音圈电机的原理及应用
音圈电机(Voice Coil Motor)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，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 ? kNBIL (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。
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、加工和成本等因素。线圈一般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。铝线的传导率是铜线的一半，但重量是铜线的三分之一。可根据具体散热和使用情况进行选择。大部分永久磁体材料是硬磁铁，钕铁硼和钴化钐。用来容纳线圈的磁体气隙必须足够大，也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和相当好的退磁曲线，以提高磁路的工作效率。
3. 音圈电机的应用
音圈电机的电和机械时间延时短、响应快、并具有 线性力-行程特性和较高的电-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。
如在光盘和硬盘驱动中，音圈电机得到广泛应用。 对于光盘驱动电机，重要的是高的灵敏性和宽的伺服带 宽，音圈电机无疑是理想的选择。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，在光学和测量系统、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，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和旋转运动系统中。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。