什么是音圈电机？它具有怎样的独特结构？

音圈电机是一种不需要任何机械传动环节，就可以将电能转化为直线运动机械能的直线电机。它是一种往复频率极快的直驱式电机，利用永磁体产生的磁场与通电线圈的相互作用产生驱动力。

因音圈电机的工作原理与扬声器类似而得名。安培力原理如图1所示。

图1 安培力原理

音圈电机具有结构简单、动态响应速度快、无齿槽转矩、高线性度等优点，在高精度定位伺服系统中得到广泛应用。随着工业化不断升级，快速化、小型化、精密化的电机已经成为各国研究重点，因此音圈电机得到了广泛的关注。

音圈电机属于特种直线电机范畴，没有中间传动环节，极大地简化了驱动机构，提高系统紧凑性。在直线运动系统中，直线电机在效率、推力控制和系统体积等方面比旋转电机更具优势。相对于U型直线电机和平板直线电机，音圈电机具有更好的高频响应特性，可以实现高速往复直线运动，特别适用于定位精度高的短行程伺服控制系统中。

但是，音圈电机作为直线电机同样存在推力密度低、端部效应、线圈磨损等缺点。针对直线电机的这些问题，国内外研究学者做了大量研究实验，且取得了一定成果。如采用高磁性材料、使用Halbach磁极阵列代替传统磁极结构、将超导材料应用于电机绕组制作、无线充电等。

图2所示为音圈电机结构，音圈电机主要由线圈、永磁体和磁轭三部分组成。其原理为线圈动子在永磁体中通电后，会受安培力作用并产生垂直于线圈平面方向的运动，可通过控制线圈电流的方向来控制线圈运动的方向，通过控制线圈通过电流的大小来控制线圈所受推力的大小。图中，1为磁轭，2为永磁体，3为线圈。

图2 音圈电机结构

结构分类：外磁式与内磁式结构

音圈电机最初应用在磁盘磁头定位机构，1970年IBM推出的IBM3330存储设备采用外磁式长音圈电机作为磁盘定位机构，外磁式结构如图3a所示，永磁体暴露在电机外部，磁力线向外部发散，对外部造成磁干扰，所以外磁式结构需要采用磁屏蔽机构消除漏磁对磁头读写的影响。

图3b为内磁式结构，利用音圈电机的外壳作为磁屏蔽，永磁体、气隙和磁轭形成磁回路，减少漏磁。但是在电机轴开孔的场合不能使用内磁式，如在光刻机中，激光束需要穿过音圈电机，此时不能采用内磁式结构。

图3 外磁式和内磁式音圈电机结构

结构分类：短音圈与长音圈结构

短音圈与长音圈音圈电机结构如图4所示，根据电机工作气隙长度与音圈长度的大小关系，可以将电机分为短音圈结构和长音圈结构。

图4 短音圈与长音圈音圈电机结构

长音圈电机由于只有一部分线圈在工作气隙中，电能利用率较低，端部漏磁严重；优点是电机体积相对较小。短音圈电机的动子质量轻、响应速度快，但是铁磁机构大、成本高。随着永磁材料的发展，将稀土永磁材料用于音圈电机设计能够极大地减小电机的体积，在IBM3330之后的IBM3340、IBM3350等产品均采用短音圈结构。

结构分类：动圈式与动磁式结构

动圈式与动磁式音圈电机结构如图5所示。在动圈式音圈电机中，固定磁体在线圈行程内产生均匀磁场，线圈是运动部件，响应速度快，但是存在飞线问题且散热能力差，可靠性较低，一般广泛应用于小功率领域[26-28]，不适合于功率要求较高的场合。

有学者提出无线充电的方法在理论上解决了飞线问题。动磁式音圈电机的动子是永磁体阵列，电机结构紧凑、功率密度高，可实现无摩擦，但是对永磁体的体积质量和机械强度有一定限制，且电机结构复杂，要考虑磁场耦合、推力非线性和涡流损耗等问题。

图5 动圈式与动磁式音圈电机结构

结构分类：平板形弧形与圆筒形结构

根据电机的外形不同，可以将电机分为圆筒形、弧形和平板形结构。图6所示为音圈电机实物。平板形与弧形结构相对简单，制作工艺成熟，但是漏磁相对严重，永磁体利用率低，产生的推力较小；圆筒形音圈电机的永磁材料利用充分，能够产生较大的推力，但是其环形结构的永磁阵列充磁成本相对较高，且其行程低于平板形。

图6 音圈电机实物

内磁式结构有效地解决了外磁式结构存在的磁干扰问题，但由于结构限制在特定的场合必须使用带有屏蔽的外磁式结构；随着永磁材料的发展，短音圈结构相对于长音圈结构的优势越来越明显；动圈式结构相对于动磁式结构简单，线性推力便于控制，但存在飞线问题；平板形和弧形结构简单，但是推力较小，圆筒形结构相对复杂，但推力较大。

本文编自2021年第6期《电工技术学报》，论文标题为“音圈电机结构优化及应用综述”，作者为柴嘉伟、贵献国。