音圈電機(jī)的工作原理
音圈馬達(dá) (Voice Coil Actuator/ Voice Coil Motor),是一種將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置,并實現(xiàn)直線型及有限擺角的運動。利用來自永久磁鋼的磁場與通電線圈導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場中磁極間的相互作用產(chǎn)生有規(guī)律的運動的裝置。因為音圈馬達(dá)是一種非換流型動力裝置,其定位精度完全取決于反饋及控制系統(tǒng),與音圈馬達(dá)本身無關(guān)。采用合適的定位反饋及感應(yīng)裝置其定位精度可以輕易達(dá)到10NM,加速度可達(dá)300g(實際加速度也取決于負(fù)載物的狀況)。
音圈電機(jī)基本原理
音圈電機(jī)電機(jī)基本原理可以分三大類,分別是磁學(xué)原理、電子學(xué)原理、機(jī)械系統(tǒng)原理。
1、磁學(xué)原理音圈電機(jī)的工作原理是依據(jù)安培力原理,即通電導(dǎo)體放在磁場中,就會產(chǎn)生力F,力的大小取決于磁場強(qiáng)弱B,電流五以及磁場和電流的方向。
力的方向是電流方向和磁場向量的函數(shù),是二者的相互作用。如果磁場和導(dǎo)線長度為常量,則產(chǎn)生的力與輸入電流成比例。在簡單的音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)形式中,直線音圈電機(jī)就是位于徑向電磁場內(nèi)的一個管狀線圈繞組。鐵磁圓筒內(nèi)部是由磁鐵產(chǎn)生的磁場,這樣的布置可使貼在線圈上的磁體具有相同的極性。鐵磁材料的內(nèi)芯配置在線圈軸向中心線上,與磁體的一端相連,用來形成磁回路。當(dāng)給線圈通電時,根據(jù)安培力原理,它受到磁場作用,在線圈和磁體之間產(chǎn)生沿軸線方向的力。通電線圈兩端電壓的極性決定力的方向。
將圓形管狀直線音圈電機(jī)展開,兩端彎曲成圓弧,就成為旋轉(zhuǎn)音圈電機(jī)。旋轉(zhuǎn)音圈電機(jī)力的產(chǎn)生方式與直線音圈電機(jī)類似。只是旋轉(zhuǎn)音圈電機(jī)力是沿著弧形圓周方向產(chǎn)生的。
2、電子學(xué)原理音圈電機(jī)是單相兩極裝置。給線圈施加電壓則在線圈里產(chǎn)生電流,進(jìn)而在線圈上產(chǎn)生與電流成比例的力,使線圈在氣隙內(nèi)沿軸向運動。通過線圈的電流方向決定其運動方向。當(dāng)線圈在磁場內(nèi)運動時,會在線圈內(nèi)產(chǎn)生與線圈運動速度、磁場強(qiáng)度、和導(dǎo)線長度成比例的電壓(即感應(yīng)電動勢)。驅(qū)動音圈電機(jī)的電源得提供足夠的電流滿足輸出力的需要,且要克服線圈在大運動速度下產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢,以及通過線圈的漏感壓降。
3、機(jī)械系統(tǒng)原理音圈電機(jī)經(jīng)常作為一個由磁體和線圈組成的零部件出售。根據(jù)需要此氣隙可以增大,只是需要確定引導(dǎo)系統(tǒng)允許的運動范圍,同時避免線圈與磁體間摩擦或碰撞。多數(shù)情況下,移動載荷與線圈相連,即動音圈結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點是固定的磁鐵系統(tǒng)可以比較大,因而可以得到較強(qiáng)的磁場;缺點是音圈輸電線處于運動狀態(tài),容易出現(xiàn)斷路的問題。同時由于可運動的支承,運動部件和環(huán)境的熱接觸很惡劣,動音圈產(chǎn)生的熱量會使運動部件的溫度升高,因而音圈中所允許的大電流較小。當(dāng)載荷對熱特別敏感時,可以把載荷與磁體相連,即固定音圈結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)線圈的散熱不再是大問題,線圈允許的大電流較大,但為了減小運動部分的質(zhì)量,采用了較小的磁鐵,因此磁場較弱 。
直線音圈電機(jī)可實現(xiàn)直接驅(qū)動,且從旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)為直線運動無后沖、也沒有能量損失。優(yōu)較好的引導(dǎo)方式是與硬化鋼軸相結(jié)合的直線軸承或軸襯??梢詫⑤S觸襯集成為一個整體部分。重要的是要保持引導(dǎo)系統(tǒng)的低摩擦,以不降低電機(jī)的平滑響應(yīng)特性。
典型旋轉(zhuǎn)音圈電機(jī)是用軸球軸承作為引導(dǎo)系統(tǒng),這與傳統(tǒng)電機(jī)是相同的。旋轉(zhuǎn)音圈電機(jī)提供的運動非常光滑,成為需要快速響應(yīng)、有限角激勵應(yīng)用中的裝置。比如萬向節(jié)裝配。
音圈電機(jī)工作原理
無論是直線型或是擺動型,他們基本原理相同。通電的導(dǎo)體穿過磁場的時候,會產(chǎn)生一個垂直于磁場線的力,這個力的大小取決于通過場的導(dǎo)體的長度,磁場及電流的強(qiáng)度。音圈馬達(dá)產(chǎn)生的推力的大小取決于設(shè)計結(jié)構(gòu)以及電流強(qiáng)度:F = β*L*I, 電流與產(chǎn)生的力的關(guān)系,在直線型音圈電機(jī)中體現(xiàn)為力敏感度Kf,在旋轉(zhuǎn)型音圈馬達(dá)中體現(xiàn)為扭力敏感度Kt。我們的設(shè)計中把Kf的單位定義為N/A,Kt的單位為N·M/A。
音圈馬達(dá)是一個簡單的裝置,將電流轉(zhuǎn)化為機(jī)械力,所以其定位以及力的控制通過位置反饋裝置以及控制器達(dá)成,其精度由控制器決定,與音圈馬達(dá)本身毫無關(guān)系。
音圈驅(qū)動器(Voice Coil Actuator ):
主要組成的部件較為簡單,線圈,彈簧 ,磁鐵,以及一些固定結(jié)構(gòu)。
通過通電線圈在磁場中受到作用力的原理,進(jìn)行移動,精確控制需要借助一些外部的部件,例如Drive IC,通過DriveIC來控制和輸出電流的大小和時間,由此來控制Voice Coil Actuator需要到達(dá)的位置。在手機(jī)中,Drive IC所有的控制的信息也是sensor給出。這里說到的sensor也就是我們平時提到的Cmos或者是CCD。因此可以簡單的理解Voice Coil Actuator 為一個只能接收電流信號的裝置。