编辑按：2013年，经过长达五年的研发努力，Powersoft推出颠覆性换能器产品——基于动磁线性马达结构的M-Force，即刻在音频学术界引发轰动。M-Force采用的革新技术被视为“低频应用的终极范式改变”。不同于采用固定磁体和移动音圈的传统换能器，M-Force的音圈固定不动，移动部分变成磁体结构。它在音响系统之外使用时，能以1000 磅力移动，性能惊人；峰值至峰值的线性位移达到30毫米，可以为100Hz以下部分提供极高的输出声压级。独特的设计能让空气以更快的反应时间和零功率压缩通过，在较低频率产生更加纯净、更加强劲的声音。自推出以来，M-Force已成功应用在多个扬声器系统中，包括世界上最大的次低频系统——40英寸的EAW Avalon SUB.one。为了向国内读者全面介绍这一革新技术，易科国际特精选并翻译相关技术论文，与各位同仁探讨与学习。下面这篇论文是Powersoft创始人之一、也是Powersoft技术研发团队灵魂人物的Claudio Lastrucci在AES第136次大会上的宣读论文。论文从马达结构、马达属性和驱动需求等方面，详解了M-Force所取得的技术突破。

Powersoft M-Force：一种全新的动磁线性马达
作者：Claudio Lastrucci  翻译：易科国际
（此文为AES第136次大会宣读论文）

摘要

自声学研究这个学科创建以来，电能至声能的转换方式未曾发生改变。

电子放大领域的新技术以及最新的磁性材料，为寻找新的声能转换方式提供了无限可能。

这些新技术和新材料的出现使得我们可以研发出一种新的电动势设备，它可以极大改善电能至声能的转换效率、音质、稳定性和功率处理能力。

完全平衡和对称的动磁马达设计，兼之集成了各向异性（anysotropic）磁性复合材料，可切实提高换能器的加速能力、线性特征和效率，为高品质的专业扬声器设计提供更多选择。

1. 背景

电动势换能器的研发是基于一项广为人知的科技概念进行的，而这一科技概念已经存在将近一个世纪了。

放大器和换能器之间的匹配存在的特定局限，使得此类设备的发展之路并不宽敞。 “一家独大”的技术，即动圈结构设计，统治着扩声领域的不同应用。二十多年前，一种新的放大方式——开关模式输出级进入市场，如今正在逐步取代早前被广泛接受的线性放大模式。

开关模式放大技术有很多优势：在同等功率输出和性能条件下，开关模式输出级在效率、尺寸、重量和运营成本方面都优势明显。

除了上述特征，开关模式放大还具备一个天然属性：不同于之前的放大技术，它可以驱动极大的电抗负载，而不受极高的耗散功率的影响。在功率放大领域，完全四象限的安全工作区（SOA）是开关模式放大的普遍特征。

这为匹配换能器的行为提供了更多选择，为探索流行的动圈结构之外的其他方法创造了条件。

一种全新的电动式换能器被研发出来，它充分利用了开关模式放大技术的独特属性以及现代磁性材料的功能特征。

前沿的机电参数，功率放大及换能技术的融合，进一步扩大了这款新设备的应用范围。

2. 马达结构

动磁线性马达与传统的动圈装置一样，由电流和磁场的相互作用产生驱动力。只不过，固定不动的部分由磁体和磁轭组件变成了励磁线圈，线圈是整个系统中“分量最重”的部分。

 
图1 磁铁和线圈组件

该设备的动磁部分基于两块平行的NdFeB（粘结永磁材料）磁棒，它们位于同一个水平面，但是磁极相反（图1中XY轴正交的平面）。

两组线圈朝向磁棒摆放，组成类似三明治一样的结构，磁体夹在两块线圈之间。

线圈由丝带状的实心导体缠绕而成，组成长方形。磁体产生的磁场受驱动经过线圈导体，一旦线圈有电流通过，将在线圈和磁棒之间产生相对力。

这个相对力的大小与磁体产生的磁场密度以及流入线圈的电流呈线性关系。

为了在永磁体产生的磁场中保持非常低的磁阻，励磁线圈集成了铜制或铝制混合导电材料以及硅铁等强磁材料。丝带状导体与形状规整的低损耗硅铁（FeSi）片相互交织，在多匝线圈中创建高导磁路径。

值得一提的是，如此设计的线圈具有各向异性显著的磁性行为：线圈平面（XY）具有高导磁通路，而导体的横截面方向（X轴方向）相对导磁能力非常低。该装置还应用了一个外部铁磁体罩壳，使磁棒产生的稳恒磁场易于流通，并且为流入线圈的电流所产生的可变磁通创建明确的路径。

 
图2 横截面磁通路线，应用了150A励磁电流，线圈串联，无磁体插入

 
图3 空隙处的磁通分布（磁体平面），应用了150A励磁电流，线圈串联，无磁体插入

 
图4 横截面磁通路线，应用了-150A励磁电流，线圈串联，无磁体插入
 

图5空隙处的磁通分布（磁体平面），应用了-150A励磁电流，线圈串联，无磁体插入

 
图6横截面磁通路线，磁体插入，无励磁电流流入线圈

 
图7空隙处的磁通分布（磁体平面），磁体插入，无励磁电流流入线圈

 
图8横截面磁通路线，应用了150A励磁电流，线圈串联，磁体插入

 
图9空隙处的磁通分布（磁体平面），应用了150A励磁电流，线圈串联，磁体插入

 
图10横截面磁通路线，应用了-150A励磁电流，线圈串联，磁体插入

 
图11空隙处的磁通分布（磁体平面），应用了-150A励磁电流，线圈串联，磁体插入

磁体位于复合材料构成的框架之中，该框架提供与声学换能器辐射组件的机械连接。

鉴于设备固有的对称属性，它可谓真正的推挽式装置。在轴向位移方面，磁棒和线圈的工作方式完全对称。线圈导体分别对每根磁棒进行推或拉的动作，与换能器的其他部分互为补充。

由于在X轴和Z轴方向上是对称的，磁体对稳态铁磁结构的拉力被清零，只要磁棒的形状设计得当，可以使移动部件位于磁场中心而无需额外的弹簧或悬挂装置。

2.1 马达属性

动磁设计最显著的一个特征是马达的移动部件没有导体。

固定线圈产生的磁场与磁体（不由任何连接励磁）产生的磁场相互作用而产生力。如果设计得当，磁体内没有涡流流动，马达产生的热量仅源于线圈导体（I2R）的损耗。

移动部件没有柔性导体（flexible conductor），因此即使在较为极端的加速和位移条件下也能保持十分可靠的运行。

固定线圈具有横截面非常大的导体，这部分的设计只受到导体材料成本以及马达重量的限制。这些线圈易于散热，至少有一面朝向装置的外侧，电阻受热改变量可以非常低。而且，由于采用很大的横截面以及合成导热材料，马达不会出现局部过热的迹象。热模型非常简单，基于整个装置的热容量和热变电阻。它的热容量大约比大功率动圈驱动结构高两个数量级。

更特别的是，可以在不失磁的情况下增大导体线圈的横截面积，以此提高马达的效率。这是因为由复合材料构成的线圈保持了导体横截面的磁阻恒定，而不受带状宽度的影响。

这种设计提供了非常独特的机会，允许任意降低线圈电阻，同时使Bl值与系统的移动总量保持不变。已使用马力大于12,000（Bl为20N/m，线圈电阻为30毫欧）的设备进行了验证。

动磁换能器要充分发挥性能，最大的挑战在于如何足够快速地推动“负载”，从而达到所需的频带。线圈与磁轭的特定设计，使得马达磁体的峰值力与质量比达到6500N/Kg，峰值至峰值的线性位移达到30毫米。在100 Hz以下频段的超高声压级应用中可能需要这种程度的位移。不同尺寸的线圈和磁体可以将上述性能指标进一步扩展，与传统的动圈设计一样，我们需要在低频最大输出电平与功率带宽之间寻找折衷。

峰值力与质量的比值还受到磁体材料固有属性的限制。 具有高磁能积的高矫顽力材料显然性能最佳。

全新的动磁线性马达采用磁能积极高的复合物，使得性能参数更进一步。

磁轭形状的设计使得移动部件位于磁场中心，并创建了一个磁体恢复系统，它的运行机制与机械弹簧类似。

由于任何磁回路的本质都会流向最低能量端，因此可通过线圈和磁铁的形状定义磁场的几何特性，以创建一个牵引剖面，让移动部件回到起始位置。

这些磁性弹簧机制具有非线性特征，在极端位移情况下可以提供比较陡峭的动能下降，在过冲程发生时作为小幅度限幅工具。

 
图12 马达力常数（Bl）Vs. 位置（N/A vs.mm）

 
图13 弹力Vs. 位置（牛顿 vs.mm）

 
图14 弹力常数(K(x)) Vs. 位置（牛顿/mm vs.mm）

本质上此设备的铁磁材料偏压较大，使得马达本身具有极大的电感值。

由于线圈电阻非常低，因此在电流和相对力恒定条件下，设备的电压需求与频率呈线性关系。

由于马达的移动部件不是铁磁体（磁体的相对导磁率接近1），整个组件的磁阻不会随着位移而改变。极低的电感调制是所能实现的优异性能之一。因此，设备的电感非常理想地保持恒定和线性，而不会受到位移以及线圈励磁的影响。

在整个工作频率带宽之内，电压和电流之间的关系，越来越接近纯粹的电感器工作原理，除非将运动效应考虑在内。大气阻抗图与传统动圈换能器的类似，相对于频率，阻抗的上升速率陡峭得多。

这种电抗性行为为线性输出级放大带来了极具挑战性的操作环境，但是却完美适用于开关模式输出级。因为开关模式输出级在机构上，可以轻松管理电偏移负载和大电流/低电压需求，反之亦然。

 
图15 大气阻抗曲线，仅马达，无振膜（欧姆 vs. Hz）

2.2 性能

尽管在电动机械领域可以通过辐射表面等数据，推导出设备的Thiele – Small参数；但是，通过不带任何声学负载的马达本身所具备的数据，可以更轻松地定义设备行为。

电参数：
Re = 0.260 Ω
Le = 0.0059 H
峰值电流处理能力=+/-170A
峰值电压处理能力 = +/-400V
峰值功率处理能力 = 25 KW

机械参数：
标称尺寸 = 260x210x112 mm（机身）
重量 = 21.5 Kg
移动部分质量= 0.950 Kg
簧片柔度= 0.00007m/N
机械损失= 23 N.s/m
共振频率= 19.5 Hz
线性位移= +/-15 mm
最大位移= +/-25 mm
机械峰值位移= +/- 37 mm

机电参数：
Bl = 24.0 T.m
马力 = 2,215 (T.m)2/Ω
峰值力输出= +/- 4000 N

热参数：
热变电阻= 0.06 °C/W
热容量= 11100 J/°C

3. 驱动需求

低电阻值、高Le / Re率、移动部件持续储存能量和簧片柔度等特性都要求驱动功放具备很宽的SOA。为换能器提供能量的输出级必须能够产出很高的电流和电压，以充分发挥马达产生力的能力。为此专门开发了一款驱动单元，满足换能器的需求。这款功放模块的峰值电压摆幅达到±300V，电流容量高达±200A，通过机载DSP实现非常低延迟的信号通路，使以下独特的功能特征成为可能：

可编程的输出阻抗：
可在-10Ω至+10Ω之间的阻值进行选择，大幅度改变整个换能器的工作模式。这项功能允许用户降低换能器的阻尼，这在很多声学设计中是很有必要的。

可在-2mH至+2mH之间的电感值进行选择，对换能器的高电感行为进行部分补偿。

差压控制：
在包含完整的声学设计回路系统中创造一个全局反馈，差压控制技术可以通过一个稳定的差压传感器，探测作用在振膜辐射表面的整体压力。这种方法让电-机械-声信号链路上的行为变得可预测，同时也允许通过降低系统灵敏度的方式来防止老化和辐射面边界工况变化。差压控制技术还允许为特定的物理换能器合成大量Thiele – Small参数。

保护和控制：
换能器所有的重要参数都得到监控。电压、电流、功率、压力、位移和力都维持在安全的范围内，不管是在通用的功放，还是换能器内，都限制在安全值之内。

电源管理：
为了实现换能器性能的最大化，设计了非常有效的能量回收输出级，加上换能器的高效能设计，极大降低了对供电系统的要求。电源采用的功率因数校正（Power Factor Correction）技术进一步降低了整体电流需求。

 
图16 专有电源模块

4. 应用

上述马达的一个典型应用是低频扩声。低失真、高功率容量以及坚固耐用的特征，使得它极度适合专业扩声领域。

为了承受马达产生的大马力和大幅度位移，我们研发了一个特定的声音辐射部件。嵌入单块材料中的大尺寸真空成型锥状聚合物振膜、活塞、连接件和外壳作为马达的负载以及声学方面的耦合设备。振膜的尺寸从22’’、30’’到40’’不等，最大辐射表面可达6500cm2（相当于4个21’’驱动器的辐射表面）。

值得一提的是，设备的超高马力允许低频箱体在紧凑的体积内，实现一样出众的声压级和低频扩展。

其它可能的应用领域包括：材料压力测试、振动主动阻尼控制、机电转换、机械能量回收。

 
图17 带30’’聚合物振膜的马达组件

5. 结论

这是一款受益于开关模式放大技术的新设备，它在力、线性、加速能力和耐用性方面具有独特特征。

通过测量和听音测试进行了深度评估和性能比较。

结果显示，对于传统的动圈换能器来说，这项技术提供了切实可行的、在很多方面甚至是更优越的替换方案，在能量密度、音质、减小箱体尺寸和整体的耐用性方便具备更大优势。