圓柱形音圈電機

圓形音圈電機是在音圈電機的基礎上，通過合理設計音圈電機的磁路結構，使用較少的永磁材料，在電機工作氣隙中產生滿足要求的磁通密度，達到降低材料價格的目的。

圓形音圈電機能夠直接產生直線運動，在驅動系統中不需要皮帶、齒輪等中間傳動機構，大大降低了能量損耗，節約了成本，並極大地提高了系統的回響速度和控制精度。雖然永磁材料發展速度很快，性能越來越高而且價格逐步降低，但是在永磁電機的造價中，永磁材料仍然占有很大的比重。

基本介紹

• 中文名：圓柱形音圈電機
• 外文名：cylindrical voice coil motor  
• 特點：能夠直接產生直線運動
• 驅動系統：不需要皮帶、齒輪等中間傳動機構
• 優點一：大大降低能量損耗，節約成本
• 優點二：系統的回響速度和控制精度高

簡介

圓形音圈電機能夠直接產生直線運動，在驅動系統中不需要皮帶、齒輪等中間傳動機構，大大降低了能量損耗，節約了成本，並極大地提高了系統的回響速度和控制精度。然而業界對音圈電機的詳細設計步驟介紹的卻不是太多，並且在進行音圈電機的磁路設計時，設計人員的經驗是一重要因素。另外，雖然永磁材料發展速度很快，性能越來越高而且價格逐步降低，但是在永磁電機的造價中，永磁材料仍然占有很大的比重。通過合理設計音圈電機的磁路結構，使用較少的永磁材料，在電機工作氣隙中產生滿足要求的磁通密度就顯得很有必要。

音圈電機結構

永磁勵磁音圈電機結構

根據運動部件的不同，音圈電機可分為動鐵式和動圈式結構；根據音圈電機內線圈的長短可分為長音圈型和短音圈型；根據永磁體的不同位置可分為外磁式結構和內磁式結構；根據運動方式的不同，音圈電機可分為直線型和擺動型兩類。根據其外形又可分為：圓柱形、扁平形、圓形（含弧形）、扁平形等不同種類。

（1）動圈式和動鐵式結構

按照音圈電機中運動的是音圈還是鐵磁系統，可將音圈電機分為動圈式和動鐵式兩種類型。

在動圈式結構中，可以將鐵磁系統做的大一些，以便產生所需要的氣隙磁通密度。音圈是運動部件，在電力系統中容易出現故障，並且工作時產生的熱量不容易消散，所以在音圈中的電流不能太大。其優點運動部分質量小，慣性也小，動態回響好。

動鐵式結構中，由於鐵磁系統在運動，所以對永磁體的體積、重量都有要求。在設計時需要一個較長的固定的線圈，結構比較複雜，且運動部分重量大，慣性也大，故其動態回響沒有動圈式好。其優點是散熱容易，線圈中可以通較大的電流，行程也可以做的很長。

（2）長音圈和短音圈結構

音圈電機按照其工作氣隙與音圈長度的大小關係，可分為長音圈結構VCM和短音圈結構VCM。

長音圈結構VCM的音圈長度≥工作氣隙長度+最大行程長度，其優點是永磁體體積較小，能夠充分利用永磁體產生的氣隙磁通密度，節省了成本。缺點是線圈較長，只有少部分工作在氣息中造成電能浪費，導磁板端部漏磁較多。其基本工作原理圖如圖2-1(a)所示：

圖 2-1 長音圈與短音圈 VCM 基本工作原理圖

短音圈結構VCM的音圈長度+最大行程長度≤工作氣隙長度，其優點是線圈長度較短且全部都工作在氣隙中，電能利用率高，功耗容易控制。相比於長音圈結構VCM，其導磁板較大。其基本工作原理圖如圖2-1(b)所示：

（3）外磁式結構和內磁式結構

永磁音圈電機按照永磁體的位置可以分為外磁式VCM和內磁式VCM。外磁式結構：當永磁體在工作氣隙外部的時候為外磁式結構。為了減少磁體內部損耗，一般將高矯頑力的永磁材料做成面積大而厚度小的環形磁體，這樣能大大提高磁能的利用。對於需要在音圈電機中間穿孔的場合，適宜採用這種結構。其結構示意圖如圖2-2(a)所示。

圖 2-2 外磁式和內磁式 VCM 結構示意圖

內磁式結構：當永磁體在工作氣隙內緣時為內磁式結構。其優點是磁路較短，能充分利用永磁體的磁力線，漏磁通量比較小。其結構示意圖如圖2-2(b)所示。

圖 2-3 音圈電機實物照片

（4）其他結構類型

音圈電機還有很多分類方式，根據運動方式的不同，可分為直線型和擺動型兩類，如在硬碟中驅動磁頭擺動的就是擺動型音圈電機。根據音圈電機的外形結構又可分為：圓柱形、扁平形、圓形（含弧形）、扁平形，如圖2-3所示。

圓柱形音圈電機數學模型

為了明確影響音圈電機性能的因素， 需要建立音圈電機在工作時的數學模型，才能對音圈電機深入認識，並針對影響其性能的相關因素進行最佳化。

圖 2-6 動力學模型

由音圈電機的工作原理可知在其工作時，線圈上產生的電磁力為：

式中： B 為 VCM 工作氣隙的磁感應強度 （T） ，l 為音圈每匝在氣隙中的有效長度 （m），i為線圈內電流的大小（A） ，N 為線圈匝數，k_e=BlN。

為了使線圈運動，電磁力 F_e應大於最大靜摩擦力與負載阻力之和。其動力學模型如圖 2-6 所示，由圖可以得到音圈電機工作時的動力平衡方程：

式中：F_e為電機產生的電磁力，F_l為負載阻力，F_f為滑動摩擦力，m 為運動部件的質量，a 為運動部件的加速度。

圖 2-7 電路結構示意圖

由音圈電機的工作原理，可以畫出音圈電機工作時的電路結構示意圖 2-7：

音圈電機工作時的電壓平衡方程為：

式中：u為音圈電機工作時的電壓，L為電路的電感，i為電路中的電流，R為電流迴路的電阻，B為音圈所在氣隙的磁感應強度，e為音圈在磁場中的運動時產生的反電動勢，其方向總是與電流方向相反。

圖 2-8 音圈電機動態模型結構圖

e的大小可以推知為：

式中，v為音圈在磁場中的運動速度。

加速度a，速度v以及位移x之間的關係為：

為了研究影響音圈電機工作性能的主要因素，可以忽略空氣阻尼和摩擦力，可以分別得到動力平衡方程：

式中：c為阻尼係數，k為彈簧的勁度係數。

電壓平衡方程

將上兩式的中間變數F_e、i(t)、e消去，可以得到電壓為輸入量，位移為輸出量的系統微分方程：

可以畫出音圈電機的動態模型結構圖如圖2-8所示。圖中k_e=BlN，是線圈的電磁時間常數，。

在實際運行中，電感非常小，並且音圈電機驅動熄火拉線時是低頻運動，可以忽略電感的影響，則音圈電機的電壓—位移的數學模型變為：

對上式進行拉普拉斯變換，可以得到系統傳遞函式：

音圈電機驅動系統是一個二階系統，機電時間常數為：

T_m是一個重要參數， 它的大小會影響到音圈電機的回響速度。 通過分析知道，提高氣隙磁通密度B，減少運動部件的質量可以減少機電時間常數T_m，提高系統回響速度。