大推力音圈电机的探究
【摘要】音圈电机是一种性能非常好的直线电机。

在介绍音圈电机的同时本文提出了一种音圈电机的设计概念。

通过有限元分析，否决了这种概念。

【关键词】音圈电机;大推力;设计
1.引言
音圈电机是直线电机的一种，因其具有与扬声器相同的“音圈”结构，以及与扬声器相同的工作原理而得名。

音圈电机高频响应很好，精度高，可以应用于许多场合。

目前市面上出售的音圈电机可以提供0.7—1000N左右的推力。

它的这些优点引起了国内外研究者的兴趣，近年来对于音圈电机的研究逐渐增多。

1.1音圈电机的工作原理
音圈电机的工作原理与扬声器的工作原理相似，二者都应用了通电导体与磁场的相互作用原理。

通电导体在磁场中要受到安培力的作用。

扬声器线圈内部的电流大小反映了它所记载的声音信息，线圈因为电流大小的不同可以产生振幅不同的振动。

扬声器通过线圈的振动来达到还原声音甚至放大声音的目的。

而音圈电机则是利用音圈受力与其内部所通电流大小成正比的特性，使电能转换为机械能，达到输出功率的目的。

1.2音圈电机的分类
从总体来说，按照音圈电机的输出方式，可以分为直线型和摆动型。

直线型的动子沿直线运动，输出的是推力；摆动型的动子做圆周运动，输出的是扭矩。

二者的工作原理大致相同，本文只讨论直线型音圈电机。

按照磁场的提供方式不同来区分，音圈电机可以分为永磁励磁和电励磁两种。

电励磁的音圈电机应用很少，因为通过电流来产生的磁场很难利用。

本文后文会讨论一种电励磁的方案，会通过一些实际的仿真支出电励磁的难点。

随着近些年永磁材料的发展，人们可以通过很小的代价很轻松地获得高表磁的永磁体。

这更加剧了永磁励磁型音圈电机的优势。

所以几乎所有的音圈电机都采用永磁励磁。

按照可动部分不同来区分，音圈电机可以分为“动圈式”和“动铁式”两种。

牛顿第三定律指出，力的作用是相互的。

当固定住音圈电机的“铁”时，它的“圈”就会动，反之亦然。

动圈和动铁本质上是相同的。

不过二者又有很明显的差异：动圈式音圈电机因为动子“音圈”的质量很小，所以可以产生很好的高频响应以及很高的加速度（高达300g）。

同时因为永磁的部分是固定的，可以减少很多磁路设计方面的限制，从而方便设计出更好的磁路。

同时，也正是因为音圈的可动性，导致与电源相连部分的导线疲劳磨损严重，很容易产生断路甚至短路等电力系统
故障。

而且动圈式音圈电机因为结构的限制，它的散热不能做到很好，致使线圈中所能加载的电流受到限制。

动铁式音圈电机没有动圈式音圈电机的缺点，散热性能好，线圈工作状态稳定，可以通入较大的电流，行程也可以做得比较长。

按照用途不同来区分，音圈电机可以分为力电机，功电机和能电机。

力电机的设计目的是提供比较大的推力，一般提供推力的时间短，动子的运动速度低，主要作用于静止的物体上。

功电机的设计目的是连续长时间工作，它的输出力可能不高，但是稳定性一定要好。

1.3音圈电机的主要用途
在医疗方面，以呼吸机为例。

高频振荡通气技术是一种机械通气技术，采用高频率低容量正弦波通气，具有频率高，潮气量低的特性，与传统常规机械通气有着本质区别。

其性能要由于后者。

传统的呼吸机采用偏心轮的机械机构来带动活塞运动通气，工作频率不高，噪声大。

采用音圈电机替换原有机械结构以后可以通过控制电路很容易的控制频率，振幅以及其它相关参数，其优越性不言而喻。

在半导体方面，半导体是一个纳米尺度的行业，对于生产装备的精度要求很高。

音圈电机因为它本身的高精度以及高频响，很自然地成为研究者的首选。

引线键合机的工作方式是：当一个芯片传送过来时，首先通过图像处理技术找到定位零点，确定位置；接着运行键合程序，以很高的频率来焊接引线；最后把键合完成的芯片送出。

同时受限于社会生产率，整个芯片的键合时间不能很长，平均在2s以内。

结合引线键合机的工作方式，不难看出它对驱动的要求就是位置精度高，高频响应好。

这些正好全都是音圈电机的特点。

2.永磁励磁音圈电机的设计
2.1对磁感线的感性认识
永磁结构的音圈电机磁路是比较好设计的，只要利用高磁导率的材料，比如钢铁，设计合理的路线，引导磁感线从N极出发回到S极就好。

难点是如何减少漏磁，以及如何利用这有限的磁场来产生强大的推力。

磁感线总是从N极出发绕一个柔和的曲线回到S极，我们可以从通电螺线管的磁场图，条形磁铁的磁场图来感性地认识这一点。

而当磁体之外存在高磁导率物体时，磁感线从N极出发，在不影响回到S极的情况下，宁可多绕远路，也会尽可能地通过高磁导率的物体。

高磁导率的介质就好比一个磁感线收集器，把原本稀疏的磁感线聚集在介质内部。

这个特性可以被用来制造高强度的磁场。

然而，即使是磁导率很高的介质，也不可以无限制地吸引磁感线，改变磁感线的方向。

2.2“大板”磁路结构
2.2.1设计说明
既然以钢铁为代表的高磁导率介质对磁感线拥有强大的吸引力，那么就意味
着我们可以利用钢铁来约束磁感线，使磁感线按照我们的想法来走。

优良的音圈电机，它的出力波动一定是很小的。

如果波动过大，可能会造成不良的后果。

虽然说可以利用传感器来控制出力的波动，但是这只是治标的方法。

最根本的方法还是提高磁场的均匀性。

平行板电容器给了我很大的启发，因为它的物理模型就是相距很近的无限大均匀带电平面，缝隙里面激发的是匀强电场。

那么可不可以用类似的结构来产生匀强磁场呢？大板结构通过两侧的钢铁把底部的条形磁铁所产生的磁感线收集起来，然后传递到两个彼此平行的大板上，试图以此来激发匀强磁场。

2.2.2计算结果
用有限元分析软件对这个结构进行计算，结果显示这个结构的输出力只有10N。

这说明这个结构没有推广的价值。

仔细想来，原因在于面积比较大的极板将有限的磁通量分散了使得极板间磁通量密度过于弱小，导致线圈受力特别小。

[科]
【参考文献】
［1］胡良冈，龚永生.直线电机式高频震荡呼吸机的研制温州医学院学报，1994（02）.
［2］夏瑞阳，丁喆，陶明.圆柱形音圈电机结构的设计及优化.。