音圈电机技术原理

《音圈电机技术原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《音圈电机技术原理（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、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

2、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

3、 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

4、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

5、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

6、. 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

7、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 il actuato 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

8、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 lux2fo

9、cus 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

10、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

11、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 )

12、. 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 r po 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

13、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 S RM 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 2 p t1 + (FL + F F ) 2 t2 + (Fm - FL - F F ) 2 t3 t1 + 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

14、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+ 0 2 = (1?4)D t1 , vmax= D 2t1 ; ( ii) 整个行程: v TRA P= (1?4 )D + (1?2)D + (1?4)D ( t1+ t2+ t3) = D 3t1 ; ( iii) vmax vTRA P = D ?2 t1 D ?3 t1 = 3 2 , 即vmax = 1. 5vTRA P; 图7中( i) 加速部分: vmax+ 0 2 = (1?2)D t1 , vmax = D 2t1 ; ( ii) 整个行程: vTR I = (1?2)D + (1?2)D (

15、t1+ t3) = D 2t1 ; ( iii) vmax vTRAP = D t1 D ?2t1 2, 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

16、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