音圈電機是一種不需要任何機械傳動環節，就可以将電能轉化為直線運動機械能的直線電機。它是一種往複頻率極快的直驅式電機，利用永磁體産生的磁場與通電線圈的相互作用産生驅動力。

因音圈電機的工作原理與揚聲器類似而得名。安培力原理如圖1所示。

圖1 安培力原理

音圈電機具有結構簡單、動态響應速度快、無齒槽轉矩、高線性度等優點，在高精度定位伺服系統中得到廣泛應用。随着工業化不斷升級，快速化、小型化、精密化的電機已經成為各國研究重點，因此音圈電機得到了廣泛的關注。

音圈電機屬于特種直線電機範疇，沒有中間傳動環節，極大地簡化了驅動機構，提高系統緊湊性。在直線運動系統中，直線電機在效率、推力控制和系統體積等方面比旋轉電機更具優勢。相對于U型直線電機和平闆直線電機，音圈電機具有更好的高頻響應特性，可以實現高速往複直線運動，特别适用于定位精度高的短行程伺服控制系統中。

但是，音圈電機作為直線電機同樣存在推力密度低、端部效應、線圈磨損等缺點。針對直線電機的這些問題，國内外研究學者做了大量研究實驗，且取得了一定成果。如采用高磁性材料、使用Halbach磁極陣列代替傳統磁極結構、将超導材料應用于電機繞組制作、無線充電等。

圖2所示為音圈電機結構，音圈電機主要由線圈、永磁體和磁轭三部分組成。其原理為線圈動子在永磁體中通電後，會受安培力作用并産生垂直于線圈平面方向的運動，可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。圖中，1為磁轭，2為永磁體，3為線圈。

圖2 音圈電機結構

音圈電機最初應用在磁盤磁頭定位機構，1970年IBM推出的IBM3330存儲設備采用外磁式長音圈電機作為磁盤定位機構，外磁式結構如圖3a所示，永磁體暴露在電機外部，磁力線向外部發散，對外部造成磁幹擾，所以外磁式結構需要采用磁屏蔽機構消除漏磁對磁頭讀寫的影響。

圖3b為内磁式結構，利用音圈電機的外殼作為磁屏蔽，永磁體、氣隙和磁轭形成磁回路，減少漏磁。但是在電機軸開孔的場合不能使用内磁式，如在光刻機中，激光束需要穿過音圈電機，此時不能采用内磁式結構。

圖3 外磁式和内磁式音圈電機結構

短音圈與長音圈音圈電機結構如圖4所示，根據電機工作氣隙長度與音圈長度的大小關系，可以将電機分為短音圈結構和長音圈結構。

圖4 短音圈與長音圈音圈電機結構

長音圈電機由于隻有一部分線圈在工作氣隙中，電能利用率較低，端部漏磁嚴重；優點是電機體積相對較小。短音圈電機的動子質量輕、響應速度快，但是鐵磁機構大、成本高。随着永磁材料的發展，将稀土永磁材料用于音圈電機設計能夠極大地減小電機的體積，在IBM3330之後的IBM3340、IBM3350等産品均采用短音圈結構。

動圈式與動磁式音圈電機結構如圖5所示。在動圈式音圈電機中，固定磁體在線圈行程内産生均勻磁場，線圈是運動部件，響應速度快，但是存在飛線問題且散熱能力差，可靠性較低，一般廣泛應用于小功率領域[26-28]，不适合于功率要求較高的場合。

有學者提出無線充電的方法在理論上解決了飛線問題。動磁式音圈電機的動子是永磁體陣列，電機結構緊湊、功率密度高，可實現無摩擦，但是對永磁體的體積質量和機械強度有一定限制，且電機結構複雜，要考慮磁場耦合、推力非線性和渦流損耗等問題。

圖5 動圈式與動磁式音圈電機結構

根據電機的外形不同，可以将電機分為圓筒形、弧形和平闆形結構。圖6所示為音圈電機實物。平闆形與弧形結構相對簡單，制作工藝成熟，但是漏磁相對嚴重，永磁體利用率低，産生的推力較小；圓筒形音圈電機的永磁材料利用充分，能夠産生較大的推力，但是其環形結構的永磁陣列充磁成本相對較高，且其行程低于平闆形。

圖6 音圈電機實物

内磁式結構有效地解決了外磁式結構存在的磁幹擾問題，但由于結構限制在特定的場合必須使用帶有屏蔽的外磁式結構；随着永磁材料的發展，短音圈結構相對于長音圈結構的優勢越來越明顯；動圈式結構相對于動磁式結構簡單，線性推力便于控制，但存在飛線問題；平闆形和弧形結構簡單，但是推力較小，圓筒形結構相對複雜，但推力較大。

本文編自2021年第6期《電工技術學報》，論文标題為“音圈電機結構優化及應用綜述”，作者為柴嘉偉、貴獻國。

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