.當載荷對熱特別敏感時，可以把載荷與磁體相連，即固定音圈結構.該結構線圈的散熱不再是大問題，線圈允許的最大電流較大，但為了減小運動部分的質量，採用了較小的磁鐵，因此磁場較弱 ^[1]  。

直線音圈電機可實現直接驅動，且從旋轉轉為直線運動無後衝、也沒有能量損失.優選的引導方式是與硬化鋼軸相結合的直線軸承或軸襯.可以將軸觸襯集成為一個整體部分.重要的是要保持引導系統的低摩擦，以不降低電機的平滑響應特性.

典型旋轉音圈電機是用軸球軸承作為引導系統，這與傳統電機是相同的.旋轉音圈電機提供的運動非常光滑，成為需要快速響應、有限角激勵應用中的首選裝置.比如萬向節裝配中.

傳統結構形式

如圖3：傳統結構音圈電機的軸測圖所示，在音圈電機的傳統結構中，有一個圓柱狀線圈，圓柱中心杆與包圍在中心杆周圍的永久磁體形成的氣隙，在磁體和中心杆外部罩有一個軟鐵殼.線圈在氣隙內沿圓柱軸向運動。

依據線圈行程，線圈的軸向長度可以超出磁鐵軸向長度，即長音圈結構.而有時根據行程，磁體又可以比線圈長，即短音圈結構.長音圈結構中的音圈長度要大於工作氣隙長度與最大行程長度之和;而短音圈結構中的工作氣隙長度大於音圈長度與最大行程長度之和.長音圈結構充分利用了磁密，但由於音圈中只有一部分線圈處於工作氣隙中，所以電功率利用不足;短音圈結構則正好相反.兩種結構相比，前者可以允許較小的磁鐵系統，因此音圈電機的體積也可以比較小;後者則體積較大，但功耗較小，可以允許較大音圈電流.與短線圈配置相比，長音圈配置可以提供更好的力勸率比，且散熱好.而短音圈配置電時間延時較短，質量較小，且產生的電樞反動力小 ^[1]  .

音圈電機的材料選用

選擇音圈電機材料需要考慮系統性能、工作環境加工和成本等因素.線圈一般是用銅或鋁線纏在非鐵磁的繞線筒上，外部塗上一層聚合體薄膜來絕緣.鋁線的傳導率是銅線的一半，但重量是銅線的三分之一可根據具體散熱和使用情況進行選擇 ^[2]  .

大部分永久磁體材料是硬磁鐵，錢鐵硼和鑽化衫.用來容納線圈的磁體氣隙必須足夠大，也就是磁體必須在較低的載重線上工作,另外磁材料應當具有高抗磁力和相當好的退磁曲線，以提高磁路的工作效率.

基於安培力原理製造的音圈電機，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中.加上音圈電機的快速、平滑、無嵌齒、無滯後響應等特點，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 ^[1]  .