[科普中国]-摇臂式音圈电机

简介

我国的制造业在国民经济中有着极其重要的地位，而生产自动化的程度与发达国家相比还有着较大的差距，同时也蕴藏着很大的发展空间。随着近年来人力成本的大幅上升，依靠廉价劳动力获得市场竞争优势的模式不可持续。以IT代工界企业富士康为例，工人不断重复同一个的动作，工作枯燥且压力大。公司目前表示将大力推进自动化设备的应用，将单调、劳动力强、重复性及危险和污染性强的岗位交给自动化机械1。

自动化装配设备的结构以在多自由度运动平台上安装不同工作头的形式为主。传统的运动平台中，直线运动通常由作旋转运动的伺服电机通过滚珠丝杠转换成直线运动，绕该轴的转动由另一台电机通过电机轴直接驱动或通过某种传动链间接驱动。两个运动方向上的位置检测都是由电机轴带动的旋转编码器实现，并且经由传动机构的运动通常只能作半闭环控制。这种通过丝杠作为动链的方式在运动速度上难以提高，半闭环的运动控制在精度上有较大的局限性。由传统伺服电机搭建的运动平台系统惯量大，不适合高速运动的需求。两个自由度分别由两台电机控制的方式也使得装配过程复杂，占据空间大2。

电子设备装配的特点之一是生产量大，因此，对运动平台的运动速度了较高的要求。半导体封装行业中，不仅对运动平台的速度了较高的要求，运动精度也必须有保障。如Miihlbauer公司的生产的贴片机，其4自由度的运动平台可在800mm的范围内实现每小时4万次的定位。即每次定位的时间小于90ms，其末端执行器的定位精度能达到±20m。生产效率是企业生存的关键。为实现运动平台的高速度运动，必须缩短传动链，减少系统惯量。因此直接驱动技术，成为高速运动平台的理想解决方案。

音圈电机是一种直接驱动型电机，其动子可以直接生成直线运动或是旋转运动，而不需任何中间传动机构。甚至可以直接将动作执行器作为电机的动子，实现零传动、全闭环控制。由于音圈电机运动精度高、响应时间短、系统惯量小，在行程较短、负载较轻、精密高速的自动化设备中应用广泛

音圈电机通常采用无铁芯的机械结构，这样的结构给运动控制带来诸多优点。由于没有铁芯，在电枢电流方向变化时可以认为没有剩磁，音圈电机的输出推力正比于电枢电流，线性度高。因此可以做到推力平稳、光滑，适用于力控制模式。无铁芯机构也使得动子惯量小，相比传统电机，有着极高的伺服带宽。

由于音圈电机在应用中不需要传动设备，使得其工作中所受摩擦力仅仅来自于导轨的摩擦。这使得音圈电机系统具有极低的阻尼比。音圈电机的直流驱动方式的决定了当动子处在目标位置时，电枢平均电流为零，即无偏差时，也不存在保持力或保持力矩。动子总是围绕目标位置作高频微幅摆动。这样的控制方式使音圈电机每时每刻都处在运动中，消除了静摩擦，这种特性在短行程高速度，启停频繁的场合显得尤为重要。

在其他的生产行业中，凡是对速度要求高，负载不大的场合，均适用于音圈电机的应用。如电子元器件的生产，电路板上元件的焊接，MEMS器件的装配，LED各生产工艺过程，如点胶、焊线、分装、检测等。

总之，市场对高速伺服运动设备需求旺盛，而能满足市场需求的成熟产品种类还相对稀缺。研制这样一种符合市场需求的产品有着广阔的应用前景。

国内外研究现状

音圈电机以其工作原理与扬声器相同而得名，通电导线在磁场中受安培力的作用，安培力的方向可由左手定则判定。音圈电机正是基于安培力设计而成的一种直接驱动型电机。

音圈电机的发展得益于硬盘对机械运动速度需求，早期的硬盘使用步进电机作为磁头驱动器，1966年IBM公司制造的磁头臂和小车驱动系统中首次应用圈电机在2314型磁盘机上。由此，音圈电机在运行理论、结构设计和控制理论方面获得了飞速发展。虽然音圈电机起步较晚，但以其卓越的性能得到了广泛的应用。

2007年的诺贝尔物理学奖授予给巨磁电阻效应的发现者Albert Fert和Peter Griinberg。巨磁电阻效应的应用革新了硬盘中存取数据的技术，首次使用该技术的硬盘由IBM公司在1997年推向市场，接下来的十年，硬盘的信息存储密度几乎每年翻一番。信息存储密提升使硬盘磁道越来越密，对带动磁头运动的音圈电机定位精度需求越来越高。目前一款普通商业用硬盘己经可以达到单碟1TB，要实现这个目标，须将340000个磁道的宽度压缩在1英寸之内。这意味着，在读写数据时，音圈电机带动磁头必须沿着仅75纳米宽的磁道精确运行。

在2008年的国际自动化控制及机器视觉会议中，Yongdae Kim等人展示的用于显微镜的音圈电机驱动的微型XY平台。

在这套系统中，使用了弹簧片作为柔性铰链，电容式位移传感器作为位置反馈，模拟PID控制器和集成运放组成驱动器，增加了电涡流阻尼器提供系统阻尼后，调节时间可以缩短到8ms。

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，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:

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。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，在矩形磁扼内，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，绕过中间部分磁扼从下侧磁场穿出，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2-4所示，将直线磁路下侧的永磁体方向翻转，则线圈受到绕磁扼中心点的力矩作用，然后将原来的平面状的永磁体和磁扼替换为弧形，线圈即可绕磁扼中心点做旋转运动。

音圈电机的主要应用

音圈电机结构简单，控制容易，特点突出，已经在工业生产的各个领域获得了广泛应用。如激光调焦系统，扫描仪，照相机快，门振动试验台，冷冻机的压缩机等摇臂式音圈电机主要应用在计算机硬盘存储中作为伺服寻道电机。世界烧结钱铁硼总产量的60%用于生产此类电机。为了说明SA-VCM在硬盘中的作用和重要性，下面介绍硬盘的结构和基本工作原理。

硬盘主要由盘片、主轴组件、磁头、磁头传动装置和控制器印刷电路板五部分组成。

盘片是硬盘存储数据的载体，传统盘片大多采用金属薄膜材料，这种金属薄膜较软盘的不连续颗粒载体具有更高的存储密度、高剩磁及高矫顽力等优点。现在，制造商大多采用“玻璃陶瓷盘片”的材料作为盘片基质，这种盘片比金属盘片刚度好，也不会随温度的变化由膨胀和收缩，在运行时具有更好的稳定性。盘片是完全平整的，简直可以当镜子使用。

控制电路板:大多数的控制电路板都采用贴片式焊接，它包括主轴调速电路、磁头驱动与伺服定位电路、读写电路、控制与接口电路等。在电路板上还有一块ROM芯片，里面固化的程序可以进行硬盘的初始化，执行加电和启动主轴电机，加电初始寻道、定位以及故障检测等。在电路板上还安装有容量不等的高速数据缓存芯片。

磁头组件:这个组件是硬盘中最精密的部位之一，它由读写磁头、传动臂、传动轴三部份组成。磁头是硬盘技术中最重要和关键的一环，实际上是集成工艺制成的多个磁头的组合，它采用了非接触式头、盘结构，加电后在高速旋转的磁盘表面移动，与盘片之间的间隙只有0.1 -0.3 um，这样可以获得很好的数据传输率。现在转速为7200r/min的硬盘飞高一般都低于0. 3 um，以利于读取较大的高信噪比信号，提供数据传输率的可靠性。

磁头驱动机构:盘硬的寻道是靠移动磁头，而移动磁头则需要该机构驱动才能实现。磁头驱动机构由电磁线圈电机、磁头驱动小车、防震动装置构成，高精度的轻型磁头驱动机构能够对磁头进行正确的驱动和定位，并能在很短的时间内精确定位系统指令指定的磁道。

主轴组件:主轴组件包括轴承和驱动电机等。随着硬盘容量的扩大和速度的提高，主轴电机的速度也在不断提升，有厂商开始采用精密机械工业的液态轴承电机技术FDB。采用FDB电机不仅可以使硬盘的工作噪音降低许多，而且还可以增加硬盘的工作稳定性。 工作过程是:当硬盘加电后，主轴电机以固定速度旋转，产生的空气动力使磁头悬浮在盘片表面，音圈电机接受到读写信号运行，通过传动臂带动磁头在盘片表面做径向运动，并和预先刻在盘片上的伺服信号对比，确定是否达到所要寻取的磁道。

摇臂式音圈电机的基本原理

摇臂式音圈电机的结构概述图所示 。

本节研究SA-VCM的磁场对电机性能的影响，使用有限元分析软件计算电机的磁场分布，以此为基础对电机的优化设计合理建议。由于电机中的磁场由永磁体决定，带电线圈产生的磁场很小，可以忽略，主要考察永磁体的形状和磁扼对气隙中磁场的影响。

1有限元介绍

现在市场上有许多大型通用有限元分析软件。它们能够进行包括结构、热、声、流体、电磁学等学科的研究。在石油化工、航天飞机、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、口用家电等领域有着广泛的应用，并取得了成功。

有限元软件程序的电磁分析软件包可用来分析电磁场的多方面问题，如磁通量密度、磁场强度、磁通泄漏、电感、电容、阻抗、涡流、电场分布、磁力线、品质因数、特征频率、磁力和力矩、运动效应、电路和能量的损失等。并且提供了丰富的线性和非线性材料的表达方式，包括各种同性或正交各向异性的线性磁导率，材料的B-H曲线和永磁体的退磁曲线。后处理允许用户显示磁力线，磁通密度和磁场强度并进行力、力矩、感应系数、端电压等参数的计算。

有限元软件在磁场分析方面的功能有:2-D静态磁场分析，2-D时谐磁场分析，2-D瞬态磁场分析、3-D静态磁场分析、3-D静态时谐瞬态磁场分析、高频电磁场分析、电流场分析、静电场分析等。

2二维磁场分析

为了直观的显示气隙磁场，下面给出了所研究电机的平面图和相关尺寸，并在有限元软件中做了二维静态磁场分析。

选用的摇臂式音圈电机是昆腾3.5英寸系列硬盘驱动器中伺服驱动电机。其中永磁体是烧结钱铁硼，上下各两块，分别为N, S极和S, N极，每块磁体的长度为18mm 。磁扼由镍钢合金组成，上下各一块，长度为65mm;厚度为2. Smm外沿半径是43mm，内沿半径是25mm;永磁体厚度为2mm，外沿半径是42mm，内沿半径是25mm，内外沿弧长所对圆心角为560度。永磁体是烧结钱铁硼几何形状为马蹄形，这种设计减少了漏磁，是气隙磁场最大化。从图2-12可以看出，气隙中磁场基本均匀并且和线圈垂直。

3三维磁场分析

主要考察永磁体厚度、磁扼的相对磁导率和磁扼厚度对气隙磁场的影响，得出结论对电机的设计合理建议。典型的有限元分析过程有三个步骤。1)建立模型2)加载并求解3)查看分析结果。下面结合实际的电机模型，进行气隙磁场的仿真计算。

摇臂式音圈电机控制方案综述开环电压控制方案

音圈电机使用初期，一般系统对精度和响应的快速性要求不高，而音圈电机本身的特点能满足使用要求，所以对其控制方法的研究也不太深入，大多采用开环电压模式来控制音圈电机，如图3-1所示。

闭环电流控制方案

闭环电流控制是目前较成熟和普遍使用的控制方案。图3-2是控制方案的方框 闭环电流控制有以下一些优点:

1、系统的鲁棒性好:VCM线圈电抗和旋臂速度对动子线圈电流的影响被有效控制，可以忽略电机的动力学特性，对电机进行单独且周密的设计。

2、输出电流精度高:由于系统内在的快速响应及高度稳定性，反馈回路增益可比一般系统的回路增益高很多，而不致造成稳定性和回路增益之间的矛盾，从而使输出电流具有很高的静态精度。

3、有内在的对功率开关电流的控制及限流能力。电感电流峰值(即流过功率开关的峰值电流)直接受误差放大器输出的电流给定信号所控制，在任何输入电压和负载的瞬态条件下，功率开关的峰值电流被限制在给定值。

闭环电流控制的最大缺点是功耗大，电路复杂，成本高;由于是模拟量控制，一些较先进的控制方法无法采用。

数字电压控制方案

音圈电机的数字电压控制系统主要组成部件有PMw电源、前置滤波器、功率放大器，数字信号控制器DSP。其方框图如图3-3所示: 摇臂式音圈电机是一种将电能转换为直线振荡运动机械能，而不需任何中间转换机构的传动装置。是基于安培力原理制造的新型直线驱动电机。本课题中所研究的摇臂式音圈电机为硬盘中的磁头驱动系统所采用的驱动电机。由于VCM的结构相对简单，在设计制造时，可以将其加工到很小的体积;结构设计优良的VCM，其动圈行程内的磁力线均匀分布，使得动圈在工作行程范围内受力均匀，这对精确控制非常有利。运用有限元分析方法，借助有限元分析软件，考察了电机的三维气隙磁场分布。主要对永磁材料变化、永磁体厚度变化、磁扼材料变化、磁扼厚度变化等几方面进行了研究，对电机的设计制造合理性建议。首先要选择高性能永磁材料，这对电机的设计至关重要;目前采用烧结钱铁硼。选择永磁体时，其厚度至少应该大于2mm，至多不要超过6mm最佳厚度应该选择在3-5mm，考虑实际硬盘的高度和制造成本，应该选择靠近3mm处。在选择磁扼时，应该采用普通轻质高强度导磁材料，而不必选择如镍铁合金、坡莫合金等强导磁材料;这样可以减轻电机重量，降低成本。磁扼厚度应该大于0.5mm，由于它的厚度对磁场影响较小，因此选取主要参考电机对机械强度的要求。考虑硬盘制作工艺，机械强度、重量等因素，厚度应该介于1 -3 mm之间。在磁扼合永磁体厚度综合考虑时，应该尽可能增大永磁体厚度，同时也要考虑其制造成本。