圈电机是磁盘机中驱动磁头作往复直线运动的动力源。70年代初曾用步进电机驱动磁头，因速度慢、定位精度差，后被音圈电机—小车驱动票统代替。音圈电机从磁路观点分析，有长音圈短磁路结构的长音圈电机和短音圈长磁路结构的短音圈电机。从音圈带动磁头结构来分，最初是一个音圈带动一组磁头，以后曾采用多音圈结构，即一个音圈驱动一个磁头。目前在温切斯特磁盘中应用摇臂音圈电机以及本文讨论的是在同一平面内二个音圈带动一组磁头的蝴蝶形音圈电机。磁盘机是计算机主要外存储设备之一，多数采用机电元件，结构复杂。工作速度较慢，远远跟不上计算机主机的运算速度，因此从提高数据处理能力来看，缩短磁盘机存取信息时间，也就是加速磁头运动速度是一项迫切需要研究的课题。音圈电机研制就是为解决该课题而提出的，要加速磁头运动速度，音圈电机必须具有足够大的推(拉)力、运动本体质量轻、电机机电常数小以及系统机械谐振频率高等特点。此外为了减小对磁盘盘片和磁头的磁化，希望电机向外界杂散漏磁场要小，特别在磁头工作区域附近漏磁场应越小越好。至于电机结构简单紧凑、加工装配方便、耐磨损寿命长和工作可靠等，在设计音圈电机时亦应给予重视 。

通过的导体穿过磁场的时候，会产生一个垂直于磁力线的力，这个力的大小取决于通过场的导体的长度、磁场强度及电流大小。音圈电机将实际的电流转化为直线推力或扭力，他们的大小是实际通过的电流的大小成比例。

它很像在一只蝴蝶的二只翅膀上安装了二个动圈，如图《蝴蝶形音圈电机结构》所示，二个动圈骨架分别与小车左右连接。小车上面有二根圆柱形轨道，底部有一根圆柱形轨道各自固定在底板上。通过小车上面二只微型滚珠轴承和底部四个微型轴承分别在对应轨道上定位和稳定。当二侧动圈产生推(拉)力时，带动小车在三根圆柱形轨道上作往复直线运动，动圈用自粘性漆包铝质扁平导线绕制，粘嵌于铝质动圈骨架上。二个动圈分别在各自独立的磁路里工作，四周为软铁磁路，在小车运动方向的二侧为二条稀土钻磁钢。线圈套在包有0.5毫米厚铜皮的内铁心柱上，其间隙由小车与轨道保证 。

音圈电机性能参数的测量，主要是测定电机输出推(拉)力、比推力均匀性、气隙磁场、漏磁场和机械谐振频率等。在以往研制13片盘组用大推力音圈电机时，拉力15公斤，用弹簧秤测定。测机械谐振频率时，因动圈自重达九百克，故加速度计重20多克可忽略不计。但被测电机正常工作拉力仅20。克左右，而单个动圈重不到10克，这给测试工作带来一定困难。

蝴蝶形音圈电机推（拉）力测定

为精确测定200克左右推(拉)力，选用了500克、200克、100克三种拉压传感器，配以数字式力敏表和电动打印机。如图《蝴葬形音圈电机推力曲线》所示为实测的推(拉)力曲线。

比推力不均匀度定义为±K%=（最大推力-最小拉力）/（最大推力 最小拉力）%。

一般短音圈电机比推力不均匀度为士5%，显然被测电机比推力不均匀是比较好的。这是因为该电机磁路结构为双通道磁路，对称性好，漏磁场小，气隙磁场均匀。所以推(拉)力曲线在工作行程范围内变化很小。但线圈有效利用率低，动圈上下二个面导线不在磁路中，故不产生力，仅线圈二侧面导线在磁场中产生力。如果进一步改进磁路结构，如在动圈底部构成磁回路，电机推力将会增加 。

蝴蝶形音圈电机漏磁场测定和分析

对音圈电机研究表明，加速磁头运动速度的有效途径是增加电机气隙的磁密和降低电机机电时间常数，电机气隙磁密增加促使磁路饱和。为了减少电机电枢反应对工作性能影响以及减少线圈的电感，在设计音圈电机时往往有念识地将磁路设计得十分饱和。从而使音圈电机漏磁场普遍较大。例如高性能长音圈电机的漏磁场不仅影响磁头和磁盘，而且能磁化磁盘操作者所戴手表，只有加磁屏蔽后才能工作。短音圈电机因磁路结构原因，漏磁场小~些，但在离前端盖3厘米处仍有几十到上百高斯漏磁场。音圈电机是一种同极性磁路结构电机，一般做成圆筒形，沿内铁心圆柱四周磁通都按一方向进入铁心圆柱，通过铁扼、磁体和气隙回到内铁心圆柱。为了给动圈留出运动空间，往往做成一端开口，这样磁路是单通道，即磁通只能一端闭合，另一端则造成很大漏磁并使工作行程内气隙磁场发生畸变，比推力均匀度变差。这种结构的音圈电机所驱动的磁头工作位置恰好处在漏磁场最大位置，对磁头影响较大 。

蝴蝶形音圈电机机械谐振频率测试

机械谐振频率测试与电机装配、微型滚珠轴承对轨道压力、小车是否带磁头和组件块等有关，尤其是该电机单个线圈重只有9.8克，线圈、骨架和小车总重34.2克。原有的重23克加速度传感器和电荷放大器都不能使用。为此进口了一套加速度传感器，自重仅2克的测试设备，配以国产自动扫频仪和电平记录仪的实验线路，测出了在小车不带磁头时电机一小车系统的机械谐振频率特性曲线。发现在低频50周到100周之间有较小震荡，这在实际应用中是不允许的。其产生原因是电机装配不佳和压力弹簧不合适造成的。电机一小车系统共振点发生在大于2千赫处，符合短音圈电机技术指标。谐振频率越高，系统调试频带就宽，系统工作时不易发生共振，调试亦方便，最终才能实现磁盘机快速存取信息的目的。若谐振频率低于1千赫，即使电机输出力很大，也不能实现最小取数时间5毫秒的要求。从某种意义上说，电机-小车系统机械谐振频率的高低，直接决定于音圈电机是否能在磁盘机上的应用间题，它是电机主要技术指标之一，亦是这类磁盘机的关键测试项目。可以不夸大地说，不进行电机机械谐振频率特性曲线的测试，等放没有对被测电机作出应有评价，就等聆不能肯定该音圈电机是否可用 。2100433B

永磁励磁音圈电机结构

根据运动部件的不同，音圈电机可分为动铁式和动圈式结构；根据音圈电机内线圈的长短可分为长音圈型和短音圈型；根据永磁体的不同位置可分为外磁式结构和内磁式结构；根据运动方式的不同，音圈电机可分为直线型和摆动型两类。根据其外形又可分为：圆柱形、扁平形、圆形（含弧形）、扁平形等不同种类 。

（1）动圈式和动铁式结构

按照音圈电机中运动的是音圈还是铁磁系统，可将音圈电机分为动圈式和动铁式两种类型。

在动圈式结构中，可以将铁磁系统做的大一些，以便产生所需要的气隙磁通密度。音圈是运动部件，在电力系统中容易出现故障，并且工作时产生的热量不容易消散，所以在音圈中的电流不能太大。其优点运动部分质量小，惯性也小，动态响应好。

动铁式结构中，由于铁磁系统在运动，所以对永磁体的体积、重量都有要求。在设计时需要一个较长的固定的线圈，结构比较复杂，且运动部分重量大，惯性也大，故其动态响应没有动圈式好。其优点是散热容易，线圈中可以通较大的电流，行程也可以做的很长。

（2）长音圈和短音圈结构

音圈电机按照其工作气隙与音圈长度的大小关系，可分为长音圈结构VCM和短音圈结构VCM。

长音圈结构VCM的音圈长度≥工作气隙长度 最大行程长度，其优点是永磁体体积较小，能够充分利用永磁体产生的气隙磁通密度，节省了成本。缺点是线圈较长，只有少部分工作在气息中造成电能浪费，导磁板端部漏磁较多。其基本工作原理图如图2-1(a)所示：

短音圈结构VCM的音圈长度 最大行程长度≤工作气隙长度，其优点是线圈长度较短且全部都工作在气隙中，电能利用率高，功耗容易控制。相比于长音圈结构VCM，其导磁板较大。其基本工作原理图如图2-1(b)所示：

（3）外磁式结构和内磁式结构

永磁音圈电机按照永磁体的位置可以分为外磁式VCM和内磁式VCM。外磁式结构：当永磁体在工作气隙外部的时候为外磁式结构。为了减少磁体内部损耗，一般将高矫顽力的永磁材料做成面积大而厚度小的环形磁体，这样能大大提高磁能的利用。对于需要在音圈电机中间穿孔的场合，适宜采用这种结构。其结构示意图如图2-2(a)所示。

内磁式结构：当永磁体在工作气隙内缘时为内磁式结构。其优点是磁路较短，能充分利用永磁体的磁力线，漏磁通量比较小。其结构示意图如图2-2(b)所示 。

（4）其他结构类型

音圈电机还有很多分类方式，根据运动方式的不同，可分为直线型和摆动型两类，如在硬盘中驱动磁头摆动的就是摆动型音圈电机。根据音圈电机的外形结构又可分为：圆柱形、扁平形、圆形（含弧形）、扁平形，如图2-3所示。

圆形音圈电机能够直接产生直线运动，在驱动系统中不需要皮带、齿轮等中间传动机构，大大降低了能量损耗，节约了成本，并极大地提高了系统的响应速度和控制精度 。然而业界对音圈电机的详细设计步骤介绍的却不是太多，并且在进行音圈电机的磁路设计时，设计人员的经验是一重要因素。另外，虽然永磁材料发展速度很快，性能越来越高而且价格逐步降低，但是在永磁电机的造价中，永磁材料仍然占有很大的比重。通过合理设计音圈电机的磁路结构，使用较少的永磁材料，在电机工作气隙中产生满足要求的磁通密度就显得很有必要 。

为了明确影响音圈电机性能的因素， 需要建立音圈电机在工作时的数学模型，才能对音圈电机深入认识，并针对影响其性能的相关因素进行优化 。

由音圈电机的工作原理可知在其工作时，线圈上产生的电磁力为：

为了使线圈运动，电磁力 F_e应大于最大静摩擦力与负载阻力之和。其动力学模型如图 2-6 所示，由图可以得到音圈电机工作时的动力平衡方程：

由音圈电机的工作原理，可以画出音圈电机工作时的电路结构示意图 2-7：

音圈电机工作时的电压平衡方程为：

式中：u为音圈电机工作时的电压，L为电路的电感，i为电路中的电流，R为电流回路的电阻，B为音圈所在气隙的磁感应强度，e为音圈在磁场中的运动时产生的反电动势，其方向总是与电流方向相反。

e的大小可以推知为：

式中，v为音圈在磁场中的运动速度。

加速度a，速度v以及位移x之间的关系为：

为了研究影响音圈电机工作性能的主要因素，可以忽略空气阻尼和摩擦力，可以分别得到动力平衡方程：

式中：c为阻尼系数，k为弹簧的劲度系数。

电压平衡方程

将上两式的中间变量F_e、i(t)、e消去，可以得到电压为输入量，位移为输出量的系统微分方程：

可以画出音圈电机的动态模型结构图如图2-8所示。图中k_e=BlN，

在实际运行中，电感非常小，并且音圈电机驱动熄火拉线时是低频运动，可以忽略电感的影响，则音圈电机的电压—位移的数学模型变为：

对上式进行拉普拉斯变换，可以得到系统传递函数：

音圈电机驱动系统是一个二阶系统，机电时间常数为：

T_m是一个重要参数， 它的大小会影响到音圈电机的响应速度。 通过分析知道，提高气隙磁通密度B，减少运动部件的质量可以减少机电时间常数T_m，提高系统响应速度 。2100433B