圆柱型音圈电机的原理

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音圈马达 又称音圈电机，是一种特殊形式的直接驱动电机，能将电能直接转化成直线运动机械能而不需要任何中间转换机构的传动装置。其原理是:在均匀气隙磁场中放 入一圆筒状绕组，绕组通电产生电磁力带动负载作直线往复运动，改变电流的强弱和极性，就可改变电磁力的大小和方向。具有结构简单、体积小、高速、高加速、响应快等特性.其工作原理是, 通电线圈(导体) 放在磁场内就会产生力,力的大小与施加在线圈上的电流成比例.基于此原理制造的音圈电机运动形式可以为直线或者圆弧.
本文将系统讨论音圈电机的基本原理, 并介绍其应用场合.
音圈电机的基本原理
1. 磁学原理
音圈电机的工作原理是依据安培力原理, 即通电导体放在磁场中, 就会产生力F ,力的大小取决于磁场强弱B,电流I,以及磁场和电流的方向(见图1). 如果共有长度为L 的N根导线放在磁场中, 则作用在导线上的力可表示为
F = kB L IN , (1)
式中k为常数.
由图1 可知,力的方向是电流方向和磁场向量的函数, 是二者的相互作用. 如果磁场和导线长度为常量, 则产生的力与输入电流成比例. 在最简单的音圈电机结构形式中,直线音圈电机就是位于径向电磁场内的一个管状线圈绕组. 铁磁圆筒内部是由永久磁铁产生的磁场, 这样的布置可使贴在线圈上的磁体具有相同的极性. 铁磁材料的内芯配置在线圈轴向中心线上,与永久磁体的一端相连, 用来形成磁回路. 当给线圈通电时,根据安培力原理,它受到磁场作用,在线圈和磁体之间产生沿轴线方向的力. 通电线圈两端电压的极性决定力的方向.
2. 电子学原理
音圈电机是单相两极装置. 给线圈施加电压则在线圈里产生电流, 进而在线圈上产生与电流成比例的力, 使线圈在气隙内沿轴向运动. 通过线圈的电流方向决定其运动方向. 当线圈在磁场内运动时, 会在线圈内产生与线圈运动速度、磁场强度、和导线长度成比例的电压(即感应电动势). 驱动音圈电机的电源必须提供足够的电流满足输出力的需要, 且要克服线圈在最大运动速度下产生的感应电动势, 以及通过线圈的漏感压降.
3. 机械系统原理
音圈电机经常作为一个由磁体和线圈组成的零部件出售. 线圈与磁体之间的最小气隙通常是(0. 5～ 5) mm,根据需要此气隙可以增大,只是需要确定引导系统允许的运动范围,同时避免线圈与磁体间摩擦或碰撞.多数情况下, 移动载荷与线圈相连,即动音圈结构.其优点是固定的磁铁系统可以比较大, 因而可以得到较强的磁场; 缺点是音圈输电线处于运动状态, 容易出现断路的问题. 同时由于可运动的支承, 运动部件和环境的热接触很恶劣, 动音圈产生的热量会使运动部件的温度升高, 因而音圈中所允许的最大电流较小. 当载荷对热特别敏感时, 可以把载荷与磁体相连, 即固定音圈结构.该结构线圈的散热不再是大问题, 线圈允许的最大电流较大, 但为了减小运动部分的质量, 采用了较小的磁铁, 因此磁场较弱。
音圈电机主要应用的领域：半导体、光学电子、汽车生产检测、生物生 化检测取样、食品制药、组装包装、自动化测试、高速扫描，数码影像系统，高效的焊接、贴片、组装、测试与检测设备，光学元件的搬运与检测，各种直线或旋转 应用，精密而高速运动设备，特别是需要高速的周期往复运动的应用。