蝴蝶形音圈電機

它很像在一只蝴蝶的二只翅膀上安裝了二個動圈，如圖《蝴蝶形音圈電機結(jié)構(gòu)》所示，二個動圈骨架分別與小車左右連接。小車上面有二根圓柱形軌道，底部有一根圓柱形軌道各自固定在底板上。通過小車上面二只微型滾珠軸承和底部四個微型軸承分別在對應(yīng)軌道上定位和穩(wěn)定。當二側(cè)動圈產(chǎn)生推(拉)力時，帶動小車在三根圓柱形軌道上作往復(fù)直線運動，動圈用自粘性漆包鋁質(zhì)扁平導(dǎo)線繞制，粘嵌于鋁質(zhì)動圈骨架上。二個動圈分別在各自獨立的磁路里工作，四周為軟鐵磁路，在小車運動方向的二側(cè)為二條稀土鉆磁鋼。線圈套在包有0.5毫米厚銅皮的內(nèi)鐵心柱上，其間隙由小車與軌道保證 。

音圈電機性能參數(shù)的測量，主要是測定電機輸出推(拉)力、比推力均勻性、氣隙磁場、漏磁場和機械諧振頻率等。在以往研制13片盤組用大推力音圈電機時，拉力15公斤，用彈簧秤測定。測機械諧振頻率時，因動圈自重達九百克，故加速度計重20多克可忽略不計。但被測電機正常工作拉力僅20。克左右，而單個動圈重不到10克，這給測試工作帶來一定困難。

蝴蝶形音圈電機推（拉）力測定

為精確測定200克左右推(拉)力，選用了500克、200克、100克三種拉壓傳感器，配以數(shù)字式力敏表和電動打印機。如圖《蝴葬形音圈電機推力曲線》所示為實測的推(拉)力曲線。

比推力不均勻度定義為±K%=（最大推力-最小拉力）/（最大推力 最小拉力）%。

一般短音圈電機比推力不均勻度為士5%，顯然被測電機比推力不均勻是比較好的。這是因為該電機磁路結(jié)構(gòu)為雙通道磁路，對稱性好，漏磁場小，氣隙磁場均勻。所以推(拉)力曲線在工作行程范圍內(nèi)變化很小。但線圈有效利用率低，動圈上下二個面導(dǎo)線不在磁路中，故不產(chǎn)生力，僅線圈二側(cè)面導(dǎo)線在磁場中產(chǎn)生力。如果進一步改進磁路結(jié)構(gòu)，如在動圈底部構(gòu)成磁回路，電機推力將會增加 。

蝴蝶形音圈電機漏磁場測定和分析

對音圈電機研究表明，加速磁頭運動速度的有效途徑是增加電機氣隙的磁密和降低電機機電時間常數(shù)，電機氣隙磁密增加促使磁路飽和。為了減少電機電樞反應(yīng)對工作性能影響以及減少線圈的電感，在設(shè)計音圈電機時往往有念識地將磁路設(shè)計得十分飽和。從而使音圈電機漏磁場普遍較大。例如高性能長音圈電機的漏磁場不僅影響磁頭和磁盤，而且能磁化磁盤操作者所戴手表，只有加磁屏蔽后才能工作。短音圈電機因磁路結(jié)構(gòu)原因，漏磁場小~些，但在離前端蓋3厘米處仍有幾十到上百高斯漏磁場。音圈電機是一種同極性磁路結(jié)構(gòu)電機，一般做成圓筒形，沿內(nèi)鐵心圓柱四周磁通都按一方向進入鐵心圓柱，通過鐵扼、磁體和氣隙回到內(nèi)鐵心圓柱。為了給動圈留出運動空間，往往做成一端開口，這樣磁路是單通道，即磁通只能一端閉合，另一端則造成很大漏磁并使工作行程內(nèi)氣隙磁場發(fā)生畸變，比推力均勻度變差。這種結(jié)構(gòu)的音圈電機所驅(qū)動的磁頭工作位置恰好處在漏磁場最大位置，對磁頭影響較大 。

蝴蝶形音圈電機機械諧振頻率測試

機械諧振頻率測試與電機裝配、微型滾珠軸承對軌道壓力、小車是否帶磁頭和組件塊等有關(guān)，尤其是該電機單個線圈重只有9.8克，線圈、骨架和小車總重34.2克。原有的重23克加速度傳感器和電荷放大器都不能使用。為此進口了一套加速度傳感器，自重僅2克的測試設(shè)備，配以國產(chǎn)自動掃頻儀和電平記錄儀的實驗線路，測出了在小車不帶磁頭時電機一小車系統(tǒng)的機械諧振頻率特性曲線。發(fā)現(xiàn)在低頻50周到100周之間有較小震蕩，這在實際應(yīng)用中是不允許的。其產(chǎn)生原因是電機裝配不佳和壓力彈簧不合適造成的。電機一小車系統(tǒng)共振點發(fā)生在大于2千赫處，符合短音圈電機技術(shù)指標。諧振頻率越高，系統(tǒng)調(diào)試頻帶就寬，系統(tǒng)工作時不易發(fā)生共振，調(diào)試亦方便，最終才能實現(xiàn)磁盤機快速存取信息的目的。若諧振頻率低于1千赫，即使電機輸出力很大，也不能實現(xiàn)最小取數(shù)時間5毫秒的要求。從某種意義上說，電機-小車系統(tǒng)機械諧振頻率的高低，直接決定于音圈電機是否能在磁盤機上的應(yīng)用間題，它是電機主要技術(shù)指標之一，亦是這類磁盤機的關(guān)鍵測試項目?？梢圆豢浯蟮卣f，不進行電機機械諧振頻率特性曲線的測試，等放沒有對被測電機作出應(yīng)有評價，就等聆不能肯定該音圈電機是否可用 。2100433B

圈電機是磁盤機中驅(qū)動磁頭作往復(fù)直線運動的動力源。70年代初曾用步進電機驅(qū)動磁頭，因速度慢、定位精度差，后被音圈電機—小車驅(qū)動票統(tǒng)代替。音圈電機從磁路觀點分析，有長音圈短磁路結(jié)構(gòu)的長音圈電機和短音圈長磁路結(jié)構(gòu)的短音圈電機。從音圈帶動磁頭結(jié)構(gòu)來分，最初是一個音圈帶動一組磁頭，以后曾采用多音圈結(jié)構(gòu)，即一個音圈驅(qū)動一個磁頭。目前在溫切斯特磁盤中應(yīng)用搖臂音圈電機以及本文討論的是在同一平面內(nèi)二個音圈帶動一組磁頭的蝴蝶形音圈電機。磁盤機是計算機主要外存儲設(shè)備之一，多數(shù)采用機電元件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。工作速度較慢，遠遠跟不上計算機主機的運算速度，因此從提高數(shù)據(jù)處理能力來看，縮短磁盤機存取信息時間，也就是加速磁頭運動速度是一項迫切需要研究的課題。音圈電機研制就是為解決該課題而提出的，要加速磁頭運動速度，音圈電機必須具有足夠大的推(拉)力、運動本體質(zhì)量輕、電機機電常數(shù)小以及系統(tǒng)機械諧振頻率高等特點。此外為了減小對磁盤盤片和磁頭的磁化，希望電機向外界雜散漏磁場要小，特別在磁頭工作區(qū)域附近漏磁場應(yīng)越小越好。至于電機結(jié)構(gòu)簡單緊湊、加工裝配方便、耐磨損壽命長和工作可靠等，在設(shè)計音圈電機時亦應(yīng)給予重視 。

通過的導(dǎo)體穿過磁場的時候，會產(chǎn)生一個垂直于磁力線的力，這個力的大小取決于通過場的導(dǎo)體的長度、磁場強度及電流大小。音圈電機將實際的電流轉(zhuǎn)化為直線推力或扭力，他們的大小是實際通過的電流的大小成比例。

永磁勵磁音圈電機結(jié)構(gòu)

根據(jù)運動部件的不同，音圈電機可分為動鐵式和動圈式結(jié)構(gòu)；根據(jù)音圈電機內(nèi)線圈的長短可分為長音圈型和短音圈型；根據(jù)永磁體的不同位置可分為外磁式結(jié)構(gòu)和內(nèi)磁式結(jié)構(gòu)；根據(jù)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(jù)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(jié)構(gòu)

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

在動圈式結(jié)構(gòu)中，可以將鐵磁系統(tǒng)做的大一些，以便產(chǎn)生所需要的氣隙磁通密度。音圈是運動部件，在電力系統(tǒng)中容易出現(xiàn)故障，并且工作時產(chǎn)生的熱量不容易消散，所以在音圈中的電流不能太大。其優(yōu)點運動部分質(zhì)量小，慣性也小，動態(tài)響應(yīng)好。

動鐵式結(jié)構(gòu)中，由于鐵磁系統(tǒng)在運動，所以對永磁體的體積、重量都有要求。在設(shè)計時需要一個較長的固定的線圈，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且運動部分重量大，慣性也大，故其動態(tài)響應(yīng)沒有動圈式好。其優(yōu)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(jié)構(gòu)

音圈電機按照其工作氣隙與音圈長度的大小關(guān)系，可分為長音圈結(jié)構(gòu)VCM和短音圈結(jié)構(gòu)VCM。

長音圈結(jié)構(gòu)VCM的音圈長度≥工作氣隙長度 最大行程長度，其優(yōu)點是永磁體體積較小，能夠充分利用永磁體產(chǎn)生的氣隙磁通密度，節(jié)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(dǎo)磁板端部漏磁較多。其基本工作原理圖如圖2-1(a)所示：

短音圈結(jié)構(gòu)VCM的音圈長度 最大行程長度≤工作氣隙長度，其優(yōu)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。相比于長音圈結(jié)構(gòu)VCM，其導(dǎo)磁板較大。其基本工作原理圖如圖2-1(b)所示：

（3）外磁式結(jié)構(gòu)和內(nèi)磁式結(jié)構(gòu)

永磁音圈電機按照永磁體的位置可以分為外磁式VCM和內(nèi)磁式VCM。外磁式結(jié)構(gòu)：當永磁體在工作氣隙外部的時候為外磁式結(jié)構(gòu)。為了減少磁體內(nèi)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(huán)形磁體，這樣能大大提高磁能的利用。對于需要在音圈電機中間穿孔的場合，適宜采用這種結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-2(a)所示。

內(nèi)磁式結(jié)構(gòu)：當永磁體在工作氣隙內(nèi)緣時為內(nèi)磁式結(jié)構(gòu)。其優(yōu)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(jié)構(gòu)示意圖如圖2-2(b)所示 。

（4）其他結(jié)構(gòu)類型

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

圓形音圈電機能夠直接產(chǎn)生直線運動，在驅(qū)動系統(tǒng)中不需要皮帶、齒輪等中間傳動機構(gòu)，大大降低了能量損耗，節(jié)約了成本，并極大地提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度 。然而業(yè)界對音圈電機的詳細設(shè)計步驟介紹的卻不是太多，并且在進行音圈電機的磁路設(shè)計時，設(shè)計人員的經(jīng)驗是一重要因素。另外，雖然永磁材料發(fā)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(shè)計音圈電機的磁路結(jié)構(gòu)，使用較少的永磁材料，在電機工作氣隙中產(chǎn)生滿足要求的磁通密度就顯得很有必要 。

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(shù)學(xué)模型，才能對音圈電機深入認識，并針對影響其性能的相關(guān)因素進行優(yōu)化 。

由音圈電機的工作原理可知在其工作時，線圈上產(chǎn)生的電磁力為：

為了使線圈運動，電磁力 F_e應(yīng)大于最大靜摩擦力與負載阻力之和。其動力學(xué)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：

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(jié)構(gòu)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為電流回路的電阻，B為音圈所在氣隙的磁感應(yīng)強度，e為音圈在磁場中的運動時產(chǎn)生的反電動勢，其方向總是與電流方向相反。

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(guān)系為：

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為阻尼系數(shù)，k為彈簧的勁度系數(shù)。

電壓平衡方程

將上兩式的中間變量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(tǒng)微分方程：

可以畫出音圈電機的動態(tài)模型結(jié)構(gòu)圖如圖2-8所示。圖中k_e=BlN，

在實際運行中，電感非常小，并且音圈電機驅(qū)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(shù)學(xué)模型變?yōu)椋?

對上式進行拉普拉斯變換，可以得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)：

音圈電機驅(qū)動系統(tǒng)是一個二階系統(tǒng)，機電時間常數(shù)為：

T_m是一個重要參數(shù)， 它的大小會影響到音圈電機的響應(yīng)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(zhì)量可以減少機電時間常數(shù)T_m，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度 。2100433B