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音圈电机原理

时间:2012-11-20  点击数:4518
                                                           音圈电机的技术原理

音圈电机(Vo ice Co il A ctuato r) 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.
 

音圈电机的基本原理

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 = kB L IN , (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

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.

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. 5~ 5) 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ö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.