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1 引、言
音圈電動(dòng)機(jī)（Voice-coil-motor縮寫(xiě)為VCM）是當(dāng)代重要的精密直線定位驅(qū)動(dòng)裝置，它在激光唱片、激光錄像機(jī)、光盤(pán)機(jī)、溫徹斯特磁盤(pán)機(jī)、軟盤(pán)機(jī)、航空照像快門(mén)及高級(jí)靜脈注射針頭推進(jìn)器等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。它具有推力大、可動(dòng)部分質(zhì)量小、定位速度快、存取時(shí)間短和可用于閉環(huán)控制等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了系統(tǒng)的定位精度。
本文介紹的音圈電動(dòng)機(jī)是用于40 M位、133.35mm溫盤(pán)驅(qū)動(dòng)器上，音圈電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)制造是這種溫盤(pán)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。該溫盤(pán)機(jī)的傳輸率為620k位／s，平均存取時(shí)間為28ms。能否使該音圈電動(dòng)機(jī)國(guó)產(chǎn)化也是溫盤(pán)機(jī)國(guó)產(chǎn)化的關(guān)鍵之一，我廠決定批量生產(chǎn)該音圈電動(dòng)機(jī)，故決定盡快研制出樣機(jī)。樣杌的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
a．力常數(shù)BL: 2.5N／A
b．、通過(guò)音圈電動(dòng)機(jī)的最大電流：2A
c．電源電壓：12V
d．運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量：小車(chē)+磁頭組件+動(dòng)圈=0.03kg，動(dòng)圈質(zhì)量不大于0.012kg。
e．小車(chē)最大行程：34mm。
f．平均存儲(chǔ)時(shí)間：不大于28ms。
g．道一道存儲(chǔ)時(shí)間：不大于5ms。
h．磁頭停放處的漏磁場(chǎng)：不大于4x10-4T。
i．機(jī)械諧振頻率：不大于2 000Hz。
j．比推力不均勻度：不大于±百分之三。
3試制難點(diǎn)及關(guān)鍵工藝
3.1力常數(shù)
音圈電動(dòng)機(jī)最基本的原理是通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到一個(gè)電磁力而使線圈運(yùn)動(dòng)，所受推力為F= BLI,這里B為氣隙磁密；L為線圈中切割磁力線的導(dǎo)線長(zhǎng)度；I為通過(guò)線圈的電流。
作為一臺(tái)音圈電動(dòng)機(jī)，首先要使比推力足夠大，以便克服小車(chē)摩擦力，產(chǎn)生一個(gè)較大的加速度。要使比推力大，就要使氣隙磁密大，從而要求磁鋼剩磁Br大。Br大，則鐵心易飽和，音圈電動(dòng)機(jī)難以控制，漏磁也大；而導(dǎo)線長(zhǎng)，則要求線圈匝數(shù)多，匝數(shù)多則導(dǎo)致電感大,電氣時(shí)間常數(shù)加大；電流大了也給線路增加了困難。
經(jīng)過(guò)比較、計(jì)算，確定線圈匝數(shù)為264匝，每層44匝，磁鋼選用鈰鉆銅鐵( CeCoCuFe-9)，其剩磁Br= 0.6T，矯頑力Hc= 318.4kA／m。這樣氣隙磁密達(dá)0.3T，仍較高。這時(shí)算得BL=4.2N／A，大于2.5N／A，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)證明，BL過(guò)大，會(huì)使整機(jī)產(chǎn)生振蕩。
可見(jiàn)BL值不是越大越好。這里面有個(gè)最佳值。
另外，比推力的不均勻度對(duì)精控有影響。BL小，可縮短精控時(shí)間，故要求磁路氣隙中B值均勻。
比推力不均勻度可由下式算得：
3.2音圈工藝
該機(jī)音圈有如下特點(diǎn)：
a．無(wú)任何骨架，用自粘導(dǎo)線做成，這樣可降低可動(dòng)部分的魘量，獲得更大的加速度。
b．采用截面為矩形的方導(dǎo)線，在相同線長(zhǎng)時(shí)，矩形導(dǎo)線比圓導(dǎo)線產(chǎn)生的BL值增加了百分之21，如圖2所示，可推算如下：
另外，由于線圈體積的減少，工作氣隙可減小，氣隙磁密可以提高，這樣BL值比采用圓導(dǎo)線增加百分之27。
c．圓形導(dǎo)線制做的線圈不像方形線矩形線所做的音圈，具有可重復(fù)的諧振頻率。由于做無(wú)骨架線圈，故必須用方導(dǎo)線制線圈。
方導(dǎo)線采用自制專用設(shè)備制成；通過(guò)工藝試驗(yàn)，找出了線圈導(dǎo)線粘結(jié)力與溫度之間的關(guān)系，見(jiàn)圖3。由圖可知，其最低平剝離拉力為0.8N，遠(yuǎn)大于美國(guó)線0.6N的水平。
3.3磁鋼的選擇
磁鋼剩磁Br對(duì)提高BL大有好處。但Br大了也帶來(lái)一系列問(wèn)題。盡管試驗(yàn)的手段不很完備，但試驗(yàn)都是聯(lián)機(jī)試驗(yàn)，故有實(shí)用價(jià)值。
a．Br過(guò)大超出要求后，會(huì)產(chǎn)生漏磁過(guò)大，我國(guó)最好的且最廉價(jià)的強(qiáng)磁場(chǎng)軟磁材料是電工純鐵DT4C。其Br100=1.5—1.8T，而國(guó)外有多種Br>0.2T的軟磁材料。試驗(yàn)證明，當(dāng)永磁材料的Br增大時(shí)，其漏磁也隨著增加，假若用稀土材料2:17和釹鐵硼(Nd-Fe-B)。其漏磁大大超過(guò)了ISO有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(≤4x l0-4)，詳見(jiàn)附表和圖4。
選用2.17和釹鐵硼，其氣隙磁密也超過(guò)了設(shè)計(jì)要求0.22～0.25T，而達(dá)到了0.45～0.5T，最后決定用鈰鈷銅鐵磁鋼。
b．磁鋼剩磁過(guò)大，導(dǎo)致氣隙磁密過(guò)大，會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)失控。起初，氣隙的磁密達(dá)0.3T，結(jié)果定位系統(tǒng)尋道時(shí)在盤(pán)片徑向上來(lái)回振動(dòng)，不能精控。原因是電氣線路的參數(shù)仿美國(guó)樣機(jī)，對(duì)于氣隙磁密過(guò)高產(chǎn)生的淮力反饋信號(hào)控制不了，而采用在磨床上把磁鋼磨薄，降低了剩磁Br和表面磁密，氣磁密為0.26T，結(jié)果一次聯(lián)機(jī)成功。
c．剩磁過(guò)大，導(dǎo)致性能價(jià)格比上升。2.17稀土磁鋼1000元／kg，釹鐵硼500無(wú)／kg。而鈰鈷銅鐵只用300元／kg左右。如果改成粘結(jié)釤鈷，其成本還可降低。
d．采用新手段控制磁鋼剩磁。準(zhǔn)備在批量生產(chǎn)時(shí)，用美國(guó)LDJ公司生產(chǎn)的磁化器／磁標(biāo)定臻對(duì)磁鋼進(jìn)行標(biāo)定，這樣可使剩磁達(dá)標(biāo)準(zhǔn)剩磁土百分之一的精度，是提高音圈電動(dòng)機(jī)質(zhì)量不可多得的工藝方法。
3.4鐵心和短路環(huán)工藝
3.4.1鐵心工藝
該種音圈電動(dòng)機(jī)是列稱磁路，對(duì)機(jī)械精度和磁性能要求很高，要批量生產(chǎn)， 一般工藝很難實(shí)現(xiàn)。在批量生產(chǎn)中，決定用粉末冶金制造。這種工藝的特點(diǎn)是機(jī)械精度高，價(jià)格便宜。
3.4.2短路環(huán)工藝
鐵心外套的短路環(huán)對(duì)整個(gè)伺服系統(tǒng)的高穩(wěn)定性相減小動(dòng)態(tài)電感有很大意義。
短路環(huán)的形式很多，該機(jī)采用的短路環(huán)如圖5所示。
短路環(huán)的厚度越厚，電阻率越低，其效果越好。這是因?yàn)楫?dāng)線圈導(dǎo)電時(shí)，短路環(huán)總有一個(gè)相反方向的電流來(lái)抵消線圈中電流的部分變化，且短路環(huán)中電流變化率隨著線圖中電流變化率增大而增大。
4音圈電動(dòng)機(jī)的測(cè)試
a．音圈的測(cè)試。對(duì)線圈的剛度、電感、電阻、導(dǎo)線的剝離拉力、線圈的幾何尺寸、平面度等進(jìn)行了嚴(yán)格的檢查。
b．對(duì)磁鋼的幾何尺寸，磁性能進(jìn)行測(cè)試。
c．對(duì)鐵心的磁性能、B100、μm進(jìn)行測(cè)試，機(jī)械精度全面計(jì)量，表面化學(xué)鍍鎳合格。
d．對(duì)零件進(jìn)行清冼，并在100級(jí)凈化間裝入磁盤(pán)機(jī)上。用高斯計(jì)測(cè)氣隙磁密最大不均勻度為百分之四。
e．用帶計(jì)算機(jī)的T650檢查儀進(jìn)行聯(lián)機(jī)測(cè)試,其結(jié)果如下:
(1)道一道尋時(shí)間:4.4ms
(2)平均尋道時(shí)間:27.8ms
(3)該機(jī)連同溫盤(pán)機(jī)一起在所有考核程序下均通過(guò)。
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發(fā)表于 2013-1-7 13:45:18
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