摘 要

音圈电机是新型微型控制直线电机的一类分支，它是一种特殊形式的直接驱动电机，因为原理与扬声器相似而得名。能将电能直接转化成直线运动机械能而无需中间任何传动机构的装置。具有高响应、高速度、高加速度、结构简单、体积小、出力特性好、定位精度高、控制方便等优点。

其原理是：在均匀气隙磁场中放入一线圈绕组，线圈绕组通电产生的电磁力带动负载在电磁力的作用下做直线往复运动，改变电流的极性和强弱，就可改变线圈绕组所受电磁力的大小和方向。因此其运动形式可以分为直线和旋转两种。

本文通过低频电磁场有限元仿真软件Ansoft Maxwell 15.0对其进行静态磁场仿真，设计了一台工作行程20mm，平均推力可达200N以上的的直线音圈电机。并对于多种设计方案进行了对比分析，衡量了体积、损耗、成本、推力波动等方面的性能差异。

关键词：直线音圈电机；有限元；平均推力

Abstract

Voice Coil Actuator is a branch of new linear micro-control motor, it is a special form of direct driving motor, named because of the principle being similar to the speaker. Mechanical energy to electrical energy directly into linear motion without any intermediate transmission mechanism of the device. It has fast response, high velocity, high acceleration, simple structure, small volume, good power performance, high precision, convenient control.

Its principle is: in the uniform air gap magnetic field putting into a tubular winding, winding electricity produced by electromagnetic force to drive the load for a straight line reciprocating movement, changing polarity and strength of the current, can change the size and direction of electromagnetic force in coil. So it can be divided into two kinds: linear or rotary movement.

This research based on the low frequency of electromagnetic field finite element simulation software Ansoft Maxwell 15.0 simulated the model with static magnetic field, and designed a linear voice coil motor with 20 mm on a working trip and more than 200N of the average thrust. And for a variety of design schemes is analyzed, measuring the performance difference of the volume, loss, cost, thrust fluctuation, etc.

Keywords: Voice coil linear motors; Finite element; The average thrust

目录

第1章绪论 1

1.1 课题研究背景、目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 3

1.3 本文研究的方法及主要内容 5

1.3.1研究方法 5

1.3.2研究内容 5

第2章直线音圈电机的原理及结构设计 7

2.1 直线音圈电机的工作原理 7

2.2 直线音圈电机的基本结构 8

2.2.1 磁路设计 8

2.2.2 运动部件设计 9

2.3 直线音圈电机的主要结构及参数设计 9

2.3.1 商用音圈电机结构参数 11

2.3.2 气隙厚度g的设计 11

2.3.3 绕组的设计 11

2.3.4 永磁体的设计 12

2.5 本章小结 13

第3章 Ansoft Maxwell 15.0有限元仿真 14

3.1 有限元法概述 14

3.2 Ansoft Maxwell 15.0有限元软件概述 14

3.3 对商用音圈电机的建模与仿真 14

3.4 新模型的搭建及静磁场仿真 15

3.4.1 建模、材料、边界、激励源及参数设定 15

3.4.2 音圈电机静磁场仿真分析 18

3.5 改进后的音圈电机参数及静磁场仿真结果 19

3.6 改进后的音圈电机瞬态磁场仿真 20

3.7 本章小结 23

第4章多种设计方案的对比分析 25

4.1 隔磁环材料的选用——铝 25

4.2 永磁体材料的选用——铁氧体材料 27

4.3 半闭口的设置 28

4.4 内磁式与外磁式的比较 30

4.5 本章小结 31

第5章总结和展望 33

5.1 成果总结 33

5.2 展望 33

参考文献 35

致谢 36

第1章 绪论

1.1课题研究背景、目的及意义

十九世纪中叶，电机的发明终结了蒸汽机的统治，人类历史至此迈入了崭新的电器时代，为人类生活带来了翻天覆地的巨大变化，也开启了人类历史上的第二次工业革命，社会生产率飞速发展，对人类适应和改造自然的能力做出了不可磨灭的贡献，成为人类文明变迁历史中最为浓墨重彩的一笔。

音圈电机(Voice Coil Actuator)作为直线电机发展的一个分支，是一种特殊形式的直线驱动电机^[1]，可将电能直接转化成直线运动机械能而不需要任何中间传动机构，因此可以大大减少能量的损耗。音圈电机属于特种的直线电机，其特点如表1.1所示。

表1.1 音圈电机的特点

近年来，随着音圈电机技术的迅猛发展，音圈电机被广泛用于诸如透镜聚焦、车床移动刀架、磁盘驱动器、光盘驱动器^[3]、激光切割机、医疗器械、移动电话(作为振动电机)和航天航空器(例如航天制冷机)等系统之中，也特别适合用于行程较短的高精度定位系统、伺服闭环控制系统以及许多不同形式的高加速、高响应、高速和高精度运动定位控制系统中。

表1.2对音圈电机在各个领域中的应用进行了简要的概括。由表1.2可见，音圈电机的应用范围之广，在人们的生产和生活中扮演着至关重要的角色，已成为一类不可替代的直线电机分支。