CN101917143A

CN101917143A - 一种具有磁浮重力平衡功能的音圈电机

Info

Publication number: CN101917143A
Application number: CN 201010232582
Authority: CN
Inventors: 周云飞; 彭俊荣
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2010-07-21
Filing date: 2010-07-21
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2030-07-21
Also published as: CN101917143B

Abstract

本发明公开了一种具有磁浮重力平衡功能的音圈电机，包括芯轴、螺母、第一定子磁钢、动子支架、第一动子磁钢、音圈支架、音圈、第二动子磁钢、第二定子磁钢和外壳。定子磁钢充磁方向为轴向，动子磁钢充磁方向为辐向。动子磁钢位于定子磁钢之间，产生稳定的轴向推力；音圈位于两个动子磁钢之间，调节轴向推力大小。本发明充分利用磁钢之间的相互作用力和动子磁钢之间的匀强磁场，电机结构紧密，能够平衡运动部件重力，并有较大调节力，具有小尺寸、低发热、大行程和高频响的优点，适用于对体积、质量、环境温度、加速度和频率要求较高的场合。

Description

一种具有磁浮重力平衡功能的音圈电机

技术领域

本发明属于音圈电机领域，具体涉及一种具有磁浮重力平衡功能的音圈电机。

背景技术

音圈电机(Voice Coil Motor，VCM)因其结构类似于喇叭的音圈而得名，是一种直接驱动电机，具有结构简单、体积小、推力大、高速度、高加速度、高频响和高精度等特性。其原理为：位于磁场中的通电导体会与磁场产生相互作用力，力的大小与导体上电流的大小和方向成比例。根据运动形式，可以将其分为直线型音圈电机和圆弧型音圈电机，本发明涉及一种直线音圈电机。

音圈电机广泛地应用于通讯、医疗、半导体、航空、汽车等领域，是一种性能非常优越的电机，随着科技的进步和对设备性能要求的提高，音圈电机在许多不同形式的装备上得到了应用。

在很多应用场合，音圈电机的输出力，一部分用于驱动运动部分实现特定的运动，另一部分用于克服运动部件的重力。对于这种音圈电机，传统的结构往往只单纯地考虑利用通电导体与磁场的相互作用力来满足设计要求，通过提高磁通密度、改变磁场方向或导体电流的大小来改善电机的输出性能，却忽略了对磁钢和磁钢之间相互产生的作用力的利用，从而导致音圈电机在规定的尺寸范围内达不到出力、行程和频响的要求，或者在达到要求的情况下为电机的高功耗、高发热而苦恼。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种具有磁浮重力平衡功能的音圈电机。该电机利用磁钢之间的相互作用力来平衡重力，利用音圈电流来调节输出力的大小，具有小尺寸、低发热、高行程和高频响的特点，且无需水冷。

该音圈电机，包括芯轴、螺母、第一定子磁钢、动子支架、第一动子磁钢、音圈支架、音圈、第二动子磁钢、第二定子磁钢和外壳，其特征为：

外壳、芯轴、螺母和动子支架为铝合金；音圈为铜芯漆包线；第一定子磁钢、第二定子磁钢、第一动子磁钢和第二动子磁钢为铷铁硼。

外壳呈圆筒状，其内外侧表面均为圆柱面，一端端面开口，另一端面有底，底部中心钻有一圆柱形螺纹孔，用于与芯轴联接，螺纹孔附近另开有一小孔，用于漆包线导线穿出；芯轴为一圆柱体，两端均有螺纹，其中一端用于与外壳联接，另一端用于与螺母联接，以固定定子磁钢；螺母为外六角螺母，用于与芯轴联接，固定定子磁钢；动子支架顶部为圆盘状，圆盘下端面伸出两个圆柱环形支座，用于粘贴固定动子磁钢组；音圈支架为圆柱环结构，其一端外表面有矩形凹槽，用于缠绕音圈。第一定子磁钢和第二定子磁钢组成定子磁钢组，其中，第一定子磁钢为磁环或磁环组，第二定子磁钢为磁环或瓦形磁钢片组。第一定子磁钢和第二定子磁钢的充磁方向均为轴向，但磁极方向相反。第一动子磁钢和第二动子磁钢组成动子磁钢组，外形为磁环状，充磁方向为辐向。第一定子磁钢和第二定子磁钢沿轴向充磁，极性相反；第一动子磁钢和第二动子磁钢沿辐向充磁，它们的内表面的极性与第一定子磁钢靠近外壳底部一端的极性相同，外表面的的极性与第一定子磁钢靠近外壳底部一端的极性相反。

芯轴与外壳用螺纹副联接固定，第一定子磁钢套在芯轴上，再用螺母固定。第二定子磁钢如果为磁环，则套在外壳内，用强力粘胶固定到外壳底部，如果为瓦形磁钢片组，则粘贴在外壳内壁上。音圈支架固定在外壳的内底面上，与外壳同轴。第一动子磁钢和第二动子磁钢用强力粘胶固定在动子支架上圆柱环形支座端部，放置在定子磁钢组之间，与所述定子磁钢组同轴。音圈支架离矩形凹槽较远的一端用强力粘胶固定安装到外壳的内底面，与外壳同轴；音圈紧密缠绕在音圈支架上的矩形凹槽内，其两端线头经由外壳底部的小孔穿出。动子磁钢组通过强力粘胶固定安装在动子支架的圆柱环形支座端部，放置在定子磁钢组之间，与所述定子磁钢组同轴，此时，音圈支架及音圈刚好位于动子磁钢组的两个磁钢之间。由于两个动子磁钢相互平行，音圈周围会产生一个比较均匀的磁场，有利于对电机进行控制。

当音圈不通电时，动子磁钢组和定子磁钢组之间由于同性相斥，异性相吸的原理会产生一个特定大小的向上的推力。当音圈通以一定大小电流后，在该磁场中产生洛伦兹力，使磁钢之间的推力出现变化，从而实现对推力大小的调整。

由于该装置的定子磁钢组和动子磁钢组之间能够产生一个特定的静态补偿力，因此，可以利用该补偿力平衡运动部件的重力，而音圈只需要有很小的电流，即可实现对推力的调整，从而大大减小了电机的发热量。而且，利用悬浮的动子磁钢组之间的磁场分布，将音圈置于其间，结构也非常紧凑。

该电机在水平方向和垂直方向都具有较大行程，在非对称和一定偏转的情况下也具有稳定的轴向推力输出，且径向偏移力非常小。

该音圈电机克服了现有技术的缺陷，充分利用了磁钢之间的相互作用力，以及磁钢之间的磁场分布，能平衡运动部件的重力，同时达到小尺寸、低发热、、高行程和高频响的要求。由于电机的发热量很小，因此也无需附加冷却设备，大大简化了电机结构和重量，降低了设备成本。

附图说明

图1为本电机的外观示意图；

图2为本电机的二维剖面示意图；

图3为本电机的三维剖面示意图；

图4为本电机的原理示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图2所示，该音圈电机包括芯轴1、螺母2、第一定子磁钢3、动子支架4、第一动子磁钢5、音圈支架6、音圈7、第二动子磁钢8、第二定子磁钢9、外壳10。

外壳10呈圆筒状，内外侧表面均为圆柱面，一端端面开口，另一端面有底，底部中心钻有一圆柱形螺纹孔，用于与芯轴1联接，螺纹孔附近另开有一小孔，用于音圈7导线线头穿出；

芯轴1为圆柱体，两端均有螺纹，其中一端用于与外壳10联接，另一端用于与螺母2联接，以固定第一定子磁钢3；

螺母2为外六角螺母，用于与芯轴1联接，固定第一定子磁钢3；

动子支架4顶部为圆盘状，圆盘下端面伸出两个圆柱环形支座，用于粘贴固定第一动子磁钢5和第二动子磁钢8；

音圈支架6为圆柱环结构，其一端外表面有矩形凹槽，用于缠绕音圈7。

第一定子磁钢3为磁环或磁环组，第二定子磁钢9为磁环或瓦形磁钢片组。第一定子磁钢3和第二定子磁钢9组成定子磁钢组。其中，第一定子磁钢3和第二定子磁钢9的充磁方向均为轴向，但磁极方向相反。

第一动子磁钢5和第二动子磁钢8组成动子磁钢组。两个动子磁钢外形均为磁环状，充磁方向为辐向。

芯轴1与外壳10用螺纹副联接固定，第一定子磁钢3套在芯轴1上，安装到外壳10的底部，再用螺母2固定。第二定子磁钢9沿着外壳10内壁安装到外壳10底部，如果为磁环，则套在外壳10内，用强力粘胶固定到外壳10底部，如果为瓦形磁钢片组，则粘贴在外壳10内壁上。音圈支架6离矩形凹槽较远的一端用强力粘胶固定安装到外壳10的内底面，与外壳10同轴；音圈7紧密缠绕在音圈支架6上的矩形凹槽内，其两端线头经由外壳10底部的小孔穿出。动子磁钢组通过强力粘胶固定安装在动子支架4的圆柱环形支座端部，放置在定子磁钢组之间，与所述定子磁钢组同轴，此时，音圈支架6及音圈7刚好位于动子磁钢组的两个磁钢之间。由于两个动子磁钢相互平行，音圈7周围会产生一个比较均匀的磁场，有利于对电机进行控制。

第一定子磁钢3和第二定子磁钢9沿轴向充磁，极性相反；第一动子磁钢5和第二动子磁钢8沿辐向充磁，它们的内表面的极性与第一定子磁钢3靠近外壳10底部一端的极性相同，外表面的的极性与第一定子磁钢3靠近外壳10底部一端的极性。

根据同性相斥，异性相吸的原理，第一定子磁钢3靠近螺母2的一端将会对第一动子磁钢5和第二动子磁钢8的内表面产生吸力，对第一动子磁钢5和第二动子磁钢8的外表面产生斥力，由于第一动子磁钢5和第二动子磁钢8内外表面距离第一定子磁钢3的磁极的距离不同，吸引力大于排斥力，又因为电机结构的对称性，会形成一个沿电机轴向向上的合力。同样，第一定子磁钢3靠近外壳10底部的一端将会对第一动子磁钢5和第二动子磁钢8的内表面产生斥力，对第一动子磁钢5和第二动子磁钢8的外表面产生吸力，由于内外表面距离第一定子磁钢3的磁极的距离不同，排斥力大于吸引力，又因为电机结构的对称性，也会形成一个沿电机轴向向上的合力。

同理，第二定子磁钢9对动子磁钢组也产生一个向上的合力。

这样，在不通电的情况下，定子磁钢组和动子磁钢组间便产生了一个很大的轴向力。此时，磁力线从第一定子磁钢3出发，从第一动子磁钢5和第二动子磁钢8的圆柱面平行穿过，然后穿过第二定子磁钢9两极，最后回到第一定子磁钢3，形成闭合回路。

由于第一动子磁钢5和第二动子磁钢8同轴安装，且共同运动，因此，在第一动子磁钢5和第二动子磁钢8之间形成了一个比较稳定的匀强磁场。音圈7刚好位于该磁场中，并且与磁场方向垂直。

当音圈7中通电时，根据洛伦兹力原理，音圈7与第一动子磁钢5和第二动子磁钢8之间会产生一个相互作用力，合力的方向也为轴向，而音圈7和音圈支架6与定子磁钢组一样，都固定在外壳10上，所以音圈7与动子磁钢组之间产生的作用力可以对定子磁钢组和动子磁钢组之间的轴向作用力进行调节。

根据以上所述，对音圈电机进行了仿真(如图3所示)，其外径为74mm，高度为65mm，轴向行程±2mm，不通电时，可平衡高达52.542N的重力。在音圈电流密度为4A/mm2情况下，可轻松实现±5.678N的调节力，温升小于10℃。当需要较大加速度时，可瞬时输出±14.196N的调节力。且当动子与定子之间出现±2mm的水平位移偏差时，偏移力小于±2N，对浮力的影响小于±2N；当动子相对于定子有±5°的旋转偏移时，产生的偏移力小于±1N，产生的力矩几乎为0，对浮力的影响也几乎为0。

Claims

1.一种具有磁浮重力平衡功能的音圈电机，其特征在于，该音圈电机包括定子磁钢组(3，9)、动子磁钢组(5，8)和音圈(7)，所述定子磁钢组(3，9)充磁方向为轴向，所述动子磁钢组(5，8)充磁方向为辐向，两磁钢组之间的相互作用力轴向向上，并平衡所述动子磁钢组(5，8)的重力，使所述动子磁钢(5，8)悬浮于音圈电机中，所述音圈通电时与动子磁钢组(5，8)之间产生的洛伦兹力，用于调节所述两磁钢组之间的相互作用力的大小。

2.根据权利要求1所述的一种具有磁浮重力平衡功能的音圈电机，其特征在于，所述定子磁钢组(3，9)包括第一定子磁钢(3)和第二定子磁钢(9)，所述动子磁钢组(5，8)包括第一动子磁钢(5)和第二动子磁钢(8)，该第一动子磁钢(5)和第二动子磁钢(8)呈环状间隔分布于第一定子磁钢(3)和第二定子磁钢(9)之间。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有磁浮重力平衡功能的音圈电机，其特征在于，所述的音圈电机还包括芯轴(1)和呈圆筒状的外壳(10)，所述芯轴(1)固定于外壳(10)底部，并与外壳(10)同轴，所述第一定子磁钢(3)套装在该芯轴(1)上，所述第二定子磁钢(9)绕外壳(10)内壁呈环状安装。

4.根据权利要求1-3之一所述的一种具有磁浮重力平衡功能的音圈电机，其特征在于，所述的音圈电机还包括动子支架(4)，其顶部为圆盘状，圆盘下端面伸出两个圆柱环形支座，所述第一动子磁钢(5)和第二动子磁钢(8)分别固接于该动子支架(4)的两个圆柱环形支座上并一起悬浮于音圈电机中。

5.根据权利要求1-4之一所述的一种具有磁浮重力平衡功能的音圈电机，其特征在于，所述的音圈电机还包括一与外壳(10)同轴的音圈支架(6)，设置于所述呈环状的第一动子磁钢(5)和第二动子磁钢(8)之间，其一端外表面有凹槽，用于缠绕所述音圈(7)。