[科普中国]-直线旋转双自由度音圈电机-

简介

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1。

音圈电机直线旋转磁路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如图所示几种不同类型。

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

直线运动磁路部分原理如图所示，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，其原理如图所示，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2。

运动的合成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）；

mc ——直线线圈有效部分质量（Kg）；

Al ——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）；

Ic——旋转线圈有效部分惯量（Kg）；

Ar ——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。滚珠花键的安装位置如图2-12所示。

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，如图2-13所示，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1。

直线旋转双自由度音圈电机的数学模型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3：

式中：