音圈电机的结构设计主要包括磁场结构和运动结构的设计。 作为同时具有直线和旋转两个运动的音圈电机，还将涉及到两个运动的耦合

音圈电机工作原理

音圈电机产生运动的原理与扬声器相同，如图《音圈电机工作原理》所示，通电导线在磁场中受到的安培力是动子动力的来源。受力方向由左手定则判定，安培力的大小为：f =BLi

式中：

f——导线所受安培力（N） ；

B——磁感应强度（T） ；

L ——线圈长度（m）；

i ——线圈电流（A） 。

在均匀气隙磁场中放入线圈绕组，绕线方向垂直于匀强磁场方向。绕组中有电流通过时产生安培力带动负载作往复运动，通过改变电流的强弱和方向，就可改变安培力的大小和方向。 根据磁场结构不同音圈电机运动形式可以是直线或者圆弧。

磁路形式选择

音圈电机常用在多自由度运动平台的最后一级。 因此除了音圈电机本身要求具有高速响应的能力外，电机本身的质量和体积应尽量小，以提高整个运动平台的高速运动能力。通常，用以生成定子磁场的材料密度较大，定子结构在电机质量中占比较大，磁路结构应选择用尽量少的永磁体和导磁材料生成磁通密度高的匀强磁场的结构。

根据永磁体的位置、气隙及线圈结构的不同，音圈电机的磁路结构可分为几种不同类型。

根据音圈电机外形不同，又可分为圆柱形、矩形和扇形等。其中矩形结构具有使用导磁材料少，结构紧凑，易于加工的特点，从而成为直线型音圈电机的理想选择。

直线运动磁路结构

在矩形磁轭内，布置两块方向相反地永磁体，气隙中可生成方向相反的近似匀强磁场。当线圈中的电流从上侧磁场穿入，绕过中间部分磁轭从下侧磁场穿出，由左手定则可知，线圈的上半部分和下半部分都受到方向向右的安培力，合力方向向右。当线圈中电流方向发生变化时，受力方向随之改变。

旋转运动磁路结构

旋转音圈电机的磁路结构由直线运动的磁路结构进行弧形演化而来， 将直线磁路下侧的永磁体方向翻转，则线圈受到绕磁轭中心点的力矩作用，然后将原来的平面状的永磁体和磁轭替换为弧形，线圈即可绕磁轭中心点做旋转运动 。

直线音圈电机电压平衡方程

当直线音圈电机动子处于运动状态时， 线圈在定子磁场中做切割磁力线的运动，根据楞次定律，将产生感应电动势，其大小为 ：

e_l——直线线圈在定子磁场中运动时线圈所产生的反电势（V） ；

v ——直线动子的运动速度（m/s） 。

直线电枢回路的电压平衡方程为：

式中：

u_l——直线电枢两端电压（V） ；

i_l——直线电枢回路电流（A）。

力平衡方程

直线音圈电机在运动过程中，驱动力为线圈中通过的电流il 产生的安培力。运动过程中的阻力包括，各运动副之间粘性摩擦力，负载力及所有运动部件受加速度作用产生的惯性力。即有：

式中：

F——直线线圈所受安培力（N） ；

F_k ——运动副之间粘性摩擦力的总和（N） ；

F_ld——负载力（N） ；

F_M——惯性力（N） ；

k_ρ ——阻尼系数。

表示为速度对时间的微分方程，得到：

直线音圈电机方程

音圈电机方程为：

旋转音圈电机电压平衡方程

旋转音圈电机运动时产生的感应电动势大小为：

式中：

e_r——旋转线圈在定子磁场中运动时线圈所产生的反电势（V） ；

ω——旋转动子的角速度（rad/s） 。

在旋转音圈电机的动态过程中， 电枢线圈所施加的电源电压和电枢线圈内通过的电流的关系式：

式中：

u_r ——旋转电枢两端电压（V）；

i_r ——旋转电枢回路电流（A）。

旋转音圈电机方程

旋转音圈电机方程为：

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音圈电机是直接驱动型电机的一种，具有高响应、高速度、高加速度、结构简单、体积小、控制方便等优点。随着音圈电机技术的逐渐推广，音圈电机被广泛应用在精密定位系统和许多不同形式的自动化装配系统中，一种双自由度音圈电机具有重要意义。

直接驱动型伺服电机具有响应快、运动速度高、精度高的特点，应用在自动化设备中可以大幅提升生产效率。目前我国已成为全球最大代工厂，廉价劳动力的优势正在逐渐减弱，人力流水线的模式不可持续，在一些产量大、动作简单、重复性强的生产工序，如小家电装配，智能手机组装等，正有越来越多的高速自动化设备介入 。

由于该音圈电机主要应用于需求高速运动的场合，如半导体行业、细小零件装配等，通常情况下，负载重量可以忽略不计。为了在相同的驱动力条件下尽量提高运动速度，整个电机的运动部分质量应尽量少。 构成直线音圈电机电磁部分的零部件总质量为146.33g，旋转轴部分为45.34g。若采用串列结构，不论是直线运动或是旋转运动作为第一级，都将导致另一运动方向结构的质量累加在第一级的动子质量中，因此，串联结构将极大降低双自由度音圈电机的加速性能。

直线轴动子加速度为：

式中：

M——直线动子总质量（Kg） ；

m_c ——直线线圈有效部分质量（Kg） ；

A_l ——直线线圈绕组单匝横截面积（m²） ；

ρ ——线圈漆包线密度（Kg/m³） 。

旋转轴动子角加速度为：

式中：

T——旋转动子总惯量（Kg） ；

I_c——旋转线圈有效部分惯量（Kg） ；

A_r ——旋转线圈绕组单匝横截面积（m²） 。

由两式可以看出，为了提高电机的动态响应特性，应提高线圈有效质量占动子总质量的比。生成直线、旋转两个运动的永磁体和磁轭都应设置为定子，两个运动在动子输出轴上合成。

滚珠花键是由花键轴、滚珠、花键套和相关循环零件组成的，是能在直线运动过程中传递扭矩的动态扭矩传递部件，另外滚珠花键还有结构紧凑、动态传动效率高和使用寿命长等特点。 利用滚珠花键可以将直线和旋转两个运动在末端输出轴上合成。

在完成了对音圈电机的运动结构设计后，将直线定子、旋转定子、直线导轨固定在基座上，做旋转运动的部分通过轴承座安装在基座上。输出轴经过线性滚珠衬套以减小末端偏摆。直线光栅尺作为直线位移的反馈测量元件，贴放在直线动子上，圆形光栅尺作为旋转角度的反馈测量元件，贴放在转子上。按照光栅编码器与光栅尺的相对位置要求，将光栅编码器固定在基座上 。

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

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。

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。