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。由于具有结构简单、体积小、响应速度快、定位精度高、易于控制等优点，音圈电机广泛应用于国民经济的诸多领域。
音圈电机以其优秀的动态响应和定位精度，使得磁盘存储技术得到极大提升，随着磁盘存储容量的增加，对音圈电机的推力提出新的要求，并且由于音圈电机的优秀性能，在激光、快速反射镜、引线键合机等需要精密控制领域得到应用。
音圈电机的有效气隙较大导致气隙磁通密度较低，进而影响电机的推力，最初设计音圈电机首要考虑的是提高音圈电机的出力。由于增大电流会有损耗、散热等问题，提高力常数的主要方法是增大气隙磁通密度。
1磁路优化
有学者对如图1所示的传统单极型、单面多级型和双面多极型三种磁极结构进行分析对比。在传统单极型结构中，由于一段磁轭的存在导致电机的左右磁路不对称，容易产生偏心问题。采用差动式结构，减小绕组电感和电枢反应，抑制不平衡推力。
采用多级型磁极结构不仅能够改善偏心问题，在相同体积和永磁材料下，多面多级型磁极结构能够在一定程度上提高气隙磁通密度，改善电机推力。但是由于电机磁轭底部的饱和问题，增加径向充磁磁钢厚度，气隙磁通密度不是呈线性提升，且磁通密度提升有限，永磁体利用率较低。
有学者提出在音圈电机中采用轴向充磁结构，如图2所示，推导出轴向充磁圆筒形永磁动圈式直线电机的气隙磁场解析计算公式，将径向充磁与轴向充磁分析比对，证明了在采用相同永磁材料的前提下，轴向充磁能够产生更高的磁通密度，具有明显的聚磁效果。
有学者在采用轴向充磁的基础上，在音圈电机的中央放置一个磁芯以增加径向磁通，电机磁路结构如图3所示。该结构使得内外线圈有效地利用径向磁通来产生轴向力，进一步提高了电机的输出力，使其能够快速驱动大直径的反射镜。
有学者对非常规的磁极形状和充磁方向的磁极结构对气隙磁通密度的影响进行分析，结果发现，采用非常规方向充磁和非矩形的磁极结构可能对气隙磁通密度有着极大的改善，对于形状不规则的磁极，其制造和加工烧结方式存在一定困难，故提出一种粘接式的磁极结构。
有学者采用径向轴向混合的磁极阵列，制作了一台应用于快速扫描镜的集中通量式音圈电机，如图4所示。该电机内部中心有一个圆柱形磁体，中心外部有一环形磁体，有助于减小漏磁。
有学者针对圆筒形音圈电机的定子磁极充磁方向的不同，对气隙磁通密度的影响进行研究分析，并提出一种将多个非常规充磁方式的环形永磁体组合的定子结构。其中，径向充磁的磁极保证气隙磁通密度的均匀性，上、下两块磁极保证气隙磁通密度的幅值，通过调节3块磁极的高度得到符合要求的气隙磁通密度。
有学者将Halbach阵列应用到音圈电机的设计，并与普通磁极阵列结构进行分析比较，证明只有Halbach阵列能够有效地改变气隙磁通密度，增大幅值、减少波动，还能避免端部轭铁的饱和问题。环形磁钢充磁方向如图5所示。
有学者对单片磁极和单线圈、普通磁极阵列和三线圈、Halbach磁极阵列和三线圈三种结构的音圈电机进行性能比较，采用Halbach磁极阵列和三线圈结构的音圈电机具有最大的推力和最小的力矩波动，磁极结构如图6所示。采用开槽的动圈支架，有助于抑制涡流损耗。从而制作出能够应用于纳米精确定位装置的音圈电机。
2音圈电机线圈优化设计
音圈电机是无槽电机，音圈厚度不仅影响电机绕组的安培匝数，还影响气隙磁通密度。而电机的输出与这两项的乘积成正比，因此存在一个使电机输出最大化的最佳厚度。通过有限元优化绕组厚度得到最优的绕组结构。
导线组成如图7所示。有学者针对线圈材料对电机性能的影响进行分析，在电机体积不变的前提下，分别采用铜铁混合线和铜包铝（Copper Clad Aluminum, CCA）线作为线圈，铜铁混合线减小磁阻，增大气隙磁通密度，在导线电阻相差不多的前提下，CCA线的质量是铜线质量的40%左右，降低了动子的质量。有学者表明，在线圈体积一定的前提下，改变线圈匝数，不会改变推力。
3总结
提高音圈电机推力的优化主要分为两种：一种为磁路优化，即采用多面多磁极结构、聚磁磁极结构和Halbach磁极结构等磁极阵列，在相同的永磁材料用量下，提高气隙磁通密度，进而实现电机的大推力；另一种为线圈优化，即采用铜铁或铜铝混合线，减小气隙磁阻或动子质量，实现推力的提高，但会增大绕组损耗，故音圈电机高推力的研究主要集中在磁路优化方面。
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。
