搖臂式音圈電動(dòng)機(jī)電磁參數(shù)的理論分析
張江陵 黃章頌(機(jī)電部)
（摘 要）根據(jù)搖臂式音圈電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)其兩個(gè)主要的電磁參數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)，引入力矩常數(shù)的概念，并導(dǎo)出搖臂式音圈電動(dòng)機(jī)的力矩常數(shù)和電阻的計(jì)算式。文中附有應(yīng)用舉例，證明公式具有參考價(jià)值。
（敘 詞）音圈電動(dòng)機(jī)，電磁參數(shù)，力矩常數(shù)，電阻，計(jì)算，公式
0引 言
由于磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器向大容量化、高密度化迅速發(fā)展，因而用步進(jìn)電機(jī)或直線式音圈電機(jī)作為其定位機(jī)構(gòu)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足要求。目前大容量的硬磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器都采用搖臂式音圈電機(jī)作為定位執(zhí)行機(jī)構(gòu)。搖臂式音圈電機(jī)不僅具有精確定位的特性，而且具有快速存取數(shù)據(jù)的功能，但是具有如此優(yōu)越性能的搖臂式音圈電機(jī)的主要電磁參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算目前尚無(wú)成熟的公式，一般都依賴(lài)于直線式音圈電機(jī)，而二者在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)上有本質(zhì)的區(qū)別。搖臂式音圈電機(jī)是作。c (a< 90度)角度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，直線音圈電機(jī)是作直線運(yùn)動(dòng)。因此引用直線式音圈電機(jī)的公式來(lái)設(shè)計(jì)搖臂式音圈電機(jī)顯然是不合理的。本文根據(jù)搖臀式音圈電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，推導(dǎo)出其電磁參數(shù)計(jì)算式。
1 搖臂式音圈電機(jī)兩個(gè)主要
電磁參數(shù)的推導(dǎo)
搖臂式音圈電機(jī)的電磁參數(shù)計(jì)算可由電壓平衡方程式和運(yùn)動(dòng)方程式給出。
電壓平衡方程式
因動(dòng)圈電感很小，所以忽略式(1)中則得到
代入式(2)并整理得
假定搖臂式音圈電機(jī)處于理想的恒電壓工作狀態(tài)，即在加速段令(4)式中E= Eo= const，
在減速段令 E=-Eo- const，則有
式(5)為一階線性微齡方程，賦予初始條件，可解得加速段搖臂式音圈電機(jī)的角速度表達(dá)式為
同樣，賦予減速段的初始條件，亦可解出此時(shí)的角速度表達(dá)式
根據(jù)(6)(7)兩式可作出圖l中co與t的關(guān)系曲線。
由式(6)可得。
定義（為搖臂式音圈電機(jī)的力矩常數(shù))從圖l可知，減少機(jī)械時(shí)間常數(shù)和增大飽和角速度都能縮短平均尋道時(shí)間，所以增大力矩常數(shù)(Blr)值，一方面可減少械時(shí)間常數(shù)T。而使T縮短，另一方面，飽和角速度(Om的減少又使得丁增大，因此，力矩常數(shù)( Blr)必然存在著一個(gè)理論****值，使得丁為最小。根據(jù)****控制理論，假定動(dòng)圈的時(shí)間T進(jìn)行定位所轉(zhuǎn)過(guò)的角度θ，那么首先加一個(gè)正極性電壓Eo，在f時(shí)間內(nèi)****加速，緊接著改變電壓極性，在t2時(shí)間內(nèi)****減速，使搖臂式音圈電機(jī)在整個(gè)行程的終端角速度為零。代人(6)(7)兩式，并積分可得加速段搖臂式音圈電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度
減速段搖臂式音圈電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度全部工作行程
由 20可得
代入(10)式則有
搖臂式音圈電動(dòng)機(jī)電磁參數(shù)的理論分析且有
解式(11)得
(17)(18)式是在理論狀態(tài)下推導(dǎo)的，它忽略了電樞的去磁效應(yīng)和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的干摩擦以及沾滯阻尼力的影響。同時(shí)音圈電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，這是因?yàn)閯?dòng)圈電流對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生增磁或去磁的作用，而使得( Blr)在整個(gè)控制過(guò)程發(fā)生變化。而R亦隨通電電流（發(fā)熱量的大小）而變化因此理論設(shè)計(jì)與實(shí)際使用情況存在一定的誤差。這個(gè)誤差可從圖2很清楚地看出。
圖2為音圈電機(jī)平均尋道時(shí)的工作曲線，顯然，平均尋道時(shí)間T= tl+t2+t3，其中tl+t2為粗控時(shí)間，t3為精控時(shí)間。然而在整個(gè)精控過(guò)程動(dòng)圈是沒(méi)有通過(guò)電流的，因此按(17)(18兩式計(jì)算出來(lái)的結(jié)果只是粗控時(shí)間，故比我們所定義的平均尋道時(shí)間T小了一個(gè)t。
3應(yīng)用舉例
美國(guó)CDC公司生產(chǎn)的WernⅡ全高86MB磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，作為定位執(zhí)行機(jī)構(gòu)的搖臂式音圈電機(jī)，其轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣量為J= 1.788x lO-5kg．m，加在音圈電機(jī)的電壓Eo= 12V±百分之10，音圈電機(jī)掃過(guò)的****角度= 29.678度，理論計(jì)算時(shí)是以T=25ms作為平均尋道時(shí)間的。把這些數(shù)值代人(17)(18)兩式可得
力矩常數(shù)(Blr) =0.3662 N．m
電阻R=5.51 Ω
而實(shí)際設(shè)計(jì)出來(lái)的電機(jī)參數(shù)則為
力矩常數(shù)(B/r)-0.7428 N．m2
電阻R =8.95Ω
4修正值
搖臂式音圈電機(jī)的兩個(gè)主要電磁參數(shù)的理論計(jì)算值都比實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)來(lái)得小，因此力矩常數(shù)(Blr初電阻R用(17)(18)兩式計(jì)算出來(lái)之后應(yīng)乘以一個(gè)大于l的系數(shù)，才能作為最后的實(shí)際設(shè)計(jì)值。至于這個(gè)大于l的系數(shù)的確定，則與整個(gè)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫蛩赜嘘P(guān)，工程上一般可取Tj為平均等待時(shí)間)作為近似計(jì)算。
5結(jié)論
a．本文在理論上首次推導(dǎo)出搖臂式音圈電機(jī)的力矩常數(shù)和動(dòng)圈電阻的表達(dá)式。
b．對(duì)理論計(jì)算值與最終的實(shí)際設(shè)計(jì)值存在的誤差來(lái)源進(jìn)行了分析。
c．提出工程上足夠準(zhǔn)確的近似修正值。
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