在航空航天领域，对有限转角负载进行精密伺服驱动，音圈电机是最主要的驱动单元。一般的为减重，也为适应音圈电机的结构特点，设计时音圈电机的动子只能在有限范围内转动。对于一些特殊的设备，要求旋转部分既能连续多圈旋转进行扫描，又能在确定目标范围内进行小范围精密控制。因此，驱动部分的音圈电机动子不能在旋转方向上有机械限制，现有的音圈电机结构都不能满足这个要求，而且目前的产品中都不能实现这个功能。

这种结构的音圈电机需要左右两侧定子扼组成闭合磁路，因此动子部件的转角范围受到限制，只能在目标范围内转动。此外，该结构音圈电机轴向尺寸较大，不适宜用于一些应用于一些低矮空间的负载驱动。除此之外，由于动子部件横贯整个定子扼，该结构的音圈电机在装配时容易出现机械祸合:即由于磁钢的相互作用力使得在装配电机时，容易破坏横贯的动子部件。

旋转式音圈电机由于体积小，安装方便，在航空航天上越来越多地被用来驱动小惯量负载在有限转角内运动。盘式绕组音圈电机结构上具有一定优势，因为其轴向尺寸小，还可以无约束自由转动。影响音圈电机期可靠工作的因素主要有两点，即应力和温升。对盘式绕组旋转式音圈电机不同工作状态下的热载荷进行了分析，并建模对其热应力和热变形进行了仿真计算，计算结果表明所选择材料可以满足音圈电机长期可靠工作要求。论文工作对工程实际具有很好的参考价值 。

在很多航空航天设备上，需要驱动机构驱动一些力矩较小惯量较小的负载，在有限的角度范围内做精确的位置扫描。传统的驱动方式是使用步进电机或有限转角力矩电机，但步进电机力矩波动较大，控制精度低;有限转角电机体积和转动惯量都较大，因此旋转式音圈电机是替代有限转角力矩电机的理想选择。音圈电机(Voice Coil Motor, VCM)是一种特殊结构的电机，有直线运动和旋转运动两种形式。

一个典型的旋转式音圈电机结构如图1所示。

和传统的有限转角力矩电机相比，旋转式音圈电机的突出优势在于:

1体积小，重量轻。传统的有限转角力矩电机一般由定子部件和转子部件两部分组成，这两部分都是圆柱形结构，占据空间较大。旋转式音圈电机则只是占据有限转角范围内的弧形空间，比如±15度，剩余的空间都可以用来装配其它部件。所以，旋转式音圈电机特别适宜于应用在需要考虑驱单元体积和重量的场合。

2安装便利。传统的有限转角力矩电机一般要通过法兰装配定子部件，而旋转式音圈电机一般计成矩形或者圆弧型，通过底角或者底而就可以完成装配，而且要求的精度也不高。

3控制特性极佳。这是旋转式音圈电机最突出的优点。它的动子部件主要由两部分组成，通电的铜线和铝制的底座。由于没有钢等铁磁材料，所以气隙磁场几乎不变，带来的最大好处就是动子惯量小动态性能好，而且输出力矩和控制电流几乎就是线性关系。

音圈电机近年来得到大量应用和推广，自VCM进入独立应用阶段以来，音圈电机首先在欧美和日本等国家得到极大重视。美国BEI Technologies INC公司研制的直线式音圈电机多达几十种，其出力范围在0.3-300N，运动行程为0.5-v50mm;其研制的旋转式音圈电机摆角范围从0-600. BEI Kimco Magnetics公司的音圈电机产品也包括线性型和旋转型，该公司的磁通聚集技术对于减小电气时间常数，提升气隙磁密有重要意义。在音圈电机的计算和设计方而，目前通过较为简单的二维有限元等效替代直线电机的磁场分布情况则较为普遍睁。另外，针对音圈电机温度场和热变形的相关研究并不多见.应用于空间环境下的音圈电机与普通的电机同，既要适应高低温环境，又要解决没有空气对流时候的散热问题。而且由于音圈电机结构的特殊性，其导热问题比普通的永磁电机要复杂。为此，对应用于空间环境下的音圈电机的热载荷进行了分析，在此基础上对盘式绕组旋转式音圈电机的热应力和热变形情况进行了仿真计算，最后进行了实验测试。

一般地，旋转式音圈电机主要用来驱动有限转角惯性负载，所以其动子只是在有限转角范围内做往复摆动。普通磁路结构的旋转式音圈电机是轴向对称双层结构，像图1中显示的那样。该类结构主要有两个缺点:

1)轴向尺寸较大，相当于两个单元电机并列，个别时候给部件装配带来不便。

2)中间有一个磁扼需要套在动子中，不但使定子部件、动子部件互相约束，而且侧而的支撑底座使得动子只能有限转角运动，而不能360度自由旋转。在一些精粗祸合的精密仪器中，粗瞄和精瞄是分阶段操作的，往往需要音圈电机动子随着系统轴系做360度旋转，这时候普通结构的旋转式音圈电机就不能满足要求了。

一个盘式绕组旋转式音圈电机的结构示意图如图2所示。和图1中单极性磁路结构不同的是，这里采用双极性磁路设计，所以电机是单层结构，轴向尺寸大大压缩。另外，由于定子扼已经给主磁通提供足够的磁路，左右两个侧而不需要铁磁性材料支撑，所以动子部件可以360度自由旋转，满足特殊设备需要。

对盘式绕组旋转式音圈电机的工作原理进行分析以及结构分析可以得出以下结论:

（1）式绕组旋转式音圈电机的工作原理和其他型式的音圈电机相似。线圈绕组中通以电流在磁场中受到电磁力的作用而产生两种不同的运动形式。但盘式绕组旋转式音圈电机有其特殊的结构特点:包括旋转方向没有机械限制，装配时无机械祸合，轴向尺寸大大降低等等，这对某些特殊场合具有重要的工程意义。

（2)盘式绕组旋转式音圈电机的结构约束体现在轴向厚度主要取决于磁钢厚度，电机径向高度取决于所需最大力矩。通过电机空载等效磁路的分析可以发现:盘式绕组旋转式音圈电机音圈电机的气隙磁密主要取决于永磁体剩磁、永磁体厚度、气隙宽度等等，在设计盘式绕组旋转式音圈电机时需综合考虑这些因素。

(3)盘式绕组旋转式音圈电机中的结构参数对电机的性能具有较大的影响。定子扼厚度增加一倍时，气隙磁密幅值增大9.9 %，电机扼部磁密下降22.3%，同时电机定子扼重量增加一倍。当盘式绕组旋转式音圈电机隔磁宽度增加一倍时，气隙磁密幅值增大4.1 %，气隙磁密平均值变化不大，电机扼部磁密下降3.6%，同时电机旋转方向上宽度增加。这些为此类电机的设计提供大的方向，具体参数的选择必须根据具体应用场合选择。

(4)完成盘式绕组旋转式音圈电机本体方面的基本设计。通过有限元分析软件仿真音圈电机本体中关键性的结构参数对电机性能的影响，综合各方面考虑因素求解出音圈电机本体的基本结构参数，为接下来的理论研究工作提供模型基础。2100433B

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分布式绕组的电动机定子没有凸形极掌，每个磁极由一个或几个线圈按照一定的规律嵌装布线组成线圈组，通电后形成不同极性的磁极，故也称隐极式。根据嵌装布线排列形式的不同，分布式绕组又可分为同心式和叠式两类[2]。

定尺绕组同心式绕组

同心式绕组是由几个形状相似但大小不同的线圈，按同一中心位置嵌装成回字形状的线圈组。同心绕组可根据不同的布线方式而构成双平面或三平面绕组。一般单相电动机及部分小功率或大跨距线圈的三相异步电动机的定子绕组采用这种型式。

定尺绕组叠式绕组

叠式绕组一般是由形状、大小相同的线圈，分别以每槽嵌装1个或两个线圈边，并在槽外端部逐个相叠均匀分布的形式。叠式绕组又分单层叠式和双层叠式两种。每槽只嵌入一个线圈边的为单层叠式绕组，或称单叠绕组；每槽嵌入两个属不同线圈组的线圈边时是分置于槽中上、下层，为双层叠式绕组，或称双叠绕组。根据嵌装布线方式变化不同，叠式绕组又可派生出交叉式、同心交叉式以及单双层混合式等型式。一般功率较大的三相异步电动机定子绕组较多采用双层叠式；而小电机则多用单层叠式绕组中的派生型式，但极少采用单层叠式绕组。

由于货架转动，拣货线路简捷，拣货效率高，拣货时不容易出现差错。根据旋转方式不同，可分为垂直旋转式、水平旋转式、立体旋转式三种。

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。