音圈電機在電子封裝、貼片機等設備中的應用

天蝎座0

1 引、言
音圈電動機（Voice-coil-motor縮寫為VCM）是當代重要的精密直線定位驅動裝置，它在激光唱片、激光錄像機、光盤機、溫徹斯特磁盤機、軟盤機、航空照像快門及高級靜脈注射針頭推進器等領域獲得了廣泛的應用。它具有推力大、可動部分質量小、定位速度快、存取時間短和可用于閉環控制等優點，大大提高了系統的定位精度。


本文介紹的音圈電動機是用于40 M位、133.35mm溫盤驅動器上，音圈電動機的設計制造是這種溫盤機的關鍵技術之一。該溫盤機的傳輸率為620k位／s，平均存取時間為28ms。能否使該音圈電動機國產化也是溫盤機國產化的關鍵之一，我廠決定批量生產該音圈電動機，故決定盡快研制出樣機。樣杌的結構如圖1所示。
a．力常數BL: 2.5N／A
b．、通過音圈電動機的最大電流：2A
c．電源電壓：12V
d．運動部分的質量：小車+磁頭組件+動圈=0.03kg，動圈質量不大于0.012kg。
e．小車最大行程：34mm。
f．平均存儲時間：不大于28ms。
g．道一道存儲時間：不大于5ms。
h．磁頭停放處的漏磁場：不大于4x10-4T。
i．機械諧振頻率：不大于2 000Hz。
j．比推力不均勻度：不大于±百分之三。
3試制難點及關鍵工藝
3.1力常數
音圈電動機最基本的原理是通電導線在磁場中受到一個電磁力而使線圈運動，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線長度；I為通過線圈的電流。
作為一臺音圈電動機，首先要使比推力足夠大，以便克服小車摩擦力，產生一個較大的加速度。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，音圈電動機難以控制，漏磁也大；而導線長，則要求線圈匝數多，匝數多則導致電感大,電氣時間常數加大；電流大了也給線路增加了困難。
經過比較、計算，確定線圈匝數為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0.3T，仍較高。這時算得BL=4.2N／A，大于2.5N／A，遠大于設計要求。試驗證明，BL過大，會使整機產生振蕩。
可見BL值不是越大越好。這里面有個最佳值。
另外，比推力的不均勻度對精控有影響。BL小，可縮短精控時間，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
該機音圈有如下特點：
a．無任何骨架，用自粘導線做成，這樣可降低可動部分的魘量，獲得更大的加速度。
b．采用截面為矩形的方導線，在相同線長時，矩形導線比圓導線產生的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值比采用圓導線增加百分之27。
c．圓形導線制做的線圈不像方形線矩形線所做的音圈，具有可重復的諧振頻率。由于做無骨架線圈，故必須用方導線制線圈。
方導線采用自制專用設備制成；通過工藝試驗，找出了線圈導線粘結力與溫度之間的關系，見圖3。由圖可知，其最低平剝離拉力為0.8N，遠大于美國線0.6N的水平。

3.3磁鋼的選擇
磁鋼剩磁Br對提高BL大有好處。但Br大了也帶來一系列問題。盡管試驗的手段不很完備，但試驗都是聯機試驗，故有實用價值。
a．Br過大超出要求后，會產生漏磁過大，我國最好的且最廉價的強磁場軟磁材料是電工純鐵DT4C。其Br100=1.5—1.8T，而國外有多種Br>0.2T的軟磁材料。試驗證明，當永磁材料的Br增大時，其漏磁也隨著增加，假若用稀土材料2:17和釹鐵硼(Nd-Fe-B)。其漏磁大大超過了ISO有關標準(≤4x l0-4)，詳見附表和圖4。

選用2.17和釹鐵硼，其氣隙磁密也超過了設計要求0.22～0.25T，而達到了0.45～0.5T，最后決定用鈰鈷銅鐵磁鋼。


b．磁鋼剩磁過大，導致氣隙磁密過大，會使整個系統失控。起初，氣隙的磁密達0.3T，結果定位系統尋道時在盤片徑向上來回振動，不能精控。原因是電氣線路的參數仿美國樣機，對于氣隙磁密過高產生的淮力反饋信號控制不了，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，結果一次聯機成功。
c．剩磁過大，導致性能價格比上升。2.17稀土磁鋼1000元／kg，釹鐵硼500無／kg。而鈰鈷銅鐵只用300元／kg左右。如果改成粘結釤鈷，其成本還可降低。
d．采用新手段控制磁鋼剩磁。準備在批量生產時，用美國LDJ公司生產的磁化器／磁標定臻對磁鋼進行標定，這樣可使剩磁達標準剩磁土百分之一的精度，是提高音圈電動機質量不可多得的工藝方法。

3.4鐵心和短路環工藝
3.4.1鐵心工藝
該種音圈電動機是列稱磁路，對機械精度和磁性能要求很高，要批量生產， 一般工藝很難實現。在批量生產中，決定用粉末冶金制造。這種工藝的特點是機械精度高，價格便宜。
3.4.2短路環工藝
鐵心外套的短路環對整個伺服系統的高穩定性相減小動態電感有很大意義。
短路環的形式很多，該機采用的短路環如圖5所示。
短路環的厚度越厚，電阻率越低，其效果越好。這是因為當線圈導電時，短路環總有一個相反方向的電流來抵消線圈中電流的部分變化，且短路環中電流變化率隨著線圖中電流變化率增大而增大。

4音圈電動機的測試
a．音圈的測試。對線圈的剛度、電感、電阻、導線的剝離拉力、線圈的幾何尺寸、平面度等進行了嚴格的檢查。
b．對磁鋼的幾何尺寸，磁性能進行測試。
c．對鐵心的磁性能、B100、μm進行測試，機械精度全面計量，表面化學鍍鎳合格。
d．對零件進行清冼，并在100級凈化間裝入磁盤機上。用高斯計測氣隙磁密最大不均勻度為百分之四。
e．用帶計算機的T650檢查儀進行聯機測試,其結果如下:
(1)道一道尋時間:4.4ms
(2)平均尋道時間:27.8ms
(3)該機連同溫盤機一起在所有考核程序下均通過。

sz_lingnan

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crab22

很專業，很有前途。VCM馬達最大的市場可能是智能手機方面，我就是專門做VCM線圈繞線機的。

yinzengguang

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yinzengguang

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yinzengguang

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天蝎座0

{:soso_e100:}

漫步足壇

學習了！

長江漂流

我感到很是新奇，對樓主說的控制剩磁工藝佩服，這樣的電機如果沒有獨到的工藝是無法完成產品制造的，一個企業只要擁有自己的核心技術就可以在市場競爭上勝出，希望國內多一些像樓主一樣的廠家。

jiaweicz

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