音圈電機是一種不需要任何機械傳動環(huán)節(jié)，就可以將電能轉(zhuǎn)化為直線運動機械能的直線電機。由于具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、響應速度快、定位精度高、易于控制等優(yōu)點，音圈電機廣泛應用于國民經(jīng)濟的諸多領(lǐng)域。

　　音圈電機以其優(yōu)秀的動態(tài)響應和定位精度，使得磁盤存儲技術(shù)得到極大提升，隨著磁盤存儲容量的增加，對音圈電機的推力提出新的要求，并且由于音圈電機的優(yōu)秀性能，在激光、快速反射鏡、引線鍵合機等需要精密控制領(lǐng)域得到應用。

　　音圈電機的有效氣隙較大導致氣隙磁通密度較低，進而影響電機的推力，最初設(shè)計音圈電機首要考慮的是提高音圈電機的出力。由于增大電流會有損耗、散熱等問題，提高力常數(shù)的主要方法是增大氣隙磁通密度。

　　1磁路優(yōu)化

　　有學者對如圖1所示的傳統(tǒng)單極型、單面多級型和雙面多極型三種磁極結(jié)構(gòu)進行分析對比。在傳統(tǒng)單極型結(jié)構(gòu)中，由于一段磁軛的存在導致電機的左右磁路不對稱，容易產(chǎn)生偏心問題。采用差動式結(jié)構(gòu)，減小繞組電感和電樞反應，抑制不平衡推力。

　　采用多級型磁極結(jié)構(gòu)不僅能夠改善偏心問題，在相同體積和永磁材料下，多面多級型磁極結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上提高氣隙磁通密度，改善電機推力。但是由于電機磁軛底部的飽和問題，增加徑向充磁磁鋼厚度，氣隙磁通密度不是呈線性提升，且磁通密度提升有限，永磁體利用率較低。

　　有學者提出在音圈電機中采用軸向充磁結(jié)構(gòu)，如圖2所示，推導出軸向充磁圓筒形永磁動圈式直線電機的氣隙磁場解析計算公式，將徑向充磁與軸向充磁分析比對，證明了在采用相同永磁材料的前提下，軸向充磁能夠產(chǎn)生更高的磁通密度，具有明顯的聚磁效果。

　　有學者在采用軸向充磁的基礎(chǔ)上，在音圈電機的中央放置一個磁芯以增加徑向磁通，電機磁路結(jié)構(gòu)如圖3所示。該結(jié)構(gòu)使得內(nèi)外線圈有效地利用徑向磁通來產(chǎn)生軸向力，進一步提高了電機的輸出力，使其能夠快速驅(qū)動大直徑的反射鏡。

　　有學者對非常規(guī)的磁極形狀和充磁方向的磁極結(jié)構(gòu)對氣隙磁通密度的影響進行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用非常規(guī)方向充磁和非矩形的磁極結(jié)構(gòu)可能對氣隙磁通密度有著極大的改善，對于形狀不規(guī)則的磁極，其制造和加工燒結(jié)方式存在一定困難，故提出一種粘接式的磁極結(jié)構(gòu)。

　　有學者采用徑向軸向混合的磁極陣列，制作了一臺應用于快速掃描鏡的集中通量式音圈電機，如圖4所示。該電機內(nèi)部中心有一個圓柱形磁體，中心外部有一環(huán)形磁體，有助于減小漏磁。

　　有學者針對圓筒形音圈電機的定子磁極充磁方向的不同，對氣隙磁通密度的影響進行研究分析，并提出一種將多個非常規(guī)充磁方式的環(huán)形永磁體組合的定子結(jié)構(gòu)。其中，徑向充磁的磁極保證氣隙磁通密度的均勻性，上、下兩塊磁極保證氣隙磁通密度的幅值，通過調(diào)節(jié)3塊磁極的高度得到符合要求的氣隙磁通密度。

　　有學者將Halbach陣列應用到音圈電機的設(shè)計，并與普通磁極陣列結(jié)構(gòu)進行分析比較，證明只有Halbach陣列能夠有效地改變氣隙磁通密度，增大幅值、減少波動，還能避免端部軛鐵的飽和問題。環(huán)形磁鋼充磁方向如圖5所示。

　　有學者對單片磁極和單線圈、普通磁極陣列和三線圈、Halbach磁極陣列和三線圈三種結(jié)構(gòu)的音圈電機進行性能比較，采用Halbach磁極陣列和三線圈結(jié)構(gòu)的音圈電機具有最大的推力和最小的力矩波動，磁極結(jié)構(gòu)如圖6所示。采用開槽的動圈支架，有助于抑制渦流損耗。從而制作出能夠應用于納米精確定位裝置的音圈電機。

　　2音圈電機線圈優(yōu)化設(shè)計

　　音圈電機是無槽電機，音圈厚度不僅影響電機繞組的安培匝數(shù)，還影響氣隙磁通密度。而電機的輸出與這兩項的乘積成正比，因此存在一個使電機輸出最大化的最佳厚度。通過有限元優(yōu)化繞組厚度得到最優(yōu)的繞組結(jié)構(gòu)。

　　導線組成如圖7所示。有學者針對線圈材料對電機性能的影響進行分析，在電機體積不變的前提下，分別采用銅鐵混合線和銅包鋁（Copper Clad Aluminum, CCA）線作為線圈，銅鐵混合線減小磁阻，增大氣隙磁通密度，在導線電阻相差不多的前提下，CCA線的質(zhì)量是銅線質(zhì)量的40%左右，降低了動子的質(zhì)量。有學者表明，在線圈體積一定的前提下，改變線圈匝數(shù)，不會改變推力。

　　3總結(jié)

　　提高音圈電機推力的優(yōu)化主要分為兩種：一種為磁路優(yōu)化，即采用多面多磁極結(jié)構(gòu)、聚磁磁極結(jié)構(gòu)和Halbach磁極結(jié)構(gòu)等磁極陣列，在相同的永磁材料用量下，提高氣隙磁通密度，進而實現(xiàn)電機的大推力；另一種為線圈優(yōu)化，即采用銅鐵或銅鋁混合線，減小氣隙磁阻或動子質(zhì)量，實現(xiàn)推力的提高，但會增大繞組損耗，故音圈電機高推力的研究主要集中在磁路優(yōu)化方面。