音圈电机的原理及应用
音圈电机(Voice Coil Motor)就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。
近年来,随着对高速、高精度定位系统性能要求的提高与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,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、真空管控制等。
本文将系统讨论音圈电机的工作原理、结构及其应用场合。
1、音圈电机的工作原理
1、1 磁学原理
音圈电机的工作原理就是依据安培力原理,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、以及磁场与电流的方向(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
kNBIL F (1)
式中k为常数。
由图1可知,力的方向就是电流方向与磁场向量的函数,就是二者的相互作用,如果磁场与导线长度为常量,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),铁磁圆筒内部就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,在线圈与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,只就是旋转音圈电机力就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
音圈电机就是单相两极装置。
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、与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与线圈组成的零部件出售。
线圈与磁体之间的最小气隙通常就是(0、 254～0、 381) mm,根据需要此气隙可以增大,只就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。
其优点就是固定的磁铁系统可以比较大,因而可以得到较强的磁场;缺点就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,运动部件与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就是大问题,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。
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
导方式就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,重要的就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。
典型旋转音圈电机就是用轴/球轴承作为引导系统,这与传统电机就是相同的。
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、音圈电机的结构形式
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久磁体形成的气隙,在磁体与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与,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与。
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-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。
设计音圈电机时总就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。
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就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就是线圈漏感较小,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、加工与成本等因素。
线圈一般就是用铜或
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。
铝线的传导率就是铜线的一半,但重量就是铜线的三分之一。
可根据具体散热与使用情况进行选择。
大部分永久磁体材料就是硬磁铁,钕铁硼与钴化钐。
用来容纳线圈的磁体气隙必须足够大,也就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与相当好的退磁曲线,以提高磁路的工作效率。
3、音圈电机的应用
音圈电机的电与机械时间延时短、响应快、并具有线性力-行程特性与较高的电-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。
如在光盘与硬盘驱动中,音圈电机得到广泛应用。
对于光盘驱动电机,重要的就是高的灵敏性与宽的伺服带宽,音圈电机无疑就是理想的选择。
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。
即为磁盘表面的读/写记录头提供转矩,并对其进行定位(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。
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。
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,在光学与测量系统、光学装配以及航空航天方面音圈电机都有广泛的应用。
4、总结
基于安培力原理制造的音圈电机,就是简单的、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与旋转运动系统中。
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。
深圳市英诺伺服技术有限公司的刘工对音圈电机的回答:
1、用在测试设备,提供压力,或者测寿命
2、还有用在零件的夹取
3、快速震动
4、还有焊线机
5、比如测试键盘。