音圈电机主要结构形式
音圈电机主要结构形式
音圈电机主要结构形式音圈电机主要结构形式传统结构形式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。
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2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。
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。
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。
集中磁通技术的音圈电机结构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。
一种音圈电机结构[实用新型专利]
![一种音圈电机结构[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/caf4114a7f21af45b307e87101f69e314332fa84.png)
专利名称：一种音圈电机结构专利类型：实用新型专利
发明人：李明,黄莎,陈航
申请号：CN202220664594.6申请日：20220325
公开号：CN216819680U
公开日：
20220624
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型属于电机技术领域，尤其涉及一种音圈电机结构，包括：线圈、第一磁铁、第二磁铁、音圈线夹、第一音圈定子板、第二音圈定子板、第三音圈定子板、第四音圈定子板和第五音圈定子板；线圈套设于第一音圈定子板上，且线圈可沿着第一音圈定子板滑动，音圈线夹设置于线圈的底部，第一磁铁和第二磁铁分别设置于第一音圈定子板的两侧；第二音圈定子板、第三音圈定子板、第四音圈定子板和第五音圈定子板依次围合，形成容置空间，将线圈、第一磁铁、第二磁铁和第一音圈定子板容置于其内。
本实用新型结构简单、尺寸小、重量轻，且由于线圈与其余部件不接触，因此无摩擦损耗。
此外，本实用新型还具有直驱无齿槽效应，本实用新型的行程为20mm左右，适用于短行程高频率直线运动。
申请人：东莞市冠业传动科技有限公司
地址：523000 广东省东莞市寮步镇寮浮路27号10栋201室
国籍：CN
代理机构：广东荣海知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：黎理
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直线音圈电机结构设计与数学建模分析
直线音圈电机结构设计与数学建模分析音圈直线电机是一种将电能直接转化为直线运动而不需要任何中间转换机构的特种电机，由于具有体积小、质量轻、高响应等一系列优点，因而在一些精密领域及快速响应场合得到了广泛的应用。
文章重点介绍了一种自主设计的音圈电机的结构，并且在分析动态特征的基础上通过数学推导建立了比较精确的数学模型。
标签：音圈直线电机；结构；工作原理；数学模型引言音圈电机（V oice Coil Motor）是一种特殊形式的直接驱动电机，因其工作原理与扬声器类似而得名。
其工作原理就是安培力原理，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。
音圈电机将电能直接转换成机械能，省去了中间转换机构，在一些精密定位系统、高加速领域中得到了广泛的应用，如磁盘定位、光学透镜定位等[1，2]。
根据运动部件的不同，音圈电机可以分为动铁式与动圈式；根据运动方式的不同，音圈电机可分为直线型与旋转型；根据音圈电机内线圈的长短可分为长音圈型与短音圈型；根据磁通源的不同，音圈电机可分为永磁式与电磁式[3，4]。
文章所研究的音圈电机为动圈型永磁式直线音圈电机，将电能直接转换为直线运动的机械能。
1 直线音圈电机的结构文章所设计的音圈电动机为直线电机的一种，动线圈型永磁式直线直流电动机，这种直流直线电机由以下几部分组成，主要包括外壳、环形磁铁、铁芯、底座、电枢骨架和电枢线圈。
图1所示就是音圈电机的结构示意图。
图1 音圈电机结构示意图本设计在结构上非常简单。
动子部分包括电枢骨架及缠绕在上面的金属线圈，定子部分主要由四部分组成，外壳是圆柱形的，使用的是钢性材料；铁芯中间部分采用空心结构，这样可以使电机的重量大大减轻；磁场是由永磁铁产生的，永磁铁紧贴着外壳内壁，与铁芯之间构成气隙；铁芯是与外壳的底部连接在一起的，在外壳和铁芯的气隙之间形成固定的磁场，线圈通直流电后，线圈上就会产生电磁力，推动线圈沿轴线方向直线移动。
音圈电机技术原理
音圈电机技术原理音圈电机技术原理2011年05月25日音圈电机(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.1 音圈电机的基本原理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 = 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[ 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?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 音圈电机主要结构形式及材料选用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图4 传统音圈电机结构图Fig. 4 Conventional vo ice co ilactuato r structure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2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图5 集中磁通技术的音圈电机结构图Fig. 5 F lux2focus design vo ice co il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[ 3 ].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 音圈电机的选型与应用3. 1 直线音圈电机的选择由4 个参数选择直线音圈电机: 所需峰值力(F p ) ; 所需平均连续力(FRM S) ; 直线速度(v ) ; 总行程或移动距离(D ).3. 1. 1 需要的峰值力F p峰值力是载荷力FL , 摩擦力F F , 及质量加速度引起的力Fm 的总和.F p = FL + F F + Fm. (2)图6 点对点运动中梯形速度图图7 点对点运动中三角形速度图Fig. 6 T rapezo idalmove fo r Fig. 7 T riangular move fo rpo int2to po int mo tion po int2to po int mo tion观察各分量, 载荷引起的力FL 持续作用在电机上. 摩擦力F F 由完成运动的装配体的机械配置决定, 如轴承, 油脂, 联接, 面接触等因素.质量加速度引起的力Fm , 它由载荷(包括电机线圈) 的质量m L + C和负载加速度a 决定.Fm = m L + C × a. (3)3. 1. 2 需要的平均连续力FRM SRM S (Roo t2M ean2Square) 力用来估计应用中的平均连续力. 它由下面公式描述FRM S =(F 2p t1 + (FL + F F ) 2 t2 + (Fm - FL - F F ) 2 t3t1 + t2 + t3 + t4, (4)式中 t1是加速时间; t2是匀速运行时间; t3是减速时间, 而t4是运动过程中的停顿时间.3. 1. 3 直线速度图6, 图7 给出了点到点定位运动中额定速度与平均速度的关系. 图6中, ( i) 加速部分:vmax+ 02=(1?4)Dt1, vmax= D2t1; ( ii) 整个行程: v TRA P=[ (1?4 )D + (1?2)D + (1?4)D ]( t1+ t2+ t3) = D3t1; ( iii) vmaxvTRA P=D ?2 t1D ?3 t1=32,即vmax = 1. 5vTRA P; 图7中( i) 加速部分:vmax+ 02=(1?2)Dt1, vmax = D2t1; ( ii) 整个行程: vTR I =[ (1?2)D + (1?2)D ]( t1+ t3) = D2t1; ( iii) vmaxvTRAP=D t1D ?2t12, 即vmax= 2vTR I.式中 vmax= 电机额定工作速度, mm?s; v TRAP= 梯形运动需要的电机平均速度, mm?s; vTR I= 三角形运动需要的电机平均速度, mm ?s; D = 移动线圈总行程; t1= 加速时间, s; t2= 运行时间, s; t3= 减速时间, s; t4= 停顿时间, s.3. 1. 4 行程行程指运行的一端点到另一端点的总位移, 或者以行程中点为参考点的正、负位移. 音圈的行程范围从几微米到大约102 mm. 力和行程通常成反比.3. 2 旋转音圈电机的选型合理选择直线音圈电机需要的4 个参数, 对于旋转音圈电机同样适用.即: 所需峰值转矩, T P; 所需平均连续转矩, T RM S; 角速度, X; 角位移或行程. 旋转情况下加速度与力的关系为T J = J L + C × a, (5)式中 T J 是转矩; J L + C是电机线圈和载荷的总惯量; a 是载荷的角加速度.3. 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2行程特性, 和较高的电2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.图8 HDD 的顶部视图Fig. 8 Top view of HDD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[ 4 ] , 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[ 5 ]. 即为磁盘表面的读?写记录头提供转矩, 并对其进行定位[ 6 ] (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[ 7 ].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X Y 坐标型精密定位工作台的操作精度要求达到了亚微米级[ 8 ]. 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 结论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.。
圆柱型音圈电机
所谓音圈直线电机(Voice Coil Motor)因其结构类似于喇叭的音圈而得名。具有高频响、高精度 的特点。同茂电机把此类电机分为圆柱型音圈电机、摆动型音圈电机矩形音圈电机和平板型直线电机。 音圈电机将实际的电流转化为直线推力或扭力，它们的大小是同实际通过的电流的大小成比例。该款电
机主要应用在医疗、半导体、航空、汽车等领域，包括阀门制动器，小型精密替换测量仪、振动平台以
参数，如下：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
音圈电机工作原理
音圈电机工作原理音圈电机工作原理音圈电机是一种常见的电动机，它在许多领域中被广泛应用，例如音响设备、汽车、机器人等。
本文将从浅入深地解释音圈电机的工作原理。
一、什么是音圈电机音圈电机，也被称为电磁音圈驱动器（voice coil motor，简称VCM），是一种基于电磁原理工作的电动机。
它通常由定子、转子和磁场组成。
二、磁场的作用1. 磁场的产生音圈电机通过使用磁场来产生力，从而实现机械运动。
通常使用永磁体或电磁线圈产生一个稳定的磁场。
2. 磁场的极性磁场由两个极性组成：南极和北极。
当两个相同极性的磁场相遇时，它们会产生排斥力；而当两个不同极性的磁场相遇时，它们会产生吸引力。
三、音圈电机的工作原理1. 电流通过音圈当通过音圈通入电流时，产生的磁场与永磁体或电磁线圈中的磁场相互作用，引起力的产生。
这个力可以用来推动或拉动音圈。
2. 构造音圈电机的磁场为了使音圈电机工作，需要合适的磁场结构。
常见的方法是使用永磁体作为固定磁场，然后通过音圈传递电流，产生电磁力。
3. 双向运动音圈电机可以实现双向运动。
当电流通过音圈时，它会受到磁场的作用而运动。
改变电流的方向可以改变运动的方向。
四、应用领域音圈电机在许多应用领域中都有广泛的应用，其中一些包括：•音响设备：音圈电机可用于压电喇叭、耳机和扬声器等音频设备。
•汽车：音圈电机在汽车中用于控制各种机械部件，如调节器、重量平衡系统等。
•机器人：音圈电机具有精确控制和定位能力，因此常用于机器人运动控制。
五、总结通过以上简单的解释，我们对音圈电机的工作原理有了一定的了解。
音圈电机通过电流通入音圈，与磁场互相作用引起力的产生，从而实现机械运动。
它在音响设备、汽车和机器人等领域中具有广泛的应用前景。
希望本文能够帮助读者更好地理解音圈电机的工作原理。
音圈电机的基本原理浅析
音圈电机的基本原理浅析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 , 式中k 为常数.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, 且要克服线圈在较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.音圈电机经常作为一个由磁体和线圈组成的零部件出售.线圈与磁体之间的较小气隙通常是（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较大电流较小. 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,线圈允许的较大电流较大, 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.典型旋转音圈电机是用轴ö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.。
音圈电机研究及应用综述
２１ ０ １年
８月
徽 ＇机 Ｉ ｝
ＭＩ ＣＲＯ Ｍ ＯＴＯ ＲＳ
Ｖ０． ４． Ｎｏ ８ １４ ． Ａｕｇ ２ １ ． ０１
音 圈 电机 研 究 及 应 用 综 述
兴 连 国 ，周 惠 兴 ，侯 书林 ，曹 荣敏
（ 国农 业 大 学 ，北 京 中 １０ ８ ） ０ ０ ３
摘
要 ：音圈电机是 特种 直线 电机 ，是一种将电能直 接转化为直线或者 圆弧运动机械 能而不需要任何 中间转换机构
的传动装置 ，其工作原理与扬声器的音圈类 似。音 圈电机具有体积 小 、重量轻 、高加速度 、高 速度 、快 速响应 、推 力均匀等优 良性 能。介绍 了音固 电机的设计与选用 的理论基础 ，并 阐述 了音 圈电机的技术工作原理 、结 构形式 、设 计方案 、控 制方法和热平衡分析。给出了音圈电机 的设计计算方法 ，并对 音圈电机 的应用场合进行 了详细介绍 。
关 键 词 ：音 圈 电机 ；控 制 方 法 ；设 计 方 法 ；热 平 衡 分 析 ；应 用 中图 分 类 号 ：Ｔ ５ ． Ｍ３９ ９ 文 献标 志码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０ ．８ ８ ２ １ ） ８０ ８ —６ ０ １６４ （０ １ ０ ．０２０
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ａ ｄ Ａｐｐ ｉ ａ ｉ ｎ ｆ Ｖｏ ｃ ｉ Ｍ ｏ ｏ ｓａ ｃ ｎ ｌｃ ｔｏ ｏ ｉ ｅ Ｃｏ ｌ ｔｒ
机 ，因为原 理 与扬 声器 类似 而得 名 。其工 作 原理 为 ：
音 圈电机 是一 种 特 殊 形 式 的 直 接驱 动 电机 ，其
通 电线圈 （ 体 ） 导 在磁 场 中会 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
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音圈电机主要结构形式
传统结构形式
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。
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2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。
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。
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。
集中磁通技术的音圈电机结构
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。