摆角音圈电机

音圈电机的研制

音圈电动机是为适应计算机外围设备存储容量增大的需要而发展起来的一种高精度直线***用的新型执行元件。文中介绍所研制的音圈电动机的主要参数、关键工艺、测试要点等，电机音圈采用自制矩形导线代替圆铜线而获得成功。

    音圈电动机（Voice-coil-motor缩写为VCM）是当代重要的精密直线***驱动装置，它在激光唱片、激光录像机、光盘机、***磁盘机、软盘机、航空照像快门及***静脉***针头推进器等领域获得了广泛的应用。它具有推力大、可动部分质量小、***速度快、存取时间短和可用于闭环控制等优点，大大提高了系统的***精度。

    本文介绍的音圈电动机是用于40 M位、133.35mm温盘驱动器上，音圈电动机的设计制造是这种温盘机的关键技术之一。该温盘机的传输率为620k位／s，平均存取时间为28ms。能否使该音圈电动机国产化也是温盘机国产化的关键之一，我厂决定批量生产该音圈电动机，故决定尽快研制出样机。样杌的结构如图1所示。

    a．力常数BL: 2.5N／A

    b．、通过音圈电动机的***大电流：2A

    c．电源电压：12V

    d．运动部分的质量：小车+磁头组件+动圈=0.03kg，动圈质量不大于0.012kg。

    e．小车***大行程：34mm。

    f．平均存储时间：不大于28ms。

    g．道一道存储时间：不大于5ms。

    h．磁头停放处的漏磁场：不大于4x10-4T。

    i．机械谐振频率：不大于2 000Hz。

    j．比推力不均匀度：不大于&plu***n;百分之三。

3试制难点及关键工艺

3.1力常数

    音圈电动机***基本的原理是通电导线在磁场中受到一个电磁力而使线圈运动，所受推力为F= BLI,这里B为气隙磁密；L为线圈中切割磁力线的导线长度；I为通过线圈的电流。

    作为一台音圈电动机，首先要使比推力足够大，以便克服小车摩擦力，产生一个较大的加速度。要使比推力大，就要使气隙磁密大，从而要求磁钢剩磁Br大。Br大，则铁心易饱和，音圈电动机难以控制，漏磁也大；而导线长，则要求线圈匝数多，匝数多则导致电感大,电气时间常数加大；电流大了也给线路增加了困难。

    经过比较、计算，确定线圈匝数为264匝，每层44匝，磁钢选用***钻铜铁( CeCoCuFe-9)，其剩磁Br= 0.6T，矫顽力Hc= 318.4kA／m。这样气隙磁密达0.3T，仍较高。这时算得BL=4.2N／A，大于2.5N／A，远大于设计要求。试验证明，BL过大，会使整机产生振荡。

    可见BL值不是越大越好。这里面有个***佳值。

    另外，比推力的不均匀度对精控有影响。BL小，可缩短精控时间，故要求磁路气隙中B值均匀。

    比推力不均匀度可由下式算得：

3.2音圈工艺

    该机音圈有如下特点：

    a．无任何骨架，用自粘导线做成，这样可降低可动部分的魇量，获得更大的加速度。

    b．采用截面为矩形的方导线，在相同线长时，矩形导线比圆导线产生的BL值增加了百分之21，如图2所示，可推算如下：

      另外，由于线圈体积的减少，工作气隙可减小，气隙磁密可以提高，这样BL值比采用圆导线增加百分之27。

    c．圆形导线制做的线圈不像方形线矩形线所做的音圈，具有可重复的谐振频率。由于做无骨架线圈，故必须用方导线制线圈。

   方导线采用自制专用设备制成；通过工艺试验，找出了线圈导线粘结力与温度之间的关系，见图3。由图可知，其***低平剥离拉力为0.8N，远大于美国线0.6N的水平。

3.3磁钢的选择

    磁钢剩磁Br对提高BL大有好处。但Br大了也带来一系列问题。尽管试验的手段不很完备，但试验都是联机试验，故有实用价值。

    a．Br过大超出要求后，会产生漏磁过大，我国***好的且***廉价的强磁场软磁材料是电工纯铁DT4C。其Br100=1.5—1.8T，而国外有多种Br>0.2T的软磁材料。试验证明，当永磁材料的Br增大时，其漏磁也随着增加，假若用稀土材料2:17和钕铁硼(Nd-Fe-B)。其漏磁大大超过了ISO有关标准(≤4x l0-4)，详见附表和图4。

    选用2.17和钕铁硼，其气隙磁密也超过了设计要求0.22～0.25T，而达到了0.45～0.5T，***后决定用***钴铜铁磁钢。

    b．磁钢剩磁过大，导致气隙磁密过大，会使整个系统失控。起初，气隙的磁密达0.3T，结果***系统寻道时在盘片径向上来回振动，不能精控。原因是电气线路的参数仿美国样机，对于气隙磁密过高产生的淮力反馈信号控制不了，而采用在磨床上把磁钢磨薄，降低了剩磁Br和表面磁密，气磁密为0.26T，结果一次联机成功。

    c．剩磁过大，导致性能价格比上升。2.17稀土磁钢1000元／kg，钕铁硼500无／kg。而***钴铜铁只用300元／kg左右。如果改成粘结钐钴，其成本还可降低。

    d．采用新手段控制磁钢剩磁。准备在批量生产时，用美国LDJ公司生产的磁化器／磁标定臻对磁钢进行标定，这样可使剩磁达标准剩磁土百分之一的精度，是提高音圈电动机质量不可多得的工艺方法。

 3.4铁心和短路环工艺

3.4.1铁心工艺

    该种音圈电动机是列称磁路，对机械精度和磁性能要求很高，要批量生产， 一般工艺很难实现。在批量生产中，决定用粉末冶金制造。这种工艺的特点是机械精度高，价格便宜。

3.4.2短路环工艺

    铁心外套的短路环对整个伺服系统的高稳定性相减小动态电感有很大意义。

    短路环的形式很多，该机采用的短路环如图5所示。

    短路环的厚度越厚，电阻率越低，其效果越好。这是因为当线圈导电时，短路环总有一个相反方向的电流来抵消线圈中电流的部分变化，且短路环中电流变化率随着线图中电流变化率增大而增大。

摆角音圈电机参数如下

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