音圈电机是一种不需要任何机械传动环节，就可以将电能转化为直线运动机械能的直线电机。音圈电机具有结构简单、动态响应速度快、无齿槽转矩、高线性度等优点，在高精度定位伺服系统中得到广泛应用。
目前，随着装备制造不断向高精尖发展，在满足推力的基础上对音圈电机的定位精度的要求越来越高，如何提高定位精度是研究的热点之一。
1均匀磁通密度方案
根据音圈电机的基本公式F=BIL，磁通密度B越平稳，力矩波动越小。在电机动子行程范围内，获得相对平稳均匀的气隙磁通密度，能够有效地减小波动。
有学者通过调整磁极的形状和充磁方向，得到符合幅值和均匀性的磁通密度波形。有学者对音圈电机的永磁体和磁轭进行优化，提出两种永磁体和磁轭的改进方案，其结构如图1所示。通过改进音圈电机结构中的永磁体和磁轭，使其内部垂直峰值磁通密度大大降低。但是，电机输出力会减小，且对永磁体的加工和机械强度有一定要求。高磁通密度与低转矩波动是相反的，要根据实际情况进行选择。
有学者对漏磁进行分析，磁力线云图如图2所示，永磁体产生的大量磁通通过磁轭中部，磁轭中部的磁通密度很大。磁轭中部高度饱和，此处气隙磁通密度分布不均匀，会造成推力波动的现象。而且，当载流导线运动到磁轭中部时，通电导线在漏磁通的作用下，会产生一个向上的力，将线圈推向磁轭，造成线圈运行的不稳定，因此提出了将永磁体分块或调整永磁体之间的间隙，增大磁极间磁阻达到较少漏磁的目的。
2端部效应与涡流损耗抑制
端部效应是直线电机的固有特性，但是音圈电机与永磁同步直线电机的端部效应是不同的。端部效应如图3所示，永磁同步电机的端部力是由于电机铁芯端部与永磁体磁场相互作用而产生的磁阻力。音圈电机的端部效应是由于载流线圈移动出磁轭端部时会受到一个反向力降低推力，因此永磁同步电机端部效应的抑制方法不适用于音圈电机。
由涡流阻尼器的思想可知，适当的涡流阻尼可以减弱电机的振动，提高音圈电机的稳定性和控制精度，当涡流损耗过大时会对电机的动态性能造成一定影响。关于音圈电机本体设计的大部分文献研究重点都是重塑磁场，提高推力常数。近年来，重庆大学Luo Ciyong等在抑制音圈电机端部效应和涡流损耗方面做了相关研究，认为减小端部磁阻和引导端部反向磁通对于抑制端部效应有着重要作用。
2017年Luo Ciyong提出在音圈电机底部增加一块长度为a的辅助铁轭形成前相绕组，如图4a所示，由于线圈被运动轨道上的磁轭所覆盖，在一定程度上有助于减弱电机的端部效应，增加辅助铁轭导致电机体积增加，通过改变a（铁轭长度），推力特性曲线右移，曲线变宽，则平均推力增加，因此选取最优a值能够得到最优的推力密度。
该方法虽然使音圈电机具有较小的端部反向磁通并改善了推力的特性，但端部气隙磁阻仍然占磁路主磁阻相当大一部分，2019年Luo Ciyong提出一种半封闭结构的音圈电机，如图4b所示，在前向绕组的基础上，采用Halbach永磁阵列来提高推力密度，并且在音圈电机端部增加一块辅助铁轭，引导端部磁通减小端部磁阻，达到抑制端部效应的目的。
2020年Luo Ciyong提出一种新的无端铁音圈电机，如图5所示，通过取消端铁，增大端部气隙磁阻减少反向磁通来抑制端部效应，且通过有限元分析得出最佳永磁体长度比。
根据在传统永磁同步电机中可以通过叠片磁心和套管开孔的方式减少涡流损耗，提出了三种有利于减弱涡流损耗的铝管结构如图6所示，经过分析对比得出，加劲肋并连接开缝的方法对涡流损耗的抑制最显著。
3多自由度音圈电机
通过多个电机实现多自由度运动存在误差叠加的问题，随着精密加工技术的发展，满足多维精密加工系统的高精度、高动态速度的电机成为研究的热点。有学者提出了三种结构简单、体积小的新型二自由度旋转直线音圈电机作为多维精密运动平台的末端执行器。电机的磁路结构如图7所示，经过实验测试三种电机结构均满足要求。
具有两个运动单元的电机结构具有良好的可控性；运动轴平行的电机结构具有最高的平均直线推力；运动轴垂直的电机结构具有最低的推力脉动和最高的平均旋转力矩。本文还探究了电枢反应对电机性能的影响，实验表明，通过优化电机的电枢反应，能够进一步提高电机的推力密度、降低纹波。
4总结
对音圈电机的永磁体、铁轭和端部等结构进行优化，达到均匀动子行程内的磁通密度、抑制音圈电机的端部效应和涡流损耗的目的，都有助于提高电机的定位精度。设计制造多自由度的音圈电机可以减少多个电机以实现多自由度运动时误差叠加，有利于实现加工系统的高精度。
本文编自2021年第6期《电工技术学报》，论文标题为“音圈电机结构优化及应用综述”，作者为柴嘉伟、贵献国。
