原创 音圈电机的技术原理

                                                                音圈电机的技术原理

                                                         (ServoDynamics China  高伟)

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

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

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 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.

直线/旋转精密音圈电机

音圈电机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

音圈电机执行器，利用音圈电机特有的高响应、高加速度、高速度、体积小的特点，与导轨和高精度编码器组合，构成完整的闭环系统——音圈电机执行器。主要用于电子半导体、生物医学、磁碟机、汽车工业、一般工业等场合。可做高频运动：可达每秒钟30次往返运动。

SMAC音圈电机优势：

• 精确的力量，位置，加速度，速度控制
• 直接驱动执行器因此有很高的精度和重复定位精度
• 完整的位置测量系统与光栅尺和光学读数头（无磨损）搭配
• 超大尺寸的线性导轨，因此有很长的使用寿命
• 搭配电流间接力量检测（开关检测）
• 数字量和模拟量输入输出通道
• 运行中能随时进行力量模式，速度模式，位置模式的切换
• 极高的加速度和速度

可编程功能：

执行器可以完全通过编程实现力量，速度，位置的控制，并且能在三种模式下操作：

力量模式：力量模式是开环控制，不使用编码器回馈信息，实际位置仍然从编码器读取，但对输出不施加任何影响

速度模式：速度模式能让执行器的运动轴在给定的速度，加速度，力量值下运动，有代表性的“软着陆”

位置模式：位置模式允许执行器的运动轴根据行程使用的加速度，速度和力量移动到各种位置，它能执行绝对，相对和学习位置移动

应用领域：开关测试，汽车螺纹检测，缸径测量和凹槽测量，取放应用，攻牙，螺丝刀，包装，医药和生物行业，定位焊接，扫描

本公司同时提供控制卡;PLC；步进电机系统；交流伺服；直流伺服；直线电机；音圈电机；各种减速机（行星，谐波，摆线）；各种传感器；机器视觉；超高温，低温，真空，防爆电机；丝杠导轨等工业自动化全套产品承接各种自动化项目开发

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