音圈電機(jī)是一種不需要任何機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，就可以將電能轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能的直線電機(jī)。它是一種往復(fù)頻率極快的直驅(qū)式電機(jī)，利用永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)與通電線圈的相互作用產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。

　　因音圈電機(jī)的工作原理與揚(yáng)聲器類似而得名。安培力原理如圖1所示。

　　音圈電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、無齒槽轉(zhuǎn)矩、高線性度等優(yōu)點(diǎn)，在高精度定位伺服系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。隨著工業(yè)化不斷升級(jí)，快速化、小型化、精密化的電機(jī)已經(jīng)成為各國研究重點(diǎn)，因此音圈電機(jī)得到了廣泛的關(guān)注。

　　音圈電機(jī)屬于特種直線電機(jī)范疇，沒有中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，極大地簡化了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，提高系統(tǒng)緊湊性。在直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，直線電機(jī)在效率、推力控制和系統(tǒng)體積等方面比旋轉(zhuǎn)電機(jī)更具優(yōu)勢(shì)。相對(duì)于U型直線電機(jī)和平板直線電機(jī)，音圈電機(jī)具有更好的高頻響應(yīng)特性，可以實(shí)現(xiàn)高速往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，特別適用于定位精度高的短行程伺服控制系統(tǒng)中。

　　但是，音圈電機(jī)作為直線電機(jī)同樣存在推力密度低、端部效應(yīng)、線圈磨損等缺點(diǎn)。針對(duì)直線電機(jī)的這些問題，國內(nèi)外研究學(xué)者做了大量研究實(shí)驗(yàn)，且取得了一定成果。如采用高磁性材料、使用Halbach磁極陣列代替?zhèn)鹘y(tǒng)磁極結(jié)構(gòu)、將超導(dǎo)材料應(yīng)用于電機(jī)繞組制作、無線充電等。

　　圖2所示為音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)，音圈電機(jī)主要由線圈、永磁體和磁軛三部分組成。其原理為線圈動(dòng)子在永磁體中通電后，會(huì)受安培力作用并產(chǎn)生垂直于線圈平面方向的運(yùn)動(dòng)，可通過控制線圈電流的方向來控制線圈運(yùn)動(dòng)的方向，通過控制線圈通過電流的大小來控制線圈所受推力的大小。圖中，1為磁軛，2為永磁體，3為線圈。

　　結(jié)構(gòu)分類：外磁式與內(nèi)磁式結(jié)構(gòu)

　　音圈電機(jī)最初應(yīng)用在磁盤磁頭定位機(jī)構(gòu)，1970年IBM推出的IBM3330存儲(chǔ)設(shè)備采用外磁式長音圈電機(jī)作為磁盤定位機(jī)構(gòu)，外磁式結(jié)構(gòu)如圖3a所示，永磁體暴露在電機(jī)外部，磁力線向外部發(fā)散，對(duì)外部造成磁干擾，所以外磁式結(jié)構(gòu)需要采用磁屏蔽機(jī)構(gòu)消除漏磁對(duì)磁頭讀寫的影響。

　　圖3b為內(nèi)磁式結(jié)構(gòu)，利用音圈電機(jī)的外殼作為磁屏蔽，永磁體、氣隙和磁軛形成磁回路，減少漏磁。但是在電機(jī)軸開孔的場(chǎng)合不能使用內(nèi)磁式，如在光刻機(jī)中，激光束需要穿過音圈電機(jī)，此時(shí)不能采用內(nèi)磁式結(jié)構(gòu)。

　　結(jié)構(gòu)分類：短音圈與長音圈結(jié)構(gòu)

　　短音圈與長音圈音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示，根據(jù)電機(jī)工作氣隙長度與音圈長度的大小關(guān)系，可以將電機(jī)分為短音圈結(jié)構(gòu)和長音圈結(jié)構(gòu)。

　　長音圈電機(jī)由于只有一部分線圈在工作氣隙中，電能利用率較低，端部漏磁嚴(yán)重；優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)體積相對(duì)較小。短音圈電機(jī)的動(dòng)子質(zhì)量輕、響應(yīng)速度快，但是鐵磁機(jī)構(gòu)大、成本高。隨著永磁材料的發(fā)展，將稀土永磁材料用于音圈電機(jī)設(shè)計(jì)能夠極大地減小電機(jī)的體積，在IBM3330之后的IBM3340、IBM3350等產(chǎn)品均采用短音圈結(jié)構(gòu)。

　　結(jié)構(gòu)分類：動(dòng)圈式與動(dòng)磁式結(jié)構(gòu)

　　動(dòng)圈式與動(dòng)磁式音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5所示。在動(dòng)圈式音圈電機(jī)中，固定磁體在線圈行程內(nèi)產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)，線圈是運(yùn)動(dòng)部件，響應(yīng)速度快，但是存在飛線問題且散熱能力差，可靠性較低，一般廣泛應(yīng)用于小功率領(lǐng)域[26-28]，不適合于功率要求較高的場(chǎng)合。

　　有學(xué)者提出無線充電的方法在理論上解決了飛線問題。動(dòng)磁式音圈電機(jī)的動(dòng)子是永磁體陣列，電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高，可實(shí)現(xiàn)無摩擦，但是對(duì)永磁體的體積質(zhì)量和機(jī)械強(qiáng)度有一定限制，且電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要考慮磁場(chǎng)耦合、推力非線性和渦流損耗等問題。

　　結(jié)構(gòu)分類：平板形弧形與圓筒形結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)電機(jī)的外形不同，可以將電機(jī)分為圓筒形、弧形和平板形結(jié)構(gòu)。圖6所示為音圈電機(jī)實(shí)物。平板形與弧形結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，制作工藝成熟，但是漏磁相對(duì)嚴(yán)重，永磁體利用率低，產(chǎn)生的推力較??；圓筒形音圈電機(jī)的永磁材料利用充分，能夠產(chǎn)生較大的推力，但是其環(huán)形結(jié)構(gòu)的永磁陣列充磁成本相對(duì)較高，且其行程低于平板形。

　　內(nèi)磁式結(jié)構(gòu)有效地解決了外磁式結(jié)構(gòu)存在的磁干擾問題，但由于結(jié)構(gòu)限制在特定的場(chǎng)合必須使用帶有屏蔽的外磁式結(jié)構(gòu)；隨著永磁材料的發(fā)展，短音圈結(jié)構(gòu)相對(duì)于長音圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)越來越明顯；動(dòng)圈式結(jié)構(gòu)相對(duì)于動(dòng)磁式結(jié)構(gòu)簡單，線性推力便于控制，但存在飛線問題；平板形和弧形結(jié)構(gòu)簡單，但是推力較小，圓筒形結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但推力較大。