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在运动平台中，对于微小运动，例如1-5毫米，甚至更小的行程，常用音圈电机来驱动。 因为它们具有体积小，运动质量小，高加速度等显著特征。 无论是在工业领域，还是在医用内窥镜，呼吸机，以及摄像头调焦等方面都有广泛的应用。 比如小位移吸取头，常用扁平型音圈电机驱动，配合LVDT绝对式位移传感器，检测运动轴位置。 再比如，手机摄像头中，用圆柱形音圈电机，来带动镜头运动，实现调焦。
线圈运动式单轴音圈电机驱动平台，来源：H2W Technologies, Inc.
音圈电机用于微摄像头调焦
音圈电机用于微摄像头调焦
不同形式的音圈电机驱动平台和调焦平台及其参数，来源：Equipment Solutions, Inc. 那么，何为音圈电机（VCM=Voice Coil Motor）？其运动原理是什么？ 1. 什么是音圈？ 首先，什么是音圈？ 音圈一词，其实来源于扬声器。 它实质上就是一个线圈。 在扬声器中，用来产生（展示）声音信号，所以叫音圈，多亏了它，我们才能听到美妙的音乐。 扬声器的底层逻辑，其实也是带电导线在磁场中受洛伦兹力，发生有规律的运动，带动相关部件振动，进而发出声音。 我们来具体看一下。
音圈（线圈）缠绕在椎体上，永磁体南北极如上左图（a）所示，内圈是北极，外圈是南极，在剖视图（b）中，磁场穿过音圈导线向外辐射，当导线通声音信号（电流）时，音圈在左右方向受力，发生运动，带动锥体振动，通过空气把声音扩散到外部。 来几张动图，就一目了然了。
通电时，音圈来回运动
通电时，音圈来回运动，带动相关部件振动，发出声音
2．音圈电机结构及原理 音圈电机的原理，和上面所说的一模一样：线圈在永磁场中通电受力，发生运动，只不过音圈电机线圈不连接在扩音部件上，而是连接在其他需要驱动的部件上。
磁体运动式圆柱形音圈电机内部结构示意图：音圈固定，磁体和轴固连，轴两端有柔性导向结构，当线圈通电，线圈和磁铁之间会产生轴向力，带动轴运动。
线圈运动式音圈电机剖视图，上方线圈电流垂直于屏幕向外，下方电流垂直于屏幕向里，磁场在缝隙中垂直于电流，使用左手定则（让磁感线穿过手心，四指指向电流方向，大拇指所指方向就是线圈受力方向），很容易知道线圈沿左右方向受力运动。 线圈受到的力称为洛伦兹力，由电流和磁通量的乘积确定： F = k * B * L * I * N 其中， F =力（N） k =力常数 B =磁通密度（特斯拉） L =线长（m） I =电流（安培） N =导体数量 对于给定的音圈，除电流外，所有参数都是固定的。因此，产生的力与输入电流成正比。力的方向既垂直于磁通量方向，又垂直于电流方向，改变电流方向会改变力的方向。 这就是音圈电机的原理。 其核心，还是通电线圈在磁场中受洛伦兹力。 在实际应用中，音圈产生的力推动负载，活动部件可以是线圈，也可以是磁体（力是相互的）。 线圈运动比磁体运动质量低得多，可以驱动更高负载。 但是，线圈会产生热量，如果负载对温度波动敏感，那么使用磁体移动更好。 当然，作为一个完整的执行机构，音圈电机和直线电机一样，需要导向机构和位置反馈装置。 导向机构可以用柔性结构（一般用于微小运动），滑块式导轨，空气轴承，或者交叉滚子导轨等。 反馈设备，可以用光栅尺和读数头，也可以用LVDT位移传感器，霍尔传感器等。它们和伺服控制器，提供了一种闭环系统，可实现极其精确的位置和速度控制。 即使没有反馈装置，音圈电机也具有良好的力控制，这是因为其产生的力与施加的电流成正比。
3轴音圈电机驱动平台，来源：H2W Technologies, Inc. 3. 音圈电机如何应用于镜头调焦？ 我们再来仔细看看，音圈电机是如何用于镜头调焦的。 扁平形和圆柱形都看一下。
扁平式音圈电机，用于驱动微镜头调焦：如图（b）所示，镜头和永磁铁固定在镜架上，然后穿在图（c）对角线上两根导向杆中。如图（c），导向杆及线圈还有霍尔传感器固定在基座上，当线圈通电，便可驱动镜头上下运动，实现调焦。图片来源：《Design and Characterization of Miniature Auto-Focusing Voice Coil Motor Actuator for Cell Phone Camera Applications》
圆柱式音圈电机，驱动镜头上下运动，实现调焦：镜头和线圈固定在蓝色镜座上，顶部和底部有黄色的柔性导向结构，它们和镜座固连。柱形磁铁在外侧提供磁场，磁场辐射方向垂直于线圈，容易判断出线圈在上下方向受力，带动镜头运动，从而实现调焦。图片来源：《Design and Characterization of Miniature Auto-Focusing Voice Coil Motor Actuator for Cell Phone Camera Applications》 到此，我们明白了音圈电机的工作原理。 正因为这个原理，音圈电机有如下的一些优点：无需换相，低至无迟滞，零齿槽，与“螺杆式”动力器相比，机械部件更少，线性控制特性，高功率质量比，高功率体积比，无限位置（仅受编码器限制），高加速度等。 所以音圈电机很适合于小位移直线运动，如果你的设计中有这个要求，不妨可以考虑一下使用音圈电机。 相关阅读：（因为时间关系，很多文章没有同步到论坛，感兴趣的可以去我公众号阅读：罗罗日记。来一起学习哦） 1.直线电机是如何工作的？ 2.LVDT位移传感器的原理是什么？ 3.光栅尺的原理是什么？怎么选择？供应商都没讲明白，6年了我第一次听懂 4.霍尔传感器的原理是什么？有哪些应用？有什么优缺点？ 5.洁净室用直线导轨和普通导轨有什么区别？
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发表于 2021-3-2 00:05:50
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