近年來, 隨著對高速、高精度定位系統(tǒng)性能要求的提高和音圈電機技術的迅速發(fā)展, 音圈電機不僅被廣泛用在磁盤、激光唱片定位等精密定位系統(tǒng)中[ 1 ] , 在許多不同形式的高加速、高頻激勵上也得到廣泛應用. 如, 光學系統(tǒng)中透鏡的定位; 機械工具的多坐標定位平臺; 醫(yī)學裝置中精密電子管、真空管控制; 在柔性機器人中, 為使末端執(zhí)行器快速、準確定位, 還可以用音圈電機來有效地抑制振動[ 2 ].但有關音圈電機詳細技術原理的文獻還不多見, 為此, 本文將系統(tǒng)討論音圈電機的基本原理, 并闡述其選型方法和應用場合.

音圈電機的基本原理

1. 磁學原理
音圈電機的工作原理是依據(jù)安培力原理, 即通電導體放在磁場中, 就會產(chǎn)生力F , 力的大小取決于磁場強弱B , 電流I , 以及磁場和電流的方向(見圖1). 如果共有長度為L 的N 根導線放在磁場中, 則作用在導線上的力可表示為F = kB L IN , (1)式中　k 為常數(shù).由圖1 可知, 力的方向是電流方向和磁場向量的函數(shù), 是二者的相互作用. 如果磁場和導線長度為常量, 則產(chǎn)生的力與輸入電流成比例. 在簡單的音圈電機結(jié)構(gòu)形式中, 直線音圈電機就是位于徑向電磁場內(nèi)的一個管狀線圈繞組(見圖2). 鐵磁圓筒內(nèi)部是由永磁鐵產(chǎn)生的磁場, 這樣的布置可使貼在線圈上的磁體具有相同的極性. 鐵磁材料的內(nèi)芯配置在線圈軸向中心線上, 與磁體的一端相連, 用來形成磁回路. 當給線圈通電時, 根據(jù)安培力原理, 它受到磁場作用, 在線圈和磁體之間產(chǎn)生沿軸線方向的力. 通電線圈兩端電壓的極性決定力的方向.將圓形管狀直線音圈電機展開, 兩端彎曲成圓弧, 就成為旋轉(zhuǎn)音圈電機. 旋轉(zhuǎn)音圈電機力的產(chǎn)生方

2. 電子學原理
音圈電機是單相兩極裝置. 給線圈施加電壓則在線圈里產(chǎn)生電流, 進而在線圈上產(chǎn)生與電流成比例的力, 使線圈在氣隙內(nèi)沿軸向運動. 通過線圈的電流方向決定其運動方向. 當線圈在磁場內(nèi)運動時, 會在線圈內(nèi)產(chǎn)生與線圈運動速度、磁場強度、和導線長度成比例的電壓(即感應電動勢). 驅(qū)動音圈電機的電源得提供足夠的電流滿足輸出力的需要, 且要克服線圈在峰值運動速度下產(chǎn)生的感應電動勢, 以及通過線圈的漏感壓降.

3. 機械系統(tǒng)原理
音圈電機經(jīng)常作為一個由磁體和線圈組成的零部件出售. 線圈與磁體之間的小氣隙通常是(0. 5～ 5) mm , 根據(jù)需要此氣隙可以增大, 只是需要確定引導系統(tǒng)允許的運動范圍, 同時避免線圈與磁體間摩擦或碰撞. 多數(shù)情況下, 移動載荷與線圈相連, 即動音圈結(jié)構(gòu). 其優(yōu)點是固定的磁鐵系統(tǒng)可以比較大, 因而可以得到較強的磁場; 缺點是音圈輸電線處于運動狀態(tài), 容易出現(xiàn)斷路的問題. 同時由于可運動的支承, 運動部件和環(huán)境的熱接觸很惡劣, 動音圈產(chǎn)生的熱量會使運動部件的溫度升高, 因而音圈中所允許的峰值電流較小. 當載荷對熱特別敏感時, 可以把載荷與磁體相連, 即固定音圈結(jié)構(gòu).該結(jié)構(gòu)線圈的散熱不再是大問題, 線圈允許的峰值電流較大, 但為了減小運動部分的質(zhì)量, 采用了較小的磁鐵, 因此磁場較弱[ 3 ].
直線音圈電機可實現(xiàn)直接驅(qū)動, 且從旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)為直線運動無后沖、也沒有能量損失. 建議的引導方式是與硬化鋼軸相結(jié)合的直線軸承或軸襯. 可以將軸ö軸襯集成為一個整體部分. 重要的是要保持引導系統(tǒng)的低摩擦, 以不降低電機的平滑響應特性.