哈爾濱工業(yè)大學柴嘉偉、貴獻國：音圈電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化及應用綜述

原創(chuàng)2021-05-14 06:58·電氣技術

作者介紹

柴嘉偉，碩士，研究方向為永磁電機多目標優(yōu)化。參與項目為高速力矩電機190SJMG-M038CH研發(fā)、直線電機XJT140-188系列改進與研發(fā)、SSMD技術合作項目等。

貴獻國，博士，副教授，研究方向為特種電機多物理場耦合優(yōu)化設計、永磁電機驅(qū)動與控制。參與項目為主持臺達科技基金項目1項，國家重大科技專項子項目1項，參與國家863項目和重大科技專項項目2項。2015年與深圳科力電機開發(fā)系列永磁交流伺服電動機，已經(jīng)全面實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；2017年與中航三洋壓縮機有限公司合作開發(fā)高升力電動機。與青島同日電機有限公司、佛山德瑪特智能裝備科技有限公司、黑龍江特通電氣有限公司、哈工大機器人集團等多個企業(yè)有項目合作關系。

音圈電機以其響應速度快、定位精度高等出色的性能，在國民經(jīng)濟的諸多領域得到廣泛應用，本文回顧總結(jié)國內(nèi)外學者對音圈電機的研究成果，對音圈電機的技術概況進行總結(jié)歸納。有助于讀者快速地系統(tǒng)了解音圈電機的發(fā)展歷程以及研究熱點。

音圈電機理論基礎

音圈電機是一種基于安培力原理而設計的往復頻率極快的直驅(qū)式電機，其原理為線圈動子在永磁體中通電后會受安培力作用，如圖1。通過控制線圈電流的方向來控制線圈運動的方向，通過控制線圈通過電流的大小來控制線圈所受推力的大小。根據(jù)不同的分類方式，音圈電機可以分為：外磁式和內(nèi)磁式結(jié)構(gòu)、短音圈和長音圈結(jié)構(gòu)、動圈式和動磁式等結(jié)構(gòu)。

圖1 安培力原理圖

其中，內(nèi)磁式結(jié)構(gòu)有效解決了外磁式結(jié)構(gòu)存在的磁干擾問題，但由于結(jié)構(gòu)限制在特定的場合必須使用帶有屏蔽的外磁式結(jié)構(gòu)；隨著永磁材料的發(fā)展，短音圈結(jié)構(gòu)相對于長音圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢越來越明顯；動圈式結(jié)構(gòu)相對于動磁式結(jié)構(gòu)簡單，線性推力便于控制，但存在飛線問題；平板型和弧型結(jié)構(gòu)簡單，但是推力較小，圓筒型結(jié)構(gòu)相對復雜，但推力較大。

高推力音圈電機

音圈電機的有效氣隙較大導致氣隙磁通密度較低，進而影響電機的推力，最初設計音圈電機的首要考慮是提高音圈電機的出力。

提高音圈電機推力的優(yōu)化主要分為兩種，一種為磁路優(yōu)化，即采用多面多磁極結(jié)構(gòu)、聚磁磁極結(jié)構(gòu)和Halbach磁極結(jié)構(gòu)等磁極陣列，在相同的永磁材料用量下，提高氣隙磁密，進而實現(xiàn)電機的大推力；另一種為線圈優(yōu)化，即采用銅鐵或銅鋁混合線，減小氣隙磁阻或動子質(zhì)量，實現(xiàn)推力的提高，但會增大繞組損耗，故音圈電機高推力的研究主要集中在磁路優(yōu)化方面。

提高音圈電機定位精度

隨著裝備制造高精尖發(fā)展，在滿足推力的基礎上對音圈電機的定位精度的要求越來越高，如何提高定位精度是研究的熱點之一。

對音圈電機的永磁體、鐵軛和端部等結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，達到均勻動子行程內(nèi)的磁通密度、抑制音圈電機的端部效應和渦流損耗的目的，都有助于提高電機的定位精度。設計制造多自由度的音圈電機可以減少多個電機實現(xiàn)多自由度運動時誤差疊加，有利于實現(xiàn)加工系統(tǒng)的高精度。

音圈電機的應用領域與發(fā)展前景

音圈電機以其出色的性能，在攝像頭、快速反射鏡鏡、引線鍵合機等需要精密控制領域得到應用，隨著我國裝備制造向著高精尖的發(fā)展，相信對于音圈電機有著大量的需求，如光刻機、引線鍵合機等芯片、半導體加工制造裝備。隨著智能手機逐步引入多攝像頭、光學變焦等技術也會增多音圈電機的需求，音圈電機具有廣泛的應用前景。

目前，音圈電機的研究熱點有如下幾個方面：

1）提高音圈電機的推力

隨著稀土材料加工研制工藝的進步，將高性能的永磁材料以及Halbach陣列和多面多磁極等結(jié)構(gòu)應用到音圈電機的設計中，初步解決音圈電機推力低的問題，但電機的推力依然有著巨大的提升空間，新型拓撲結(jié)構(gòu)的構(gòu)建和高性能材料的應用，都將有助于進一步提高音圈電機的推力。

2）提高音圈電機的定位精度

音圈電機主要應用于高精度領域，提高電機的定位精度是一個永久課題，如優(yōu)化拓撲結(jié)構(gòu)以均勻磁通密度、抑制端部效應和渦流損耗，研制多自由度電機解決誤差積累問題等。音圈電機在理論上具有無限的控制精度，但在實際使用之中會受到外部干擾，進一步加深對音圈電機控制的研究有重要價值。

3）減小音圈電機的體積

在推力不變的前提下，減小電機的體積有利于節(jié)省電機的制造材料，同時可間接減小如手機、工作臺等設備的體積，節(jié)省了設備的制造成本，與國家的“去成本”政策相契合。并且，對于精密醫(yī)療儀器如掃描儀，航空設備如反射鏡平臺等設備的體積有著嚴格限制，音圈電機的小型化研究有重要的實用價值。

結(jié)論

本文結(jié)合國內(nèi)外對音圈電機本體結(jié)構(gòu)的研究，對音圈電機的技術概況進行綜述。本文分別對外磁式和內(nèi)磁式、短音圈和長音圈、動圈式和動磁式、平板型弧型和圓筒型的結(jié)構(gòu)以相應的特點進行全面闡述，對如何提高音圈電機輸出力常數(shù)和定位精度的方法進行歸納總結(jié)，對音圈電機的應用前景和熱點問題進行分析討論。

音圈電機發(fā)展至今，以其結(jié)構(gòu)簡單、響應速度快、精度高等優(yōu)越性能得到廣泛應用，特別在于手機變焦、精密工作臺等高精密領域具有突出優(yōu)勢，相信隨著研究的不斷深入，音圈電機會得到進一步發(fā)展。

引用本文

柴嘉偉， 貴獻國. 音圈電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化及應用綜述[J]. 電工技術學報， 2021, 36(6): 1113-1125. Chai Jiawei, Gui Xianguo. Overview of Structure Optimization and Application of Voice Coil Motor. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(6): 1113-1125.