Ù 音圈电机的技术原理 (张大卫等) 522 Ù (总第 107 期) 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 (1) F = kB L IN , 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. 图 1　安培力原理图 F ig. 1　Amp. fo rce p rincip le 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. 图 2　直线音圈电机结构图 F ig. 2　L inear vo ice co il actuato r p rincip le 图 3　旋转音圈电机示意图 F ig. 3　Ro tary vo ice co il actuato r 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 轴衬集成为一个整体部分. 重要的是要保持引导系 是与硬化钢轴相结合的直线轴承或轴衬. 可以将轴 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 

2 音圈电机的技术原理 (张大卫等) 2 722 (总第 107 期) 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 (F RM 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 F L , 摩擦力 F F , 及质量加速度引起的力 F m 的总和. F p = F L + F F + F m. (2) 观察各分量, 载荷引起的力 F L 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 F m , 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. F m = m L + C × a. 3. 1. 2　需要的平均连续力 F RM S (3) RM S (Roo t M ean Square) 力用来估计应用 中的平均连续力. 它由下面公式描述 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 F ig. 6　T rapezo idal move fo r po in t to po in t mo tion　 F ig. 7　T riangu lar move fo r to po in t mo tion po in t F RM S = (F 2 p t1 + (F L + F F ) 2 t2 + (F m - F L - F F ) 2 t3 t1 + t2 + t3 + t4 , (4) 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. 式中　t1是加速时间; 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: (1 4)D t1 , vm ax= D 2t1 ; (ii) 整个行程: v TRA P= [ (1 即 vm ax = 1. 5v TRA P; 图 7 中 ( i) 加 速 部 分: 4)D + (1 2)D + (1 ( t1+ t2+ t3) vm ax+ 0 2 = (1 2)D t1 4)D ] = D 3t1 , vm ax = D 2t1 ; [ (1 2)D + (1 ( t1+ t3) 2)D ] = D 2t1 ; (iii) vm ax v TRA P = D 式中　vm ax= 电机额定工作速度, mm 2, 即 vm ax= 2v TR I. D t1 2t1 s; v TRA P = 梯形运动需要的电机平均速度, mm 形运动需要的电机平均速度, mm 时间, s; 3. 1. 4　行程 t4= 停顿时间, s. s; D = 移动线圈总行程; t1= 加速时间, s; vm ax+ 0 2 2t1 3t1 = = 3 2 , ; (iii) vm ax v TRA P = D D ( ii) 整 个 行 程: v TR I = t2= 运行时间, s; s; v TR I= 三角 t3= 减速 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, ; 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 行程特性, 和较高的电 机能量转化率. 这 

2 2 2 2 Ù 2 2 822 中 北 大 学 学 报 (自然科学版) 2006 年第 3 期 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 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. 图 8　HDD 的顶部视图 F ig. 8　Top view of HDD 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. 参考文献: 1 　王选择, 谢峰, 曾孟雄. 光针式位移传感器聚焦伺服控制系统的设计[J. 自动化与仪器仪表, 2000 (6) : 1 5. W ang Xuanze, X ie Feng, Zeng M engxong. D esign of focu sing servo con tro l system u sed p ho tic sen so r[J. A u tom atization and D evice In strum en t, 2000 (6) : 1 (in Ch inese) 5. p in disp lacem en t 2 　Park H W , Yang H S, Park Y P, K im S H. Po sition and vib ration con tro l of a flex ib le robo t m an ip u lato r u sing hyb rid con tro ller[J . Robo tics and A u tonom ou s System , 1999 (28) : 31 41. 3 　罗敢, 张芳, 王岳环. 伺服图形光刻机调焦系统音圈电机设计[J. 电子计算机与外部设备, 1999, 23 (2) : 65 68. L uo Gan, Zhang Fang, W ang Yuehuan. D esign of V CA u sed fo r servo grap h p ho to [J. E lectron ic Com p u ter and Ex ternal D evice, 1999, 23 (2) : 65 (in Ch inese) 68. etch ing m ach ine focu sing system 4 　L ee K T , K im C J , Park N C, Park Y P. Im p rovem en t of dynam ic characteristics fo r op tical p ickup actuato r by m agnetic circu it[J. M icro system T echno logies, 2003 (9) : 232 242. 5 　Roberto O boe, A lessandro B egh i, Pao lo Cap retta, F rancesco Ch rapp an So ldavin i. A sim u lation and con tro l design A sm e T ran saction s on M echatron ics, 2002, stage hard disk drives[J . stage and dual IEEE environm en t fo r single 7 (2) : 161 170. 6 　Xu L M , Guo N. M odal testing and fin ite elem en t m odeling of sub system in hard disk drive[J. M echan ical System s and Signal P rocessing, 2003, 17 (4) : 747 764. 7 　Sh igek i M o ri, T akayuk i Ho sh ino, Go ro O b inata, Kazuh iro O uch i. A ir bearing linear actuato r fo r h igh ly p recise track ing[J . IEEE T ran saction s on M agnetics, 2003, 39 (2) : 812 818. 8 　R yu ich i Kyom asu. XY tab le fo r sem iconducto r m anufactu ring app lication [ P. U SA : U S2002 0180386 A 1, D ec. 5, 2002 12 05.