（电机与电器专业论文）摇臂式音圈电机的研究.pdf

a b s t r a c t a san e wt y p eo fd i r e c t - d r i v em o t o rw i t hs p e c i a ls t r u c t u r e ，v o i c ec o i l m o t o r , w h i c hi ss i m i l a rt ot h ev o i c ec o i lo fl o u d l l a i l e ri nw o r kp r i n c i p l e ，i sc h a r a c t e r i z e db y b e i n go fh i g ha c c e l e r a t i o n ，h i g hs p e e d ，s m o o t hf o r c e ，f a s ta c t u a t i o na n ds oo n t h e v c m p o s s e s s i n ga d v a n t a g e so fs m a l l v o l u m e ，l i g h t - w e i g ha n df a s t - a c t i o nc a na c h i e v e h i g ho r i e n t a t i o np r e c i s i o na n de q u a l i t yi m p e t u s a f t e rad e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h e w o r k i n gp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r a lc h a r a c t e r so fv o i c ec o i la c t u a t o r , t h i sp a p e rh a s p r e s e n t e dt h em e t h o df o rc h o o s i n gv c ma n ds p i r a lv o i c ec o i la c t u a t o r i t a l s o i n t r o d u c e dt h ea p p l i c a t i o no fv o i c ec o i la c t u a t o r a tp r e s e n t ，t h ev c me x i s tw i d e l yi n c o n s u m p t i o na n dp r o d u c t i o nm a r k e t ，e s p e c i a l l yi nt h et o pg r a d eh o m ee l e c t r i c a l a p p l i a n c ea n dc o m p u t e rm a r k e t t h em a i nw o r ka n dr e s e a r c hr e s u l t si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fv c ma r eb r i e f l yr e v i e w e d t h e b a c k g r o u n da sw e l la st h es t a t u so ft h er e s e a r c ho nt h ev c mi sh i g h l i g h t e d s e c o n d l y , t h ec l a s s i f i c a t i o na n dt h ep r i n c i p l eo fw o r ko fv c ma r ei n t r o d u c e d t h em a i np r o b l e mi st h et h r e ed i m e n s i o nm a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o no fs a v c m t h e s i m u l a t i o ns o f t w a r eh a sb e e nu s e d t h ev c ms i m u l a t i o nm o d e lh a sb e e ns e tu p ， b a s e do nt h ee x a t n p l eo f3 5i n c hh a r dd i s kd r i v eo fq u a n t u m t h i r d l y , t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt w ok i n do fc o n t r o ls t r a t e g yo fs w i n ga l t l lv o i c e c o i lm o t o ri nh a r dd i s kd r i v e ：a n a l o ge l e c t r i cc u r r e n tc o n t r o la n dd i g i t a le l e c t r i c v o l t a g ec o n t r 0 1 c u r r e n tc o m m a n do ft h ev o i c ec o i lm o t o rh a sb e e np r e f e r r e ds of a r , d u et oi t sg o o dp e r f o r m a n c ei nt e r mo fr o b u s t n e s s t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e s y s t e mt o b ec o n t r o l l e d b yt h es e r v o - c o n t r o l l e r a r er a t h e r i n d e p e n d e n tf r o ma l lp o s s i b l e v a r i a t i o n so fe l e c t r i c a li m p e d a n c eo ft h ev c ma n dp o w e r s u p p l yv o l t a g e t h ev o l t a g e d r i v e rc o n s i s t so fav o l t a g e - c o n t r o l l e dp o w e r s t a g e ，w i t hap r e - f i l t e rp l a c e da ti t si n p u t ， p l u sab a c ke m ff e e d b a c kc o m p e n s a t o r t h ev c mr e s i s t a n c em a yc h a n g eb y 3 0 d u r i n gh d do p e r a t i o n ，d u et os e l f - h e a t i n g t h i sp a p e rp r e s e n t sa no n 1 i n ee s t i m a t i o n p r o c e d u r e ，b a s e do na ne x t e n d e dk a l m a nf i l t e r ( e k f ) ，c a p a b l eo fe s t i m a t i n gt h e v c mc o i lr e s i s t a n c ew i t ha h i g hd e g r e eo fa c c u r a c y l a s t l y , e a c hk i n do fc o n t r o ls t r a t e g yc a r r i e so nt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tw i t h m a t l a ba n ds i m u l i n ks i m u l a t i o ns o r w a r e ，c o m p a r e dw i t hg o o da n d b a d p o i n t s k e yw o r d s ：s a - v c m ，3 dm a g n e t i cf i e l d a n a l y s i s ，a n a l o gc u r r e n tc o n t r o l ， d i g i t a lv o l t a g ec o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和墩f 1 7 的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外。论文中不包含其他人已经发太 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤姿盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在沦义i 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：起字以 签字日期： 加7 年2 月午f 二i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘注苤堂有关保留、使用学位论文的觑定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行渔 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借i 蒯。同意学f 交 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：起宁7 艺 导师签名： 签字日期： 彻7 年2 月伞日 多哆红， 签字日期： 砷年2 月夕f 二 第一章绪论 1 1 音囤电机简介 第一章绪论 音圈电机( v o i c ec o i lm o t o r , 下文简称v c m ) 是一种将电能转换为直线运动 机械能，而不需任何中间转换机构的传动装置；是基于安培力原理制造的新型直 线驱动电机【l 】。由于其工作原理和扬声器工作原理类似，习惯上称为音圈电机。 v c m 属于特种直线电机，结构简单、体积小、噪声低、比推力高、加速度大( 超 过2 0 倍的重力加速度) 、响应速度快( 毫秒级) 、精度高( 可达1 - 5 9 i n ) 、维护方便、 可靠性高。广泛应用于硬盘驱动器、光盘驱动器、扫描仪、透镜聚焦、激光切割、 活塞车床刀架、移动电话( 作为震动电机) 、医疗器械和航天仪器( 例如航天制冷 机) 等精密定位系统【2 1 。本文主要研究应用于磁盘驱动器中的摇臂式音圈电机。 音圈电机外形结构差异较大，在不同的应用场合、不同设备中依据具体的设 计要求呈现不同的外观结构；但一般都由永磁体和线圈两部分组成。其中永磁材 料在电机的研发、制造和成本中占主导地位。高性能永磁材料饶结钕铁硼， 世界产量的6 0 用于生产计算机外围设备中v c m 磁体。随着电子器件和控制理 论的发展，音圈电机的控制方法也在不断完善。数字信号处理器( d s p ) 的应用， 使许多现代控制算法可以在工程上实现，使v c m 的响应速度和定位精度都有很 大提高，扩展了音圈电机的应用范围。 与旋转电机相比，v c m 具有诸多特点： l 、不需要任何装置直接产生直线位移，省去诸如齿条、钢绳、皮带等中间 转换机构；简化了整个系统，提高了传递效率，降低了制造成本，保证运行的可 靠性并降低噪声。 2 、普通旋转电机是由于受到离心力的作用，其圆周速度受到限制；而音圈 电机运行时，它的零部件和传动装置不受此作用的影响，因而直线速度可以不受 限制。硬盘驱动器中v c m 的加速度可达5 8 m s 2 ，平均寻道时间小于9 m s 。 3 、圈电机结构简单，定位精确、散热效果好，大多应用在一些特殊场合。 当然，任何事物都是一分为二的，音圈电机也存在一些不足之处，主要表现 在以下两个方面： l 、与同容量旋转电机相比，由于音圈电机的初次级气隙般比旋转电机的 气隙大，因此音圈电机的效率和功率因数要低。 2 、受电源电压的影响较大，所以对电源的要求比较高，需采取有关措施保 第一章绪论 证电源的稳定。 总之，v c m 是材料科学、电子技术、超精密加工技术、自动控制技术等高 新技术交叉发展到一定阶段的产物。在系统中是否用音圈电机做驱动器，需充分 权衡利弊，进行综合考虑。 1 2 音圈电机的发展和研究状况 国外对摇臂式音圈电机的研究远远走在了我们的前面，和国外相比我们在这 个领域的研究还有很大空白。尽管国外对臂式音圈电机的研究进行了大量工作， 开发了部分系列产品，但由于发展历史不长，还有许多研究课题急待解决。 1 8 7 6 年，a l e x a n d e rg r a h a mb e l l 发明了第一台扬声器，它的主要组成部件有 永磁体和线圈两部分；而音圈电机的主体部件及原理和扬声器相似( 也是v c m 得 名原因) 。这可看作它的雏形。其真正得开发应用是伴随着人们对直线电机的重 视和研究而兴起。1 9 5 6 1 9 7 0 年，直线电机得发展进入了“文艺复兴时期巾】，v c m 作为一个分支也被广泛研究。1 9 7 1 至今，音圈电机被迅速推广进入了独立应用 阶段，制成了许多具有实用价值得装置和产品。尤其在欧美和日本获得了极大得 发展，创造了很高得经济价值。比如：美国的b e it e c h n o l o g i e si n c 生产得直 线式l a 系列产品有几十种，其行程从o 5 m m 5 0 m m ，推力从0 3 4 n - - 3 0 0 n 。 品种繁多，可以应用各种场合，特别适用于狭小空间；摇臂式r a 系列产品的摆 角最大可达6 0 0 c ，扭矩从1 3 4 n c m - - 一1 7 6 5 n c m 。s m a c 公司的产品，用做直线 & 旋转直线执行器，线性行程6 1 5 0 c m 、推力1 0 5 0 0 n 、最小可以控制在5 0 m n ， 并可多角度旋转，速度可达到1 5 0 5 0 0 0 r m i n ，分辨率为0 0 7 。( 零背隙齿轮) 、 0 0 0 7 。( 直接驱动) 【3 i i b m 、日立环球存储科技公司( h g s t ) 分别在1 9 7 0 s 年代和 1 9 8 0 s 年代将音圈电机应用于硬盘驱动器中。由此可见，v c m 设计已经达到较 高水平，且应用范围十分广泛【3 】【4 】【1 6 】。 摇臂式音圈电机( s w i n g a r mv c m ) 的发展和硬盘的发展密不可分，早期的硬 盘驱动器磁头传动机构采用步进电机驱动，逐渐发展为直线式音圈电机，但由于 直线式音圈电机体积大结构复杂很快就被摇臂式音圈电机取代。1 9 8 0 s 年代初期 m a x t o r 在5i 4 ”硬盘中首次采用了摇臂式音圈电机作为磁头传动机构的驱动器， 至今所有硬盘驱动器中都采用了摇臂式音圈电机。并且s a v c m 的几何形状、 结构基本固定，只是在不同大小的硬盘中相应放大缩小。人们的焦点聚集在新型 高性能永磁材料的研制和更优化控制方案的设计方面。s a v c m 的控制方案基 本上全部由h d d 制造商和计算机制造商( 如i b m 、s e a g a t e 、m a x t o r 、w d 、h g s t ) 等公司的研究人员提出，现在一些大学的学者也在积极从事这方面的研究。比较 著名的有斯坦福大学g e n ef f r a n k l i n ，意大利特兰托大学r o b o e 和新加坡国立大 第章绪论 学。 我国对音圈电机也进行了一些研究，但起步比较晚，仍处于初级阶段，研究 主要集中在工程应用中的设计和电机力矩常数( b l 值) 的测试及永磁材料的研制 这几个方面。v c m 电机本身及相关控制系统的设计只是停留在试验阶段。华中 理工大学对摇臂式音圈电机的温度特性有一定研究。由于我国稀土资源丰富，最 近几年对永磁材料的研制有了长足进步。尤其是钕铁硼磁体产业取得了世界瞩目 的成绩，烧结钕铁硼主要应用于v c m 磁体。国内v c m 磁体的发展大致可分成 三个阶段。第一阶段为2 0 0 0 2 0 0 2 年，国内有少数公司试图进入低档v c m 市 场，但未能如愿。第二阶段为2 0 0 2 - - - 2 0 0 5 年，中科三环宁波科宁达工业有限公 司等一些公司得到世界著名h d d 客户的认证，为他们提供v c m 磁体，每年大 概l 亿片。第三阶段为2 0 0 5 - - - 2 0 1 5 年，中国在这一领域的优势继续发展，将成 为世界上最大的v c m 磁体生产基地【4 】。 1 3 课题意义及研究的主要内容 v c m 的发展历史虽然比较短，但是由于其独特的驱动机理和良好的性能， 吸引了许多大公司、高等院校及科研机构投入大量的人力、物力对其进行研究， 取得了许多可喜的成果。v c m 的研究涉及到摩擦损耗这个具有一定模糊性的传 统难题，而且v c m 历史较短，迄今为止还没有建立一套完整的理论体系，还有 许多问题需要解决。本文具体的研究工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 摇臂式音圈电机的结构和运行机理 虽然s a v c m 结构简单，但涉及到其具体应用场合对其控制精度；必须考 虑摩擦、导线刚性、震动等一系列非线性因素，因此建立完整的数学模型非常关 键。 ( 2 ) 磁场分析和设计 为了充分发挥发挥各种永磁材料的磁性能，特别是稀土永磁的优异性能， 用最少的永磁材料和加工费用制造出高性能的v c m ，就不能简单套用传统永磁 电机或电励磁电机的结构和设计计算方法。必须建立新的设计概念，重新分析和 改进磁路结构和控制系统：必须应用现代设计方法，研究新的分析计算方法，以 提高设计计算的准确度；必须研究采用先进的测试方法和工艺。 ( 3 ) 控制策略的研究 s a v c m 的磁轭用高性能永磁材料制成，不需外界能量即可维持其磁场， 这也造成从外部调节、控制其磁场基本不能实现。因此不能通过改变励磁的方法 来调节输出力及响应速度。随着1 g b t 、d s p 等器件的出现，设计时将微计算机、 电力电子器件和稀土永磁材料三项技术综合考虑，设计出能满足要求的v c m 传 第一章绪论 动系统。本文主要探讨了模拟电流控制方案和数字电压控制方案。其中，模拟电 流控制是比较成熟的技术，但随着应用场合的变化其逐渐不能满足需求；数字电 压控制正在研究阶段，它克服了模拟电流控制的缺点，文章在这方面做了积极的 探讨。 第二章音圈电机的结构和运行原理 第二章音圈电机的结构和运行原理 2 1音圈电机的分类和结构 2 1 1 直线电机的分类 音圈电机属于直线直流电动机的一个分支，我们先来了解直线电机的分类。 按照工作原理直线电机可以如下分类【3 】： 由于音圈电机是以类同扬声器而得名，因此一般由永磁体和线圈两部分组 成，所以通常情况下属于直流直线永磁式电机。 2 1 2 音圈电机的分类 音圈电机应用场合广泛，结构有多种类型，分类方法也各不同。按其功能 用途主要可分为力电机、功电机和能电机。 第二章音圈电机的结构和运行原理 1 、力电机 是指单位输入功率所能产生的推力，或单位体积所能产生的推力，主要用 于在静止物体上或低速的设备上施加一定的推力。它以短时运行、低速运行为 主，电机效率较低，甚至为零。因此，衡量它用推力功率的比，即在一定的电 磁推力下，其输入的功率越小，则说明其性能越好。例如：照相机快门的开闭、 门窗的移动、机械手的操作等。 2 、功电机 主要作为长期连续运行的电机，它的性能衡量指标与旋转电机基本一致， 即可用效率、功率因数等来判断电机性能的优劣。v c m 在光盘驱动器的应用属 于此类。 3 、能电机 指运动构件在短时间内所能产生的极高能晕的驱动电机。它主要在短时间、 短距离内提供巨大的直线运动能，例如导弹、鱼类的发射，飞机的起飞以及冲 击、碰撞等试验机的驱动等等。这类电机的主要性能指标时能效率( 能效率= 输 出的功能电源所提供的电能1 。 按照音圈电机中运动部分是线圈还是磁铁系统，可以分为动圈式和动铁式： 动圈式结构如图2 一l 所示： 图2 一l 动圈式结构示意图 固定磁体可以做的比较大，能得到很强的磁场，线圈质量轻，加速度大等 一系列优点，实际生产中应用很多。常见的有平面矩形磁铁和圆柱型磁铁两种 基本类型。线圈可沿铁棍轴向自由移动，在线圈的行程范围内，永磁体给予大 致均匀的磁场易。当线圈中通入直流电流乞时，通电导体在磁场中就会受到电 磁力的作用。这个电磁力的方向可由左手定则来确定。让左手掌正对见方向， 第二章音圈电机的结构和运行原理 四指顺着电流方向，则拇指所指向的方向为线圈所受电磁力作用的方向。改变 线圈中电流的方向即可改变线圈运动方向。 动铁式结构如图2 2 所示： 定子框架 动子磁钢 图2 - 2 动铁式结构示意图 这种结构需要一个固定的长电枢，电枢绕组用铜量大，结构复杂：移动系 统重量也比较大，惯性大，消耗功率多，因此运用比较少。优点是电机行程可 做的很长，又可做成无接触式，没有摩擦。它的结构位置同动圈式正好相反， 线圈绕在定子铁芯上，线圈产生的磁通在定子的铁芯磁路中闭合。动子磁钢置 于定子闭合磁路框内，动子与定子铁芯之间存在着磁钢产生的磁场，这个磁场 与定子线圈载流导体之间相互作用产生电磁力，使动子产生直线运动。电机推 力的大小正比于线圈电流大小和气隙磁通密度值，而气隙磁通密度是由磁钢的 工作点来决定的。 按照音圈相对于工作气隙的长度，可以分为长音圈和短音圈结构。其基本 结构示意图如图2 3 。 1 ) 音圈结构的音圈长度( 工作气隙长度+ 最大行程长度) 长音圈结构充分利用了永磁体产生的磁密，允许较小的磁铁系统，体积较小； 但只有一部分音圈处于工作气隙中，电功率利用不足；长音圈电机在磁钢轴向 长度外侧，有较大的漏磁通。 2 ) 短音圈结构的工作气隙长度( 音圈长度+ 最大行程长度) 短音圈结构恰好相反，其体积较大，但是功耗小，可以允许较大的电流通过 线圈。 根据磁钢在音圈电机中所处的位置不同，可分为内磁式和外磁式两种结构。 内磁式音圈电机的磁路闭外磁式的短，漏磁较小。结构示意图2 3 如下所示： 第_ 章音圈电机的结构和运行原理 音圈- 一 a 1 短音圈结构 音圈_ 一l争罂 圈绕组 、l 霾霾 li i 一 ”长音圈结构 a ) 外磁式音圈电机b ) 内磁式音圈电机 图2 4 内、外磁式音圈结构图( 1 、2 、3 - 永磁体，4 磁轭，5 线圈，6 一极靴) 按照动子部分的具体运动方式，音圈电机可分为直线式和摇臂式：一般工 业使用大多是直线式，本文研究的摇臂式音圈电机主要应用在计算机硬盘存储 器中作为伺服寻道电机，它的结构和基本原理将在后面章节仔细讨论。 2 2 音圈电机的运行原理 音圈电机由定子和动子两部分组成；一般动子由线圈和骨架组成，定子由 永磁体和磁钢组成。永磁体在动子行程内产生匀强磁场，当线圈通电后，通电 导线在磁场中受洛伦兹力，根据左手定则可以判断动子的运动方向，其运动速 度和方向随电流的大小和方向改变。 下图是最简单的音圈电机结构示意图2 5 ： 第二章音圈电机的结构和运行原理 图2 - 5 音圈电机结构示意图 永 磁 体 电磁力的表达式为 c = 吃必 ( 2 - 1 ) 尾是平均气隙磁通密度，是线圈在磁场中的有效长度，其乘积吃是一 个特性参数，称为力常数。 电机的力平衡方程式 最= e 一磊( 2 - 2 ) 其中互是电机输出的力，磊是电机本身的机械摩擦。在实际应用中，电机 往往做加速度运行，因此电磁力克服电机动子部分的惯性力为 c=聊石dv(2-3) 其中m 是动子部分的总质量，v 是动子运动的速度。这时电机的力平衡方 程式为 c = 磊+ e + = 只+ ( 2 4 ) = c + 所i d v 其中f 是电机运行时遇到的总阻力，时电机加速度运行时所遇到的总阻 力。 线圈绕组中的反电动势：当线圈绕组在电磁力的作用下在磁场中运动，导 第二章音圈电机的结构和运行原理 体切割磁力线产生感应电动势色，感应电动势的方向根据楞次定律总是指向反 对线圈电流l 的方向，因而称为线圈绕组的反电动势。大小为 乞= ( 吃l ) v ，是动子切割磁力线的速度。设音圈电机线圈绕组的端电压为u o ， 阻为兄电感为乞，则线圈回路的动态电压平衡方程式为 虬= 乞+ 乞尼+ l 詈 2 3 音圈电机的主要应用 ( 2 - 5 ) 线圈电 ( 2 - 6 ) 音圈电机结构简单，控制容易，特点突出，已经在工业生产的各个领域获 得了广泛应用。如激光调焦系统，扫描仪，照相机快，门振动试验台，冷冻机 的压缩机等。本文研究的摇臂式音圈电机主要应用在计算机硬盘存储中作为伺 服寻道电机。世界烧结钕铁硼总产革的6 0 用于生产此类电机。为了说明 s a v c m 在硬盘中的作用和重要性，下面介绍硬盘的结构和基本工作原理。 2 3 1 硬盘的结构和基本原理 硬盘主要由盘片、主轴组件、磁头、磁头传动装置和控制器印刷电路板五 部分组成。 盘片是硬盘存储数据的载体，传统盘片大多采用金属薄膜材料，这种金属 薄膜较软盘的不连续颗粒载体具有更高的存储密度、高剩磁及高矫顽力等优点。 现在，制造商大多采用“玻璃陶瓷盘片”的材料作为盘片基质，这种盘片比金 属盘片刚度好，也不会随温度的变化由膨胀和收缩，在运行时具有更好的稳定 性。盘片是完全平整的，简直可以当镜子使用。 控制电路板：大多数的控制电路板都采用贴片式焊接，它包括主轴调速电 路、磁头驱动与伺服定位电路、读写电路、控制与接口电路等。在电路板上还 有一块r o m 芯片，里面固化的程序可以进行硬盘的初始化，执行加电和启动 主轴电机，加电初始寻道、定位以及故障检测等。在电路板上还安装有容量不 等的高速数据缓存芯片。 磁头组件：这个组件是硬盘中最精密的部位之一，它由读写磁头、传动臂、 传动轴三部份组成。磁头是硬盘技术中最重要和关键的一环，实际上是集成工 艺制成的多个磁头的组合，它采用了非接触式头、盘结构，加电后在高速旋转 的磁盘表面移动，与盘片之间的间隙只有0 1 - - , 0 3 u r n ，这样可以获得很好的数 据传输率。现在转速为7 2 0 0 r m i n 的硬盘飞高般都低于0 3 u r n ，以利于读取较 大的高信噪比信号，提供数据传输牢的可靠性。 磁头驱动机构：盘硬的寻道是靠移动磁头，而移动磁头则需要峻机构驱动 爿能实现。磁头驱动机构i h 电磁线圈电机、磁头驱动小乍、防震动装置构成， 高精度的轻型磁头驱动机构能够对磁头进行正确的驱动和定位，并能扑：报短的 时间内精确定位系统指令指定的磁遴。 主轴纽件：卡轴组件包括轴承和驱动电机等。随着硬盘弈量的扩人和速度 的提高，主轴电机的速度也在不断提升有厂商开始泵川精密机械工业的液态 轴承电机技术( f d b ) 。秉j jf d b 电机不仪可以使硬盘的工作噪音降低| 年多， 而且还可以增加硬盘的工作稳定性6 川。 垃二互主主| 隆竺! 篓鳘掣 a 1 螋微内部结构圈 图2 - 6 趾盘结构图 b 1 拄制印刷电路扳 a ) 音嘲电机的定f ( 永磁体) 和动子b ) 碰头传功装蔑 图2 7 摇臂式音罔电机实物豳 硬盘的_ 作燎理是利用特定的磁粒子的极性米记录数据。磁头在读取数据 时，将磁粒f 的小同极性转换成不同的电脉冲信号弭利川数据转换器将这些 原始信号变成电脑可以使 h 的数据写的操作止好j 此柙反。 第二章音圈电机的结构和运行原理 工作过程是：当硬盘加电后，主轴电机以固定速度旋转，产生的空气动力 使磁头悬浮在盘片表面，音圈电机接受到读写信号运行，通过传动臂带动磁头 在盘片表面做径向运动，并和预先刻在盘片上的伺服信号对比，确定是否达到 所要寻取的磁道。 图2 - 8 硬盘整体结构图 2 3 2 摇臂式音圈电机的基本原理 摇臂式音圈电机的结构如下图所裂9 1 1 1 2 】： 第二章音圈电机的结构和运行原理 a ) 硬盘示意图b ) 音圈电机示意图 图2 - 9 硬盘内部结构图 由法拉第电磁定理计算音圈电机电动势得 p ：竺( 2 7 ) d t = l + 。 ( 2 - 8 ) 其中，。是线圈通电时自身产生磁通鼍，是永磁体对通电线圈产生磁通量 l = 厶j ( 2 9 ) 厶= 惫 其中，自感系数厶与线圈得位置没有关系，n i 是线圈匝数 线性线圈的韦安特性 三= 芋( 2 - 1 1 ) 其中， f ，是磁通链，j 是线圈电流，磁通链 妒= j v ( 2 一1 2 ) 磁动势 n = 如 ( 2 1 3 ) 心。是线圈磁阻；由式( 2 11 ) - - - 式( 2 1 3 ) 可得 第二章 音罔电机的结构和运行原理 厶= 惫 叫詈+ 警 = 鲁= 2 忡= t v ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) & 是气隙磁感应强度即磁通密度；，l 是线圈在磁场中得有效长度，v 是，1 相对吃 的速度 y ：安( 2 - 1 7 ) v = 一 d ， & = 2 忍l ，1 ( 2 - 1 8 ) 称为磁动势常量。 线圈在磁场中受的力为 转矩 f = 2 最u , t , i = k g i 丁= f r = 2 n l l i r i 尺是线圈中心到转动轴中心的距离。 音圈电机线圈电压平衡方程为 v ：r i + 堕盟堡 d fm 由于自感系数厶不变，所以 y 划+ 厶祟+ 机械动力学方程为 f 一= m 面d v 其中 f = 2 b g n , l l i = 蜓f f l d = 融+ b v m 是线圈质肇，k 是弹性系数，b 为阻尼系数。 ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) 第二章音罔电机的结构和运行原理 f n t 弹簧 阻尼毒 a ) 线圈等效电路图b ) 音圈电机机械系统等效图 图2 一l o 音圈电机等效模型 2 3 3 摇臂式音圈电机的磁场分析 本节研究s a - v c m 的磁场对电机性能的影响，使用有限元分析软件计算电 机的磁场分布，以此为基础对电机的优化设计提出合理建议。由于电机中的磁场 由永磁体决定，带电线圈产生的磁场很小，可以忽略，本文主要考察永磁体的形 状和磁轭对气隙中磁场的影响。 l 、有限元介绍【3 1 】【3 3 】【3 7 】 现在巾场上有许多大型通用有限元分析软件。它们能够进行包括结构、热、 声、流体、电磁学等学科的研究。在石油化工、航天飞机、机械制造、能源、汽 车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、日用家电等领域有着广泛的应 用，并取得了成功。 有限元软件程序的电磁分析软件包可用来分析电磁场的多方面问题，如磁通 量密度、磁场强度、磁通泄漏、电感、电容、阻抗、涡流、电场分布、磁力线、 品质因数、特征频率、磁力和力矩、运动效应、电路和能量的损失等。并且提供 了丰富的线性和非线性材料的表达方式，包括各种同性或正交各向异性的线性磁 导率，材料的b 一日曲线和永磁体的退磁曲线。后处理允许用户显示磁力线，磁 通密度和磁场强度并进行力、力矩、感应系数、端电压等参数的计算。 有限元软件在磁场分析方面的功能有：2 d 静态磁场分析，2 d 时谐磁场分 析，2 d 瞬态磁场分析、3 d 静态磁场分析、3 d 静态时谐瞬态磁场分析、高频 电磁场分析、电流场分析、静电场分析等。 2 、二维磁场分析【2 5 】【2 6 】 为了直观的显示气隙磁场，下面给出了所研究电机的平面图和相关尺寸，并 在有限元软件中做了二维静态磁场分析。 第二章音圈电机的结构和运行原理 磁轭永磁体气隙 k - 筹一 图2 1 1 摇臂式音圈电机模型图 图2 1 2 摇臂式音圈电机二维磁场分布示意图 文中选用的摇臂式音圈电机是昆腾3 5 英寸系列硬盘驱动器中伺服驱动电 机。其中永磁体是烧结钕铁硼，上下各两块，分别为n 、s 极和s 、n 极，每块 磁体的长度为1 8 m m 。磁轭由镍钢合金组成，上下各一块，长度为6 5 m m ；厚度 为2 5 m m 外沿半径是4 3 m m ，内沿半径是2 5 m m ；永磁体厚度为2 m m ，外沿半 径是4 2 r a m ，内沿半径是2 5 r a m ，内外沿弧长所对圆心角为5 6 。度。永磁体是烧 结钕铁硼几何形状为马蹄形，这种设计减少了漏磁，是气隙磁场最大化。从图 2 1 2 可以看出，气隙中磁场基本均匀并且和线圈垂直。 3 、三维磁场分析【3 7 】【3 8 】【3 9 】 本文主要考察永磁体厚度、磁轭的相对磁导率和磁轭厚度对气隙磁场的影 响，得出结论对电机的设计提出合理建议。典型的有限元分析过程有三个步骤。 1 ) 建立模犁2 ) 加载并求解3 ) 查看分析结果。下面结合实际的电机模型，进行 气隙磁场的仿真计算。 有限元软件中建模及结果分析的编程语句 p r e p 7 t i t l e ，r a c e p n u m ，v o l u ，l e t ，l ，s o l i d 9 6e m u n i t ，m k s m p ，m u r x ，l ，l ! 空气的特性 h c = 9 5 0 0 0 0 m p ，m u r x ，2 ，l ! 向下磁体的特性 m p ，m g z z ，2 ，h cm p ，m u r x ，3 ，l ! 向上磁体的特性 m p ，m g z z ，3 ，h cm p ，m u r x ，4 ，1 0 0 0 1 磁轭的相对磁导率( 可变参数) m p ，m u r x ，5 ，0 0 0 0 1 e = 7 木15 3 1 4d - - e 5e = e + 3 阜e 2 0 h = o 0 0 2 5 永磁体厚度( 可变参数) 幸a f u n ，d e g 第二章音圈电机的结椅和j 耋行原理 c y l 4 ，0 ，0 ，00 1 i ，o ，00 2 3 ，e ，hc y l 4 ，0 ，0 ，00 1 1 ，e + d ，00 2 3 ，2 + 叶d ，h c y 4 ，0 ，0 ，00 l i ，e , 00 2 3 ，e + d ，hv g e n ，2 a l l 0h + 00 0 2 00 c y l 4 0 ，0 ，00 0 7 ，一e ，00 2 7 ，3 + e + d ，00 0 3 v g e n ，2 ，7 7 00 ，00 0 3 + 2 + h + 00 0 2 00 没空气掣模型图 v s e l ，s ，v o l u ，1 ，3v s e l ，a ，v o l u ，7v g l u e ，a l l v s e l ，s ，v o l u 46v s e l ，a ，v o l u ，8v g l u e ，a l l a l l s e l ，a l ln u m c m p ，v o l uc y l i n d ，0 ，00 3 0 ，00 1 ，00 2 ，m ，1 3 5 a l l s e l ，a l l v o v l a p ，a l ln u m c m p ，v o l u c s y s ，0v s e l ，s ，v o l u ，9 赋空气特性 v a t t ，1 ，1 ，1v s e l ，s ，v o l u 14 ，3向下磁体的特性 v a t t ，2 ，l ，1 v s e l ，s ，v o l u 一25 ，3 向 磁体的特性 v a t t ，3 ，i ，iv s e l ，s ，v o h 68 ，2v a n ，4 ，1 ，1 v s e l ，s ，v o l u 37 ，4v a t t ，5 ，1 ，i c s y s ，l k k - 0 定义不同半径r 的节点 + d o ，k 1 ，0 ，8 4n ，k 1 + 1 ，o 叭7 ，k k ，00 0 1 + h k k = k k + l + e n d d o 佃n u m ，m a t ，1a l l s e l ，a l ls n m s i z e ，3 m s h a p e i ，3 dm s h k e y , 0 v m e s h ，a l le p l o t f i n i s h s o l u a l l s e l ，a l lm a g s o l v , 2 f m i s h p o s t lp l v e c t , b ，v e c t e l e m ，o n ，0 显示磁力线图 p a t h ，1 0 ，8 5 定义不同路径井显示路径数据 + d o ，k 2 ，0 ，8 4 p p a t h ，k 2 + l ，k 2 + i + e n d d o p d e f , ，b ，z ，a v gp l p a t h ，b z 有限兀软冲的一维模型： 多弋 图2 i3一维杖型 墨三至重曼皇塾墼堕塑望重堑坦里 当气隙厚度是3 m m ，磁轭厚度是2 m m ，改变永磁体厚度( 从05 m m 到7 m m 每次增加0 5 m m 共计算1 4 次) 观察气隙中磁感应强度的变化。材料、参数同 二维磁场。图2 1 4 是几幅典型气隙磁感应强度曲线。 棚1 m l m - _ 一m ， “ 曲永磁悻厚度o5 m m aoi 兰匕二一 一 c ) 永磁体厚度5 m 由永磁体厚度7 m m 图2 1 4 不同永磁体厚度时气腺磁场分布圈 从图中可以看出，气骧磁感应强度随着永磁体厚度的增加不断增大：在图 2 1 1 中，以永磁体左端为坐标零点，参考图2 - 1 4 ；磁感应强度在2 1 2 r a m 和 2 2 3 2 r n m 分别选到最大值并保持。这说明气晾中磁场在这个范围内是均匀的。 从o 2 m m 、1 2 2 2 m m 、3 2 3 4 m m 处，磁感应强度变化剧烈迅速下降或者 上升，使气隙中匀强磁场快速达到最大，保证了线圈在磁场中的行程，体现了 马蹄形设计的优点。图2 - 1 5 匦出了计算2 7 种厚度最大磁感应强度连成的曲线， 可以看出在永磁体厚度从05 咖1 5 m m 变化时，磁感应强度增加迅速，图中 曲线斜率最大，如果设计电机时选在此范围内，厚度的徽小变化对磁场影响较 大：而在l5 m m 3 m m 增加时。磁感应强度继续增大但变化较前一阶段稍缓， 第一章音嘲电机的结构和运行原理 此阶段匀强磁场在空间占的距离最大( g r a m 左右1 ：3 m m 6 r a m 区问，b 仍然增 大但龃线斜率更小，增长趋势缓慢并且匀强磁场在空间所占口e 离稍微下降 ( 8 r a m 左右) ：说明此时改变永磁体厚度对增大气隙磁通密度影响逐渐减小。当 厚度大于6 m m 时磁路达到饱和气隙中磁感应强度只有微小变化，此时在增加 厚度已经没有实际意义。 永磁体厚度吐( 单位：m m ) 和最大磁感应强度b ( 单位：g a u s s ) x t 应数据列表： 表2 - 1 永磁体厚度与磁感应强度 吐( m m ) 且( g a u s s ) 6 9 t 77 4 5 7 4 ( m m ) 以( g a m s ) 吐( m m ) 鼻( g a u s s ) 9 9 2 0 图2 - 1 5 水磷体厚度和碰感麻强度咒系同图2 一1 6 厚度25 m m 时碰感应强度分布 本文分别计算r 且= l ，1 0 0 ，1 0 0 0 4 0 0 0 ，2 0 0 0 0 ，1 0 0 0 0 0 时气隙磁场的 分巾下气隙。 一最大磁感应强度占，封l 衷2 - 2 所示：( 永碰体厚度为25 r a m ) 衷2 - 2 丰f 埘磁导牢和磁感席强度 一 4 0 0 0- 0 0 0 0 0 尾( g a u s s ) 8 4 5 3 8 4 7 4 墨三里堂塑皇! ! 塑堑塑塑堡! i 堕堡 从表2 - 2 和图2 - 1 7 中可以看出：当磁轭是不导磁材料时且值较小，并且在 气隙中产生的磁场非匀强，这样产生的推力不稳定致使电机运行噪声大，精度 无法控制。髓着磁导率的增大即为普通导磁材料( 如硅钢、铸铁等) ，e 的值 逐渐增大，并且在气隙中产生匀强磁场，其持续的空间距离也逐渐增大，但当 磁导率从4 0 0 0 增大到2 0 0 0 0 和1 0 0 0 0 0 时，即为强导磁材料( 如镍铁合金、坡莫 合金) ，最大磁感应强度和气隙磁场变化并不明显。 i 了i j = “o a ) 磁轭一一i b ) 磁轭m = 4 0 0 0 图2 一1 7 不同碰轭相对磁导率的气隙磁场分布 磁轭厚度d l 从0 s m m 增加到5 m m 时气隙磁场的最大磁感应强度变化如表 2 - 3 所示，吐( 单位：m m ) 是磁轭厚度，且( 单位：g a u s s ) 是最大磁感应强度。 衰2 - 3 破轭厚度和磁感应强度 d ( 一) 以( g a u s s ) ：i ，h i 翱 ”i - - l 一 ：| ：| 胡 i 一：l 一 了瓦了：f o + ：” “ a ) 磁轭42 0 s m mb ) 磁轭4 = 2 r m n 图2 - 1 8 不同磁轭厚度的4 t 隙磁场分巾图 ii一 m m mm州m_m m 第二章音罔电机的结构和运行原理 从表中可以看出，磁轭厚度4 l m m 时其变化对b ，的影响不大，对气隙磁 场的分布影响也不明显；并且当z 5 m m 时，巨的值有微小下降；因此，选择 磁轭厚度时在( 1 - - - 5 m m ) 主要考虑机械强度的要求，它对气隙磁场的影响可以忽 略。 综上所述，本文在摇臂式音圈电机的设计中提出以下建议：首先要选择高 性能永磁材料，这对电机的设计至关重要；目前采用烧结钕铁硼。选择永磁体 时，其厚度至少应该大于2 m m ，至多不要超过6 m m 最佳厚度应该选择在3 5 m m ，考虑实际硬盘的高度和制造成本，应该选择靠近3 m m 处。在选择磁轭时， 应该采用普通