蝴蝶形音圈電機(jī)音圈機(jī)簡(jiǎn)介

圈電機(jī)是磁盤(pán)機(jī)中驅(qū)動(dòng)磁頭作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源。70年代初曾用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)磁頭，因速度慢、定位精度差，后被音圈電機(jī)—小車(chē)驅(qū)動(dòng)票統(tǒng)代替。音圈電機(jī)從磁路觀點(diǎn)分析，有長(zhǎng)音圈短磁路結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)音圈電機(jī)和短音圈長(zhǎng)磁路結(jié)構(gòu)的短音圈電機(jī)。從音圈帶動(dòng)磁頭結(jié)構(gòu)來(lái)分，最初是一個(gè)音圈帶動(dòng)一組磁頭，以后曾采用多音圈結(jié)構(gòu)，即一個(gè)音圈驅(qū)動(dòng)一個(gè)磁頭。目前在溫切斯特磁盤(pán)中應(yīng)用搖臂音圈電機(jī)以及本文討論的是在同一平面內(nèi)二個(gè)音圈帶動(dòng)一組磁頭的蝴蝶形音圈電機(jī)。磁盤(pán)機(jī)是計(jì)算機(jī)主要外存儲(chǔ)設(shè)備之一，多數(shù)采用機(jī)電元件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。工作速度較慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上計(jì)算機(jī)主機(jī)的運(yùn)算速度，因此從提高數(shù)據(jù)處理能力來(lái)看，縮短磁盤(pán)機(jī)存取信息時(shí)間，也就是加速磁頭運(yùn)動(dòng)速度是一項(xiàng)迫切需要研究的課題。音圈電機(jī)研制就是為解決該課題而提出的，要加速磁頭運(yùn)動(dòng)速度，音圈電機(jī)必須具有足夠大的推(拉)力、運(yùn)動(dòng)本體質(zhì)量輕、電機(jī)機(jī)電常數(shù)小以及系統(tǒng)機(jī)械諧振頻率高等特點(diǎn)。此外為了減小對(duì)磁盤(pán)盤(pán)片和磁頭的磁化，希望電機(jī)向外界雜散漏磁場(chǎng)要小，特別在磁頭工作區(qū)域附近漏磁場(chǎng)應(yīng)越小越好。至于電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、加工裝配方便、耐磨損壽命長(zhǎng)和工作可靠等，在設(shè)計(jì)音圈電機(jī)時(shí)亦應(yīng)給予重視 。

通過(guò)的導(dǎo)體穿過(guò)磁場(chǎng)的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)垂直于磁力線的力，這個(gè)力的大小取決于通過(guò)場(chǎng)的導(dǎo)體的長(zhǎng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度及電流大小。音圈電機(jī)將實(shí)際的電流轉(zhuǎn)化為直線推力或扭力，他們的大小是實(shí)際通過(guò)的電流的大小成比例。

它很像在一只蝴蝶的二只翅膀上安裝了二個(gè)動(dòng)圈，如圖《蝴蝶形音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)》所示，二個(gè)動(dòng)圈骨架分別與小車(chē)左右連接。小車(chē)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(guò)小車(chē)上面二只微型滾珠軸承和底部四個(gè)微型軸承分別在對(duì)應(yīng)軌道上定位和穩(wěn)定。當(dāng)二側(cè)動(dòng)圈產(chǎn)生推(拉)力時(shí)，帶動(dòng)小車(chē)在三根圓柱形軌道上作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，動(dòng)圈用自粘性漆包鋁質(zhì)扁平導(dǎo)線繞制，粘嵌于鋁質(zhì)動(dòng)圈骨架上。二個(gè)動(dòng)圈分別在各自獨(dú)立的磁路里工作，四周為軟鐵磁路，在小車(chē)運(yùn)動(dòng)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(chē)與軌道保證 。

音圈電機(jī)性能參數(shù)的測(cè)量，主要是測(cè)定電機(jī)輸出推(拉)力、比推力均勻性、氣隙磁場(chǎng)、漏磁場(chǎng)和機(jī)械諧振頻率等。在以往研制13片盤(pán)組用大推力音圈電機(jī)時(shí)，拉力15公斤，用彈簧秤測(cè)定。測(cè)機(jī)械諧振頻率時(shí)，因動(dòng)圈自重達(dá)九百克，故加速度計(jì)重20多克可忽略不計(jì)。但被測(cè)電機(jī)正常工作拉力僅20?？俗笥?，而單個(gè)動(dòng)圈重不到10克，這給測(cè)試工作帶來(lái)一定困難。

蝴蝶形音圈電機(jī)推（拉）力測(cè)定

為精確測(cè)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(dòng)打印機(jī)。如圖《蝴葬形音圈電機(jī)推力曲線》所示為實(shí)測(cè)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(jī)比推力不均勻度為士5%，顯然被測(cè)電機(jī)比推力不均勻是比較好的。這是因?yàn)樵撾姍C(jī)磁路結(jié)構(gòu)為雙通道磁路，對(duì)稱(chēng)性好，漏磁場(chǎng)小，氣隙磁場(chǎng)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(dòng)圈上下二個(gè)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(chǎng)中產(chǎn)生力。如果進(jìn)一步改進(jìn)磁路結(jié)構(gòu)，如在動(dòng)圈底部構(gòu)成磁回路，電機(jī)推力將會(huì)增加 。

蝴蝶形音圈電機(jī)漏磁場(chǎng)測(cè)定和分析

對(duì)音圈電機(jī)研究表明，加速磁頭運(yùn)動(dòng)速度的有效途徑是增加電機(jī)氣隙的磁密和降低電機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù)，電機(jī)氣隙磁密增加促使磁路飽和。為了減少電機(jī)電樞反應(yīng)對(duì)工作性能影響以及減少線圈的電感，在設(shè)計(jì)音圈電機(jī)時(shí)往往有念識(shí)地將磁路設(shè)計(jì)得十分飽和。從而使音圈電機(jī)漏磁場(chǎng)普遍較大。例如高性能長(zhǎng)音圈電機(jī)的漏磁場(chǎng)不僅影響磁頭和磁盤(pán)，而且能磁化磁盤(pán)操作者所戴手表，只有加磁屏蔽后才能工作。短音圈電機(jī)因磁路結(jié)構(gòu)原因，漏磁場(chǎng)小~些，但在離前端蓋3厘米處仍有幾十到上百高斯漏磁場(chǎng)。音圈電機(jī)是一種同極性磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)，一般做成圓筒形，沿內(nèi)鐵心圓柱四周磁通都按一方向進(jìn)入鐵心圓柱，通過(guò)鐵扼、磁體和氣隙回到內(nèi)鐵心圓柱。為了給動(dòng)圈留出運(yùn)動(dòng)空間，往往做成一端開(kāi)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(chǎng)發(fā)生畸變，比推力均勻度變差。這種結(jié)構(gòu)的音圈電機(jī)所驅(qū)動(dòng)的磁頭工作位置恰好處在漏磁場(chǎng)最大位置，對(duì)磁頭影響較大 。

蝴蝶形音圈電機(jī)機(jī)械諧振頻率測(cè)試

機(jī)械諧振頻率測(cè)試與電機(jī)裝配、微型滾珠軸承對(duì)軌道壓力、小車(chē)是否帶磁頭和組件塊等有關(guān)，尤其是該電機(jī)單個(gè)線圈重只有9.8克，線圈、骨架和小車(chē)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(jìn)口了一套加速度傳感器，自重僅2克的測(cè)試設(shè)備，配以國(guó)產(chǎn)自動(dòng)掃頻儀和電平記錄儀的實(shí)驗(yàn)線路，測(cè)出了在小車(chē)不帶磁頭時(shí)電機(jī)一小車(chē)系統(tǒng)的機(jī)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(shí)際應(yīng)用中是不允許的。其產(chǎn)生原因是電機(jī)裝配不佳和壓力彈簧不合適造成的。電機(jī)一小車(chē)系統(tǒng)共振點(diǎn)發(fā)生在大于2千赫處，符合短音圈電機(jī)技術(shù)指標(biāo)。諧振頻率越高，系統(tǒng)調(diào)試頻帶就寬，系統(tǒng)工作時(shí)不易發(fā)生共振，調(diào)試亦方便，最終才能實(shí)現(xiàn)磁盤(pán)機(jī)快速存取信息的目的。若諧振頻率低于1千赫，即使電機(jī)輸出力很大，也不能實(shí)現(xiàn)最小取數(shù)時(shí)間5毫秒的要求。從某種意義上說(shuō)，電機(jī)-小車(chē)系統(tǒng)機(jī)械諧振頻率的高低，直接決定于音圈電機(jī)是否能在磁盤(pán)機(jī)上的應(yīng)用間題，它是電機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)之一，亦是這類(lèi)磁盤(pán)機(jī)的關(guān)鍵測(cè)試項(xiàng)目?？梢圆豢浯蟮卣f(shuō)，不進(jìn)行電機(jī)機(jī)械諧振頻率特性曲線的測(cè)試，等放沒(méi)有對(duì)被測(cè)電機(jī)作出應(yīng)有評(píng)價(jià)，就等聆不能肯定該音圈電機(jī)是否可用 。2100433B

永磁勵(lì)磁音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)

根據(jù)運(yùn)動(dòng)部件的不同，音圈電機(jī)可分為動(dòng)鐵式和動(dòng)圈式結(jié)構(gòu)；根據(jù)音圈電機(jī)內(nèi)線圈的長(zhǎng)短可分為長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)方式的不同，音圈電機(jī)可分為直線型和擺動(dòng)型兩類(lèi)。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(lèi) 。

（1）動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式結(jié)構(gòu)

按照音圈電機(jī)中運(yùn)動(dòng)的是音圈還是鐵磁系統(tǒng)，可將音圈電機(jī)分為動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式兩種類(lèi)型。

在動(dòng)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(yùn)動(dòng)部件，在電力系統(tǒng)中容易出現(xiàn)故障，并且工作時(shí)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(diǎn)運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量小，慣性也小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。

動(dòng)鐵式結(jié)構(gòu)中，由于鐵磁系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)，所以對(duì)永磁體的體積、重量都有要求。在設(shè)計(jì)時(shí)需要一個(gè)較長(zhǎng)的固定的線圈，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且運(yùn)動(dòng)部分重量大，慣性也大，故其動(dòng)態(tài)響應(yīng)沒(méi)有動(dòng)圈式好。其優(yōu)點(diǎn)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(zhǎng)。

（2）長(zhǎng)音圈和短音圈結(jié)構(gòu)

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

長(zhǎng)音圈結(jié)構(gòu)VCM的音圈長(zhǎng)度≥工作氣隙長(zhǎng)度 最大行程長(zhǎng)度，其優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是線圈較長(zhǎng)，只有少部分工作在氣息中造成電能浪費(fèi)，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(zhǎng)度 最大行程長(zhǎng)度≤工作氣隙長(zhǎng)度，其優(yōu)點(diǎn)是線圈長(zhǎng)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(zhǎng)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(jī)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(dāng)永磁體在工作氣隙外部的時(shí)候?yàn)橥獯攀浇Y(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(duì)于需要在音圈電機(jī)中間穿孔的場(chǎng)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(dāng)永磁體在工作氣隙內(nèi)緣時(shí)為內(nèi)磁式結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)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(lèi)型

音圈電機(jī)還有很多分類(lèi)方式，根據(jù)運(yùn)動(dòng)方式的不同，可分為直線型和擺動(dòng)型兩類(lèi)，如在硬盤(pán)中驅(qū)動(dòng)磁頭擺動(dòng)的就是擺動(dòng)型音圈電機(jī)。根據(jù)音圈電機(jī)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(jī)能夠直接產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中不需要皮帶、齒輪等中間傳動(dòng)機(jī)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(duì)音圈電機(jī)的詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟介紹的卻不是太多，并且在進(jìn)行音圈電機(jī)的磁路設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)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(lái)越高而且價(jià)格逐步降低，但是在永磁電機(jī)的造價(jià)中，永磁材料仍然占有很大的比重。通過(guò)合理設(shè)計(jì)音圈電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)，使用較少的永磁材料，在電機(jī)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(jī)性能的因素， 需要建立音圈電機(jī)在工作時(shí)的數(shù)學(xué)模型，才能對(duì)音圈電機(jī)深入認(rèn)識(shí)，并針對(duì)影響其性能的相關(guān)因素進(jìn)行優(yōu)化 。

由音圈電機(jī)的工作原理可知在其工作時(shí)，線圈上產(chǎn)生的電磁力為：

為了使線圈運(yùn)動(dòng)，電磁力 F_e應(yīng)大于最大靜摩擦力與負(fù)載阻力之和。其動(dòng)力學(xué)模型如圖 2-6 所示，由圖可以得到音圈電機(jī)工作時(shí)的動(dòng)力平衡方程：

由音圈電機(jī)的工作原理，可以畫(huà)出音圈電機(jī)工作時(shí)的電路結(jié)構(gòu)示意圖 2-7：

音圈電機(jī)工作時(shí)的電壓平衡方程為：

式中：u為音圈電機(jī)工作時(shí)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(qiáng)度，e為音圈在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)，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(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)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(jī)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(dòng)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(huà)出音圈電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型結(jié)構(gòu)圖如圖2-8所示。圖中k_e=BlN，

在實(shí)際運(yùn)行中，電感非常小，并且音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)熄火拉線時(shí)是低頻運(yùn)動(dòng)，可以忽略電感的影響，則音圈電機(jī)的電壓—位移的數(shù)學(xué)模型變?yōu)椋?

對(duì)上式進(jìn)行拉普拉斯變換，可以得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)：

音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)二階系統(tǒng)，機(jī)電時(shí)間常數(shù)為：

T_m是一個(gè)重要參數(shù)， 它的大小會(huì)影響到音圈電機(jī)的響應(yīng)速度。 通過(guò)分析知道，提高氣隙磁通密度B，減少運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量可以減少機(jī)電時(shí)間常數(shù)T_m，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度 。2100433B