CN102844972B - 具有可动磁体的机电转换系统；包括所述系统和产生声波的可动构件的声扩散器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机电转换系统，该机电转换系统包括：固定支撑结构、相对于固定支撑结构可动的可动元件；至少一个励磁线圈；以及至少一个用于产生激励磁场的永久磁体。永久磁体与可动元件形成为一体，线圈与固定支撑结构形成为一体。另外，铁磁回路相对于该固定支撑结构被固定并与永久磁体相互配合。

Description

具有可动磁体的机电转换系统；包括所述系统和产生声波的可动构件的声扩散器

技术领域

本发明涉及一种机电转换系统，该系统包括永久磁体结构和导电线圈，形成激励信号的可变电流在导电线圈中循环，从而引起线圈和永久磁体之间的相对运动。

本发明还涉及一种声扩散器，该声扩散器包括机电转换系统以控制振动膜的运动，振动膜在来自于放大器的电信号的控制下产生声波。

背景技术

传统电动力式转换系统通常使用的结构由两个基本部件构成：磁体结构和可动部件，磁体结构与声扩散器的固定部件形成为一体，磁体结构产生所必须的激励静态磁场；可动部件主要由线圈构成，线圈被重复产生的电信号激励，可动部件被牢固地约束到辐射振动膜上，该振动膜构成该系统的机械-声耦合元件。

尽管这种结构被广泛使用，但是这种结构会受到可能会在实施过程中产生一些重要的限制：

1)由线圈、振动膜和各机械限制元件形成的可动部件必须十分轻，否则会大大降低电-声转换效率；

2)电-声转换器的可动部件(由线圈形成)必须电连接到线圈的供电系统中。该供电系统通常与和线圈分离的机械部件形成为一体。这通常通过柔性电连接件来实现，但是可动元件移动范围大的情况下柔性电连接件会承受机械应力，或者在激励电流大的情况下柔性电连接件会承受电应力，或者柔性电连接件甚至同时承受这两种类型的应力；

3)需要保持磁路中的空气间隙的机械精度高，以防止可动线圈摩擦磁路的固定部件；

4)由于磁感应强度的减小与空气间隙的尺寸紧密相关，因此增加耦联容许度以更松散地耦联相对运动的部件也是极其没有效果的；

5)可动部件进行运动所需的电能基本消耗在可动线圈中，从而使得不能高效散热的机械强度小的部件承受了很高的热应力；

6)构成可动线圈的导线的质量会影响该系统的转换效率，因此导线不能太重并因为上述原因而不能消散大量能量。

发明内容

本发明的目的是提供一种电动力转换系统，可完全或部分地克服传统系统中的一个或更多个缺点。

实际上，本发明实现了部件功能的转换，即，使用了可动部件作为磁性激励结构，并将电激励部件(即线圈)设置为与声扩散器的固定结构形成为一体。

上述类型的解决办法已经是公知的，但是本发明的具体实施方式可获得相当高的转换效率，并可使用在高保真系统的音响装置中，并且可保证较高的机械强度。

通常，公知类型的可动磁体系统不能保证空气间隙中的感应足以产生本发明的应用所需的足够大的力。最大的问题是：由导电材料制成的励磁线圈通常是非铁磁性的。因此，带有固定线圈和可动磁体的公知系统不会在由电动力转换系统的部件形成的磁路中得到低磁阻，因而需要大量磁性材料来增加循环磁通量。磁性材料量的增加是非常不利的因素，因为这会增加系统的可动质量。为此原因，带有固定线圈和可动磁体的系统还未被应用到高性能的声扩散器中。

相反，本发明用于生产一种固定励磁线圈，该固定励磁线圈是通过低损耗铁磁材料结合非磁性导电材料制成的。

通过结合这两种材料并构建几何形状，可获得不会对可动的永久磁体的感应效率带来明显不利影响的固定励磁线圈，且该固定励磁线圈的电阻值可随意减小，从而与所需的尺寸和重量相适应。

实践中，根据一个实施例，本发明提供了一种电磁转换系统，该系统包括：固定支撑结构、相对于所述固定结构能够运动的可动元件、至少一个励磁线圈以及至少一个用来产生激励磁场的永久磁体；其中所述可动元件与所述永久磁体形成为一体，励磁线圈与所述固定支撑结构形成为一体；其中，所述励磁线圈与铁磁回路相连接或所述励磁线圈自身形成相对于固定结构被固定的铁磁回路。

在上述第二种情况下，形成所述励磁线圈的电导线必须具有铁磁性质。其中，所述导线为具有矩形截面的条形形状，该矩形截面具有较大尺寸部分和较小尺寸部分，导线截面的较大尺寸部分平行于线圈的轴线，导线截面的较小尺寸部分垂直于线圈的轴线，卷绕所述条形导线以形成相互叠置并逐渐远离线圈的轴线的线匝。

优选地，电导线用来制造励磁线圈，一种不同的铁磁材料用来制造固定的铁磁回路。在某些实施例中，铁磁材料可以是多层薄片或板的形式，它们至少部分地插在线匝之间。

可选地，插入到线圈的线匝之间的铁磁材料板从线圈的第二表面突出，该第二表面平行于所述第一表面。

可选地，铁磁材料板至少从线圈的第一表面突出，该第一表面垂直于线圈的轴线；所述铁磁材料板的突出部分与所述铁磁回路的设置在线圈外侧的部分相面接。

简言之，上述转换器或称为机电转换系统或称为电动力转换系统的结构使励磁线圈的电阻值能随意降低，而不需要增加可动磁性材料量，也不需要降低作为该系统的可动元件的给定类型磁体的感应效能。

换句话说，通过本发明，相对于其他磁性参数(感应)和机械参数(可动质量)而言，可单独减小固定励磁线圈的磁阻。

下面将具体介绍一种系统，该系统用来将电能转换为机械能以产生可施加到可动部件上的作用力，并因而在如有必要时导致可动部件的受控于电信号的移动。还将具体描述该转换系统用于声音产生装置(即，例如声扩散器的马达)的应用。

但是，应该理解：也可相反地应用根据本发明的转换系统，即将作用力和位移转换成电能，并因而例如可制成位移或振动传感器，该传感器产生电信号，所述电信号是应用了所述传感器的构件的位移或作用在该构件上的机械应力的函数。在某些应用中，也可使用该转换系统来产生有用的电能，即将机械能转换成电能以供存储或直接使用。

根据本发明的某些实施例，设置有机械结构，在该机械结构中，由条式导线形成的基本上为矩形的绕组形成了固定励磁线圈，该条式导线包括以固定间距插入到线圈的线匝之间的铁磁元件，从而使得沿线圈卷绕轴线的磁导率较高。铁磁元件优选由优选平坦的多层薄片或板构成，所述薄片或板由铁磁材料制成，所述薄片或板优选设置在由导电材料制成的相邻线匝的直线连续部分之间。优选地，形成线圈的导线是条形，在这个意义上，导线的截面是矩形，其一条边比另一条边要长得多，较长的边平行于线圈的卷绕轴线(下面表述为Z轴)。

在本发明的优选实施例中，电机或电磁转换系统通过以下方式组装：沿Z轴叠置两个或更多个如前面限定的那样制造的矩形线圈，然后将它们串联或并联地电连接、或以单独被激励的方式将它们电连接。另外，一个或更多个永久磁体被约束到可动元件，所述可动元件插在通过将线圈适当地相互隔开而形成的空间内部。在其它效果稍差的实施例中，可以设置与固定铁磁回路相联的单一线圈。

为了形成完整的静态磁路，插入到线圈的线匝之间的所述板与磁路位于一个线圈或多个线圈外侧的部分连接。磁路的这些部分又可以以公知方式由多组板形成，以防止或减少由大量铁磁材料中的涡电流引起的损耗。

在某些实施例中，可动元件包括至少两个磁性部分，即两个永久磁体，它们基本上为矩形。在某些实施例中，合适地构造磁体的形状以产生朝向磁阻最小的位置的回程力，下面将更详细地对此进行描述。对永久磁体进行定向以在闭合回路内建立磁通量的静态循环，所述闭合回路由插入到励磁线圈的线匝之间的板和磁路的设置在线圈外侧的部分形成，从而在线圈和空气间隙的外侧形成了回路的磁性闭合部分，所述空气间隙是通过插入到这些线圈的线匝之间的板在线圈之间形成的。

在铁磁结构内的可动元件处于磁平衡状态，由此使得朝向磁路的两个闭合元件的吸引力实质上完全相等。实际上，由于永久磁体设置在铁磁回路的两相对部分之间，因此磁体和回路中的铁磁体之间的吸引力是平衡的，并且可动元件保持悬浮，即“悬置”在相对的两线圈之间，在相对的两线圈之间，空气间隙形成在插入到线圈的线匝之间的板的突出边缘之间。

优选地，某些实施例也提供了低摩擦片材，所述低摩擦片材设置在彼此相对的励磁线圈的表面上，所述表面面向可动元件。这样，尽管施加在可动元件上的磁力(该磁力平行于同轴且相对布置的线圈的Z轴)由于磁路的几何形状而在很大程度上是平衡的，但是，由于设置有所述片材，因此外力所引起的任何结构上的缺陷、误差或扰动都通过低摩擦连接方式承受，其中所述片材界定了空气间隙的空间，与一个磁体或多个磁体形成为一体的可动元件被容装在所述空间中并在所述空间中运动。所述片材可由聚四氟乙烯(PTFE)或其它低摩擦系数材料制成。

另外，根据本发明的某些实施例，在空气间隙中可使用液态铁磁材料或“铁磁流体”作为润滑剂。这些铁磁液体润滑剂的优点是：存在由可动磁体产生的静态磁场，并且由于磁场作用，润滑剂合适地分布并保持在可动元件的磁体和低摩擦片材的磁体之间的最大摩擦区域中。在可动磁性元件和固定励磁线圈之间进行相对运动期间，这些流体可产生有效的流体动力润滑。在其它实施例中，以石墨或具有类似润滑属性的其他物质为基础，可使用干润滑剂。在另外的实施例中，可通过支承件(例如滚动式支撑件)来支撑该装置的可动部件。

可容易地改变永久磁体的几何形状来实现一些有用的作用：

1)沿垂直于线圈的卷绕轴线且垂直于可动元件的运动方向的轴(后面将称之为X轴)确定磁心，其中线圈中的电激励信号引起所述可动元件的运动。这可以通过合适地设计磁路以使可动元件确定地朝对称结构的中心轴返回而实现，其中所述中心轴平行于可动元件的运动(所述运动是由电信号感应引起的)方向。所述确定磁心是可能的，从而形成了这样的路径：在该路径中所需的静止位置处磁阻最小；又利用由永久磁体构成的磁性结构的几何形状使得每次从该静止位置很小的偏离都会引起磁阻很大的变化；

2)相对于静止位置沿平行于可动元件的运动方向的轴(后面称之为Y轴)形成了弹性磁回程。在某些应用中，优选地，在主运动方向(即平行于Y轴的方向)上具有线性回程力。在本发明中，又可以通过磁体的特殊的几何形状来配置可动元件，从而获得的回程力磁性地模拟F＝-KY类型的弹性回程力，其中F为回程力，K为常量，Y为沿Y轴的位移。通过合适地构造可动元件的形状，所产生的回程力的线性度和一致性可以很高。通过合适地改变磁路的几何形状，相对于理想的线性弹性力可在不同作用侧面上产生回程力；

3)沿Y轴在主运动方向上产生磁性“止动”效果，而不会遭受磨损或损害，这是基于可动元件的结构的几何形状、固定的励磁线圈的几何形状和系统的外壳结构的几何形状而实现的。

在某些实施例中，根据本发明的系统提供了一种可动元件，该可动元件具有相互机械连接并设置在两线圈之间的至少两个永久磁体，相对于一平面以基本对称的方式构造和定位所述两个永久磁体，其中所述平面垂直于线圈彼此相对的表面并垂直于可动元件运动的主运动方向(沿所述Y轴)，其中所述主运动是由所述线圈中的电流循环引起的。优选地，将两个永久磁体的极性设置为相反，即，一个永久磁体的北极朝向第一线圈，其南极朝向第二线圈，而另一永久磁体的南极朝向第一线圈，其北极朝向第二线圈。

在某些实施例中，可动元件的每个永久磁体均包括面向空气间隙外侧的边缘，所述边缘基本垂直于沿Y轴进行主运动的方向，所述可动元件的运动是由线圈中循环的电流而引起的。所述边缘中的每个边缘具有倾斜的端部部分，所述端部部分形成了磁性材料附属部分，该附属部分相对于相应的所述边缘的中央部分朝空气间隙外侧延伸。形成在每个永久磁体上的磁性材料附属部分相对于平行于主运动方向的平面基本对称。下面将参照一些实施例更好地对此进行描述，由于磁体的端部所形成的形状，因而实现了可动元件相对于中心静止位置定心和返回的效果。同时，磁体边缘的直线部分磁性地形成止动，从而限制了可动元件和固定励磁线圈之间的相对运动，其中所述直线部分垂直于运动方向并平行于形成所述线圈的线匝的直线部分。

在本申请中说明了机电转换系统的其他有益特征和实施例。

根据本发明所采纳的实施例的系统的结构还具有一个或更多个其他优点，这些优点总结如下：

1、不需要电导线来连接相对运动的部件，这是因为可动部件是永久磁体的简单布置结构，不需要任何类型的电连接来激励；

2、显著增加了散热部件的尺寸和表面积，这是因为由于励磁线圈、系统的散热部件是大尺寸外部元件，因此它们可容易地被冷却；

3、减小了磁性材料的使用量，由于磁性材料质量高，与具有相同性能的传统可动线圈的系统相比，本发明的系统的使用效率可为现有的系统大约20倍；

4、生产简单，不需要特殊的机械连接装置；

5、随着时间的推移，可保证系统的耐久性和性能的稳定性。顺便提到，由于所述回程力、定心以及止动都是通过磁路的合适结构来实现的，因此随着时间的推移这些值是可预测的并保持稳定，这是因为它们不会遭受机械磨损和老化。在传统技术中，易受影响的部件的磨损、机械悬置件老化，以及可动线圈电阻随着所提供的电能的变化而产生很大的变化，这些都会根据使用条件和老化现象而导致不可预见、也无法改变的状况；

6、机械强度：该系统基于具有磁性平衡、受控的摩擦的运动，如果需要还可以具有流体动力润滑或滚动支承件，这使得该系统能承受相当大的偏心应力而不会对系统造成上述损害；

7、提高了电-声转换效率；

8、容易维护，这是因为，在长期使用而出现磨损现象的情况下，线圈/可动元件组件容易拆卸、检测和修理；

9、仅通过合适地构造可动元件的结构就可容易地改变偏移量和受力性能，而不需要改变励磁线圈和铁磁闭合回路的基本结构。

附图说明

通过下面的描述及附图，将更透彻理解本发明，这些附图示出了本发明的非限制性的实际实施例。具体而言，在附图中：

图1示出了带有可动线圈的传统机电转换系统的轴向截面；

图2示出了沿平行于卷绕轴线且平行于根据本发明的转换系统的可动元件的运动方向的平面的截面；

图3示出了根据图2的III-III线(即，沿垂直于线圈的卷绕轴线Z的平面)所示的视图；

图4是类似于图3的截面图，示出了磁体的改进实施例；

图5是类似于图4的截面图，其中可动元件在由励磁线圈上的电信号引起的主运动方向上移动；

图6示出了根据图2的VI-VI线(即根据垂直于X轴的平面)所示的视图；

图7是类似于图6的视图，但其中可动元件相对于平行于X轴的方向横向移动；

图8是分解图，示出了根据本发明的系统的改进实施例；

图8A是类似于图8的分解图，示出了一改进实施例；

图9示出了声扩散器的透视图，该声扩散器使用了两个根据本发明的机电转换系统；

图10示出了图9中的声扩散器的振动膜的后部透视图；

图11和12示出了根据本发明的转换系统的改进实施例的截面图，该实施例的结构中仅使用了一个励磁线圈；

图13和14示出了根据本发明的转换系统，该转换系统相对于图1至7所示的实施例而言是变化的实施例。

具体实施方式

图1示出了一种具有可动线圈的传统型的机电转换装置或系统的简图。该系统整体用标记1表示，所述系统包括永久磁体3，在图1中永久磁体沿轴向平面的截面是环状。环状永久磁体3被插入铁磁回路内部，该铁磁回路包括外部部分5、轴芯7和环形部分9。字母B表示回路5、7、9内的磁通，而N和S分别表示永久磁体3的北极和南极。可动线圈11由绕成螺旋状的电导线形成，可动线圈插入到铁磁回路的环形部分9和轴芯7之间界定的空气间隙中。可动线圈11通过导电元件13和15连接到两个外部接头17和19，所述两个外部接头表示为用于将激励信号供给可动线圈11的电路的正极和负极。将电信号供给线圈11会引起线圈以公知方式相对于固定磁体运动。

已经在说明书的背景技术部分提到过这种类型的传统系统的缺点。

图2在沿包括线圈的卷绕轴线的平面的截面中示出了根据本发明的机电转换系统。为方便简单参照，图2及后面直到图7的各图中示出了用X、Y和Z表示的三维笛卡尔坐标轴。Z轴平行于机电转换系统的励磁线圈的卷绕轴线，Y轴平行于施加到下述可动元件(永久磁体与该可动元件形成为一体)上的作用力的方向，该作用力是由供给到线圈的电信号感应而产生的。如果该可动元件可自由运动，那么该作用力会引起该元件在与Y轴相同的方向上运动；字母X表示垂直于线圈的卷绕轴线Z且垂直于可动元件的主运动轴线Y的轴。

在所示的实施例中，机电转换系统整体用标记21表示，机电转换系统包括两个基本对称的部件23和25。部件23(也参照图3)包括线圈29，所述线圈是通过绕Z轴卷绕条形导线而形成的，即由截面为细长的矩形的一条导电材料(该导电材料通常为铜但不是必须为铜)形成。在所示的实施例中，该截面的长侧和短侧之间的比大于10。形成线圈29的导线绕组使得线圈基本上呈现为矩形(图3)。基本上为矩形是这样一种形状：其中，形成线圈29的各导电线匝的基本上为直线的部分是一致的。另外，绕组的直线部分具有不同长度，上述不同长度限定了矩形线圈的长侧和短侧。通过形成了线圈29的导线的绕组的弯曲区域来连接矩形的长侧和短侧。由线圈29的条形导线形成的线匝在相同位置上沿Z轴彼此并排伸展，即这些线匝形成了一组线匝，该组线匝的轴向延伸距离等于条形导电材料的高度。卷绕条形导线以使得条形导线的窄长的矩形截面的长边平行于卷绕轴线Z。

铁磁材料板31插在线圈29的连续线匝之间。在某些实施例中，在每一线匝和相邻线匝之间可设置两块板。如图2和3所示，板31具有基本上平坦的延伸部分，且所述板在由线圈29的绕组形成的矩形线圈的长边插入到线匝之间。换句话说，板31位于平行于XZ平面的平面上，并在X轴方向上具有窄长的矩形延伸部。

在本发明的某些优选实施例中，如图所示，板31在线圈的两面上从形成线圈29的线匝突出。在外侧面(即，与转换系统21的部件25相反的面)上，铁磁回路33的外侧部分与板31连接。铁磁回路33的该部分优选可以由一系列由铁磁材料制造的板34构成，由铁磁材料制成的这些板彼此电隔离以限制涡电流的循环。

机电转换系统21的部件25基本上与上述部件23对称。在图中，标记39表示第二励磁线圈，该第二励磁线圈也由条形导线形成。标记41表示插入到由形成线圈39的导线形成的线匝之间的板，标记42表示铁磁回路的一部分，该部分与板41朝外侧突出的部分连接，标记44表示形成了铁磁回路43的一部分的板。

空气间隙45形成在机电转换系统21的两部件23和25之间，空气间隙容纳可动元件(该可动元件示意性地用标记47表示)，励磁线圈29和39中的电流循环会在与所述可动元件形成为一体的永久磁体上产生作用力，该作用力使得可动元件按照双箭头F以受控的方式运动。激励信号通过用于线圈29的电连接件49、51和用于线圈39的电连接件53、55供给到这些线圈。箭头B表示永久磁体57和59产生的磁场的静态磁通，所述永久磁体是可动元件47的一部分，下面还将该可动元件表示为可动磁性元件。

特别从图2中可看出，这些永久磁体的北极和南极方位被设置成相反，其中南北极的符号用字母S和N表示。换句话说，磁体57的南极面向励磁线圈29，北极面向励磁线圈39；而磁体59的北极面向线圈29，南极面向线圈39。这种结构使得永久磁体57和59产生的静态磁场在由板31、41、44和34形成的铁磁回路中循环(沿箭头B)。由于铁磁回路和永久磁体的这种布置，可动磁性元件基本上悬置在空气间隙45中。例如从图2可看出，以下列方式来定向磁场B的磁通：铁磁回路在线圈39内侧的部分中，磁通基本上平行于线圈轴，因而磁通也平行于板31的主表面以及形成线圈39的条状导电材料的主表面。铁磁回路在线圈39外侧的部分中(即在板34、44中)，磁通B定向为基本上垂直于板31、41的主表面以及线圈39的轴线的方向。应该理解为：在板34、44和板31、41之间的过渡区域中，磁力线(即描绘磁场分布的线)是弯曲的。上面限定的“平行”和“垂直”的状态必须旨在参照铁磁回路各部分的中央区域，没有考虑边界效应。

可以从上面的描述中理解的是：根据本发明的机电转换系统包括固定部件(相对于外部结构而言，例如为声扩散器的外壳)，固定部件包括由励磁线圈29和39构成的导电部件和限定了铁磁回路33、31、41、43的铁磁部件这两者。可动磁性元件47设置在限定于铁磁回路内侧的空气间隙45中。

图3示出了永久磁体57和59的第一种可能形状，从图3可以看出，这些永久磁体在沿装置的X轴方向上为窄长的形状，从而永久磁体的长侧平行于线圈29和39的矩形绕组的长侧。图3中已经省略了两永久磁体57和59之间的机械连接结构，而在图2中用线条47示意性表示该机械连接结构，后面将参照图8描述该连接结构的实际实施例。图3中所示的位置为磁体57和59的静止位置，相对于平行于线圈29和39的X轴的中间的平面而言该位置位于中央。

图4示出了改进的实施例，在该实施例中，永久磁体57和59的形状基本上为矩形，但配置有面向空气间隙外侧的成形的附属部分，因而该附属部分也面向线圈的外侧，具有磁体57和59的可动磁性元件47容纳在所述线圈之间。

更具体而言，在图4的实施例中，每个永久磁体57、59分别具有直线边缘57A和59A，所述直线边缘面向空气间隙的中央并平行于X轴，因而也平行于线圈绕组的每个线匝的长段部分。每个磁体也具有尺寸较小的两边缘57B和59B，该尺寸较小的两边缘平行于Y轴并横向地朝向空气间隙的外侧。最后，每个磁体均分别具有朝向空气间隙45外侧的边缘，所述各边缘分别由分别平行于边缘57A和59A的中央直线部分57C和59C以及成形的末端部分57D和59D形成。在所示的例子中，成形的部分57D和59D相对于X轴和Y轴线性地倾斜，而中央直线部分57C平行于X轴并垂直于Y轴。也可以将两磁体的边缘的所述部分57D、59D设置为不同形状，例如，分别具有凹面曲线或凸面曲线形状、具有阶梯形状或具有适于下文描述的目的的任何其它合适形状。在任何情况下，两边缘中的每个边缘的直线部分57C、59C相对于所述成形的区域57D、59D而言长得多。另外，边缘57C、57D和59C、59D的形状使得磁性材料制的附属部分57E和59E被形成为在Y方向(即，由供给到励磁线圈29和39的电信号引起的可动磁性元件的主运动的方向)上朝空气间隙45外侧突出。

这种具体结构可以产生三个附加作用，现在将具体参照图4至7来描述这些作用。

在图4中，与永久磁体57和59形成为一体的可动磁性元件47相对于线圈29和39的绕组位于中央位置上。对于插入有一对磁体57、59的磁路来说，该位置是磁阻最小的位置。当外力导致可动磁性元件按照Y轴而沿运动的主方向移动时，可动磁性元件可以位于图5所示的位置，在该位置永久磁体59的磁性材料附属部分59D至少部分地从铁磁回路中突出。由于这种移动，回路中的磁阻增加，因而磁性回程力(用标记FRY表示)施加到与永久磁体57、59形成为一体的可动磁性元件47上，从而倾向于使整个系统返回到能量最小的状态(即图4的磁阻最小的状态)。

通过观察图5可容易理解到：回程力FRY随着从图4所示位置朝图5所示位置移动的位移而线性增加。这是因为：永久磁体59的边缘部分59D的形状使得磁性材料逐渐朝磁路外侧移动的质量在线性增加。因此，磁性回程力具有线性特性，这种线性特性相当于弹性力的线性特性。通过不同地构造边缘59D的形状，对于可动磁性元件沿Y轴移动的位移，可以得到不同的回程力FRY的特性。

回程力FRY实质上相当于弹性返回元件施加的弹力。但是，与采用机械式弹性元件(例如螺旋弹簧)时所发生的不同，在本方案中，作用力是磁场产生的，而不是机械元件产生的，因而该作用力适时保持不变，也不会对系统中的任何机械元件造成磨损。

永久磁体57、59在相反方向运动时会产生相反方向上的作用力，因而，永久磁体57的附属部分57E从由形成了系统的固定铁磁回路的铁磁板限定的空间移出。

边缘的直线部分57C和59C面向外侧并垂直于永久磁体57和59的Y轴，所述边缘的直线部分具有另外的作用。

通过观察图5可清楚看出：磁体59倾向于一直在Y方向(在图5中进一步朝右的方向)上移动，直到边缘部分59C超出形成了静态的外部铁磁回路的板组的外侧边缘，此时，回程力FRY突然增加。该回程力的突然增加等同于抵靠在机械元件上的效果。通过线圈中的电信号或任何其他外部干扰而在可动磁性元件上产生的磁力并不足以克服到达该位置时所产生的回程力。因而，通过合适地构造永久磁体57、59的形状，可达到一种等效于机械止动器的效果。由于以类似方式构造磁体57的边缘57C的形状，因此在沿平行于Y轴的主运动方向的两个方向上都实现了止动，这防止了可动磁性元件47从空气间隙45中移出。

达到类似的效果以保证使具有永久磁体57、59的可动磁性元件47在X方向(即垂直于主运动方向(Y轴)的方向)上位于中央。这可通过观察图4、6和7可容易理解到，其中图6和7是根据图2和4的VI-VI线所示的前视图。在附图中可以看出，永久磁体57、59沿X轴的长度基本上等于分别插入到形成线圈29的绕组线匝之间和形成线圈39的绕组线匝之间的板31和41的长度。因而，磁体将倾向于位于图6所示的位置，在此位置铁磁回路的磁阻最小。沿X轴的横向移动(如图7所示)导致立即产生强回程力FRX(如图7所示)，该回程力FRX会阻止这种运动。沿X轴的最小位移也会立即产生回程力FRX，这是因为永久磁体57、59在X方向上的长度等于或基本上等于板31和41的长度。

这样，与永久磁体57和59形成为一体的可动磁性元件47沿X方向自动地位于中央。在这种情况下，不需使用承受磨损的机械元件也能达到等效于机械止动器的引导和抵靠效果。

图8以分解图示出了基于上面参照图2至7的简图所描述的结构的机电转换系统的结构的实施例。该图中相同的附图标记表示与上面描述的那些部件相同或等同的部件。

图8中，机电转换系统21容装在具有两个壳体61和63的盒状容器中，线圈29和铁磁回路31、33的相应部分一起设置在壳体61中，而线圈39和铁磁回路41、43的部分一起设置在下部壳体63中。分别限定线圈29的连接件49、51和线圈39的连接件53、55的套管式连接件从壳体61和63中突出。

容纳在壳体61和63内的所有部件嵌入注塑树脂中(图中未示出)，从而对树脂进行硬化之后可通过机械研磨来机械加工外表面。这可实现高精度水平，从而使连接壳体61和63之后所形成的空气间隙的公差达到最小。两者之间的平坦程度越高，由吸引力之间的不平衡而引起的可动部件和固定部件之间产生的摩擦力就越小。

实际上，从上面的描述可理解：在理论上来说，由于施加在铁磁回路和永久磁体之间的磁性吸引力之间完美地得到平衡，因此具有永久磁体57、59的可动磁性元件47会悬置在空气间隙45中。但是，这种不接触的悬置是一种理想状况，由于不可避免地存在的微小不平衡会导致固定部件和可动部件之间相互接触，因而这种理想状况实际上是不存在的。通过上述精确研磨操作可使这种接触所产生的摩擦力最小。

为了限制由在一侧的可动磁性元件47和磁体57、59构成的可动部件和由铁磁回路31、41、33、43和线圈29、39构成的固定部件之间的摩擦，由具有低摩擦系数材料形成的片材或膜层(用标记71和73表示)设置在固定部件的研磨表面上。这些片材可由PTFE或其它具有低摩擦系数材料制成。它们在一侧与系统的固定部件接触，而在另一侧与可动磁性元件47和永久磁体57、59接触。膜层71和73面向空气间隙的表面上也可另外设置有润滑剂。例如，通过使用称之为“铁磁流体”的铁磁液(图中未示出)来实现这种润滑。这种液体特殊的铁磁特性会导致：这种液体通过简单的磁性吸引而被保持在空气间隙45内，并且液体会集中在位于一侧的可动磁性元件47和磁体57、59与位于另一侧的低摩擦膜层71、73之间的摩擦力可能达到最大的位置处。

在图8所示的实施例中，可动磁性元件包括一种结构(其仍用标记47表示)，此情况下，该结构由一种合适磁性材料制成的格栅形成，该格栅形成了用于容纳和保持永久磁体57、59的支座。在某些实施例中，该结构47由玻璃纤维填充的尼龙(glass-fillednylon)制成，但是也可由其他合适材料制成。在结构47内限定了支座47A，如果需要可将永久磁体57、59保持和粘附在支座47A中。

在上面的描述中，已经介绍了一种简化构造，该构造中，仅有与结构47形成为一体的两个永久磁体57，59设置在空气间隙45中。但是，在图8所示结构的实施例中，结构47具有四个支座，用于支撑两对永久磁体(仍用标记57和59表示)。实际上，设置有沿X轴相互对齐的两个永久磁体57、以及与之相对的沿X轴相互对齐的两个永久磁体59，每对永久磁体57、57和59、59的作用与单个上述永久磁体57和单个上述永久磁体59的作用相同。另外，在图8中可以看出，每个永久磁体57、59可以设计有用于上文所限定的目的的直线边缘和附属部分，直线边缘平行于X轴，附属部分在Y方向上朝空气间隙45外侧突出。

将结构47的形状设计成在Y方向(即施加给可动磁性元件47、57、59的电磁力引起的主运动的方向)上具有高抗拉强度。在某些实施例中，结构47具有带孔的栅格或格栅形式，以减小重量以及减少所述结构与低摩擦膜层71、73之间的接触表面，从而进一步减小了这些元件之间产生的摩擦力。

组装期间，两壳体61、63相互叠置，线圈29、39相互面向对方，具有标准厚度的间隔件70插入线圈之间。这些间隔件70限定了线圈的支撑面的距离，因而在所产生的铁磁回路内限定了空气间隙45的尺寸。间隔件70由非磁性材料制成，例如黄铜、铝、青铜或耐压强度高的塑性材料，以可防止磁通经过不期望的路径循环。通过相互限制并支撑壳体61、63的夹紧元件72、74来完成该装置。夹紧元件72、74也优选由非磁性材料(如不锈钢)制成，以避免形成不期望的磁闭合回路。

沿结构47面向空气间隙外侧的边缘47B设置构件48，以将可动磁性元件47、57、59限制到声扩散器的振动膜上或限制到必须由上述机电转换系统操作的任何其它构件上。

相对于图8所示的实施例，图8A示出了一改进实施例的分解图，。图8A中相同的附图标记表示图8中的相同或等同元件。在该实施例中，省略了由低摩擦系数材料制成的片材71和73。此情况下，可动磁性元件47包括容装在可动磁性元件47的框架结构中的两个永久磁体57、59，而不是四个永久磁体。但是应该理解为：这种结构中可设置不同数量的永久磁体，例如四个永久磁体(如图8所示)。可动磁性元件47配置有支承部件如球形支承部件60，在相对的导向器62中引导该支承部件，其中导向器与通过连接壳体61、63而形成的容器形成为一体。这些支承部件取代了图8中所示的低摩擦片材71、73。在未示出的其它实施例中，可不同地设计支撑和滑动系统，例如可使系统带有滑动件或其它低摩擦支撑件，其在类似于导向器62的导向器上滑动并且与可动磁性元件47形成为一体。标记48、48X仍表示机械构件，所述机械构件用于将可动磁性元件47连接到通过装置移动的构件(例如声扩散器的振动膜)上。

图9和10示意性示出了声扩散器，通过使用两个上述类型的机电转换系统对振动膜起作用来制造所述声扩散器，从而振动膜将由转换系统构成的马达的运动转换成声波。

在图9中，扩散器整体用标记100表示。扩散器包括具有箱体101的固定结构，在所示的例子中箱体是平行六面体形状。该平行六面体的一个侧面是开口的，振动板或振动膜103设置在该开口中。有益地，在所示的例子中，宽度有限的开口105被限定在振动膜103的边缘和箱体101结构中的开口105的边缘之间，以将结构101所形成的箱体的内部空间与外部环境连通。

振动膜103被约束到位于箱体101内部的两机电转换系统23的两可动元件47上。两转换系统23的固定部件通过支撑框架107与结构101形成为一体，所述固定部件由线圈、铁磁回路以及壳体61、63形成。放大器的输出端连接到机电转换系统23，通过放大器(未示出)供给的电信号引起振动膜103振动，从而产生声波。箱体101以公知方式提供共振效应。图10示出了框架的局部后视图，该框架将两机电转换系统23的固定部件牢固地连接到箱体101。

因而，本发明也涉及一种声扩散器，该声扩散器包括固定承重结构，一个或更多个上述类型的机电转换系统被约束到该承重结构上，该机电转换系统的可动磁性元件被约束到振动板或振动膜上，振动板或振动膜通过一个所述机电转换系统或多个所述机电系统悬置。阻止可动磁性元件47在X方向(图6，7)上偏离中心的磁力可以支撑振动膜的重量。

在上述例子中，机电转换系统23具有基本对称的结构，并具有两个相对的励磁线圈，每一励磁线圈配置有铁磁板和可动元件47，铁磁板形成固定铁磁回路，可动元件47被容纳在两相对的线圈之间。这种解决办法目前是优选的，但是本发明也可通过其他方式，例如通过一个单一的励磁线圈来实现。

图11示出了机电转换系统(其再次用标记23表示)的一个实施例，该系统具有单一的线圈(此处用标记201表示)。该线圈旨在相对于承重结构被固定安装。线圈与包括铁磁板203的铁磁回路相联，所述铁磁板插在形成线圈201的导电线匝之间。与参照图2至8描述的例子不同，此情况下在两相邻的线匝之间设置单一的板203。铁磁回路由两组外侧板205、207以及铁磁列209构成，优选地，还由减小涡电流的板形成。可动磁性元件用标记211表示，其配置有永久磁体213。所述永久磁体被放置在板207和铁磁板203之间形成的空气间隙中。

图12示出了根据本发明的机电转换系统(其整体再次用标记23表示)的另一实施例，该机电转换系统具有单一的励磁线圈(其用标记301表示)。铁磁板303插入到线圈301的相邻线匝之间，铁磁板与两块铁磁材料305、307一起形成铁磁回路，优选地还通过相应的板构成铁磁回路。可动磁性元件311容装在铁磁块307和铁磁板303之间形成的空气间隙中，该可动磁性元件等同于前面实施例中的可动元件211以及可动元件47。永久磁体313和315固定到可动元件311上。

图11和12所示例子中的单一元件的构成方式与参照图2至8解释和描述的相应元件相同。

图13和14示出了改进实施例的截面图，所示截面类似于图2和6所示的截面。相同附图标记表示图1至7所示实施例中的相同或等同部件。图1至7所示实施例与图13和14所示实施例的不同包括：板34、44的方向不同，其中所述板34、44形成线圈29和39外侧的铁磁回路的部分33和43。从图13和14可看出，在该实施例中，所述板34和44的边缘分别设置在线圈29和39的外表面上。

在所示的各个实施例中，优选对板的表面进行电隔离处理，以防止或减小涡电流循环，从而可减小由此导致的损失。

优选地，如图8所示，磁体具有小尺寸并与可动元件的结构元件分离，以简化永久磁体的制造并加强永久磁体被约束到其上的结构，该结构承受较高的静态和动态应力。

应该理解为：附图和上述内容涉及本发明实施例中的一些可能的非限制性例子，在不偏离本发明基本概念的范围的情况下，这些例子可以在形式和布置方面发生变化。

Claims (39)

1.一种机电转换系统，包括：

-固定支撑结构，

-相对于固定支撑结构能够运动的可动元件，

-至少一个励磁线圈，

-以及用于产生激励磁场的至少一个磁体；

其中，所述至少一个磁体与所述可动元件形成为一体，所述励磁线圈与固定支撑结构形成为一体；设置有与所述至少一个磁体相互配合的铁磁回路，所述铁磁回路相对于所述固定支撑结构被固定；其中，所述至少一个励磁线圈包括螺旋卷绕式导线，形成所述铁磁回路的一部分的大量铁磁材料被插入到所述励磁线圈的线匝之间。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述导线形成多个线匝，铁磁材料板插入到这些线匝之间，从而形成了所述铁磁回路的一部分。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述导线为具有矩形截面的条形形状，该矩形截面具有较大尺寸部分和较小尺寸部分，导线截面的较大尺寸部分平行于励磁线圈的轴线，导线截面的较小尺寸部分垂直于励磁线圈的轴线，卷绕所述导线以形成相互叠置并逐渐远离励磁线圈的轴线的线匝。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述导线为具有矩形截面的条形形状，该矩形截面具有较大尺寸部分和较小尺寸部分，导线截面的较大尺寸部分平行于励磁线圈的轴线，导线截面的较小尺寸部分垂直于励磁线圈的轴线，卷绕所述导线以形成相互叠置并逐渐远离励磁线圈的轴线的线匝。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述铁磁材料板至少从励磁线圈的第一表面突出，该第一表面垂直于励磁线圈的轴线；所述铁磁材料板的突出部分与所述铁磁回路的设置在励磁线圈外侧的部分相面接。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：铁磁回路的所述部分由并排布置的铁磁材料板形成，所述铁磁材料板相互平行并与插入到励磁线圈的线匝之间的铁磁材料板基本上垂直。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：插入到励磁线圈的线匝之间的所述铁磁材料板从励磁线圈的第二表面突出，该第二表面平行于所述第一表面。

8.根据前述权利要求1-7之一所述的系统，其特征在于：所述至少一个磁体设置有磁极，其中的一个磁极面向所述至少一个励磁线圈。

9.根据前述权利要求1－7之一所述的系统，其特征在于：所述可动元件与磁极彼此相反设置的两个永久磁体形成为一体。

10.根据前述权利要求1－7之一所述的系统，其特征在于：该系统包括至少两个励磁线圈，所述至少两个励磁线圈彼此相对并且在所述至少两个励磁线圈之间限定了用于容纳所述可动元件的空间，所述可动元件设置有所述至少一个磁体，该磁体具有面向所述至少两个励磁线圈的相反的磁极。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于：在所述至少两个励磁线圈中的每个励磁线圈中，铁磁材料板插入到所述每个励磁线圈的线匝之间并从励磁线圈的两个表面突出；插入到两个励磁线圈的线匝之间的相对的铁磁材料板在励磁线圈之间限定了所述铁磁回路的空气间隙，该铁磁回路包括插入到两个励磁线圈中的铁磁材料板、以及铁磁回路在励磁线圈外的部分，所述铁磁回路在励磁线圈外的部分设置在励磁线圈的与所述空气间隙相对的表面的外侧。

12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于：铁磁回路的由插入到励磁线圈的线匝之间的铁磁材料板所形成的部分中的磁通基本上平行于励磁线圈的轴线并与插入到励磁线圈的线匝之间的所述铁磁材料板的主表面基本平行；在励磁线圈外侧，所述磁场与插入到励磁线圈的线匝之间的铁磁材料板的主表面基本垂直并且与励磁线圈的轴线基本垂直。

13.根据权利要求10所述的系统，其特征在于：由具有低摩擦系数的材料制成的片材插入到介于每个励磁线圈和可动元件之间的空间中。

14.根据权利要求10所述的系统，其特征在于：所述空间中包含润滑剂。

15.根据前述权利要求1－7之一所述的系统，其特征在于：所述至少一个励磁线圈包括窄长形状的多个线匝，这些线匝形成了线匝组，所述线匝沿垂直于励磁线圈的轴线的平面的截面大致为矩形，该矩形截面具有长侧和短侧，励磁线圈中的电流循环在垂直于所述长侧的方向上产生的作用力作用在可动元件上。

16.根据权利要求10所述的系统，其特征在于：所述可动元件包括相互机械连接并设置在所述至少两个励磁线圈之间的至少两个永久磁体，所述至少两个永久磁体以相对于一平面基本上对称的方式被构造和定位，所述平面垂直于励磁线圈的彼此相对的表面并与作用在可动元件上的作用力的方向垂直，其中所述作用力是由励磁线圈中的电流循环引起的。

17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于：将所述至少两个永久磁体的磁极设置成彼此相反，即一个永久磁体的北极朝向一个励磁线圈，南极朝向另一个励磁线圈；另一个永久磁体的南极朝向所述一个励磁线圈，北极朝向所述另一个励磁线圈。

18.根据权利要求16所述的系统，其特征在于：所述至少两个永久磁体的形状和布置使得：相对于所述至少两个励磁线圈朝中央的静止位置产生回程力。

19.根据权利要求16所述的系统，其特征在于：所述至少两个永久磁体的形状和布置使得：相对于中心轴线产生朝向中心的作用力，所述中心轴线平行于作用在可动元件上的作用力的方向，所述作用在可动元件上的作用力是由励磁线圈中的电流循环感应产生的。

20.根据权利要求18所述的系统，其特征在于：所述至少两个永久磁体被成形为用以朝向磁路的磁阻最小的位置产生回程力，该磁阻最小的位置限定了所述可动元件的静止位置。

21.根据权利要求20所述的系统，其特征在于：所述至少两个永久磁体被成形为用以限定两个磁性止动器，所述磁性止动器在两个运动方向上限制了可动元件相对于静止位置的最大位移位置，可动元件相对于静止位置的所述最大位移是由励磁线圈中的电流循环引起的。

22.根据权利要求18所述的系统，其特征在于：所述至少两个永久磁体中的每个永久磁体包括面向空气间隙外侧的边缘，并且所述边缘与励磁线圈中电流循环感应产生的运动的方向基本垂直，所述边缘中的每个边缘具有倾斜的端部部分以形成附属部分，该附属部分相对于各自边缘的中央部分面向空气间隙的外侧，在每个磁体上所述附属部分相对于一平面基本对称，所述平面平行于可动元件的运动方向且平行于励磁线圈的轴线。

23.一种机电转换系统，包括：

-固定支撑结构，

-相对于所述固定支撑结构能够运动的可动元件，

-至少一个励磁线圈，所述励磁线圈与所述固定支撑结构形成为一体，

-以及用于产生激励磁场的至少一个磁体，所述磁体与所述可动元件形成为一体；

-铁磁回路，所述铁磁回路相对于所述固定支撑结构被固定，并与所述至少一个磁体相互配合；

其中，所述铁磁回路至少部分地由所述励磁线圈形成，所述励磁线圈由铁磁材料制成。

24.根据权利要求23所述的系统，其特征在于：所述至少一个磁体设置有磁极，其中的一个磁极面向所述至少一个励磁线圈。

25.根据前述权利要求23或24所述的系统，其特征在于：所述可动元件与磁极彼此相反设置的两个永久磁体形成为一体。

26.根据前述权利要求23或24所述的系统，其特征在于：该系统包括至少两个励磁线圈，所述至少两个励磁线圈彼此相对并且在励磁线圈之间限定了用于容纳所述可动元件的空间，所述可动元件设置有所述至少一个磁体，该磁体具有面向励磁线圈的相反的磁极。

27.根据权利要求26所述的系统，其特征在于：在所述至少两个励磁线圈中的每个励磁线圈中，铁磁材料板插入到励磁线圈的线匝之间并从励磁线圈的两个表面突出；插入到两个励磁线圈的线匝之间的相对的铁磁材料板在励磁线圈之间限定了所述铁磁回路的空气间隙，该铁磁回路包括插入到两个励磁线圈中的铁磁材料板、以及铁磁回路在励磁线圈外的部分，所述铁磁回路在励磁线圈外的部分设置在励磁线圈的与所述空气间隙相对的表面的外侧。

28.根据权利要求26所述的系统，其特征在于：铁磁回路的由插入到励磁线圈的线匝之间的铁磁材料板所形成的部分中的磁通基本上平行于励磁线圈的轴线并与插入到励磁线圈的线匝之间的所述铁磁材料板的主表面基本平行；在励磁线圈外侧，所述磁场与插入到励磁线圈的线匝之间的铁磁材料板的主表面基本垂直并且与励磁线圈的轴线基本垂直。

29.根据权利要求26所述的系统，其特征在于：由具有低摩擦系数的材料制成的片材插入到介于每个励磁线圈和可动元件之间的空间中。

30.根据权利要求26所述的系统，其特征在于：所述空间中包含润滑剂。

31.根据前述权利要求23或24所述的系统，其特征在于：所述至少一个励磁线圈包括窄长形状的多个线匝，这些线匝形成了线匝组，所述线匝沿垂直于励磁线圈的轴线的平面的截面大致为矩形，该矩形截面具有长侧和短侧，励磁线圈中的电流循环在垂直于所述长侧的方向上产生的作用力作用在可动元件上。

32.根据权利要求26所述的系统，其特征在于：所述可动元件包括相互机械连接并设置在所述至少两个励磁线圈之间的至少两个永久磁体，所述至少两个永久磁体以相对于一平面基本上对称的方式被构造和定位，所述平面垂直于励磁线圈的彼此相对的表面并与作用在可动元件上的作用力的方向垂直，其中所述作用力是由励磁线圈中的电流循环引起的。

33.根据权利要求32所述的系统，其特征在于：将所述至少两个永久磁体的磁极设置成彼此相反，即一个永久磁体的北极朝向一个励磁线圈，南极朝向另一个励磁线圈；另一个永久磁体的南极朝向所述一个励磁线圈，北极朝向所述另一个励磁线圈。

34.根据权利要求32所述的系统，其特征在于：所述至少两个永久磁体的形状和布置使得：相对于所述至少两个励磁线圈朝中央的静止位置产生回程力。

35.根据权利要求32所述的系统，其特征在于：所述永久磁体的形状和布置使得：相对于中心轴线产生朝向中心的作用力，所述中心轴线平行于作用在可动元件上的作用力的方向，所述作用在可动元件上的作用力是由励磁线圈中的电流循环感应产生的。

36.根据权利要求34所述的系统，其特征在于：所述至少两个永久磁体被成形为用以朝向磁路的磁阻最小的位置产生回程力，该磁阻最小的位置限定了所述可动元件的静止位置。

37.根据权利要求36所述的系统，其特征在于：所述至少两个永久磁体被成形为用以限定两个磁性止动器，所述磁性止动器在两个运动方向上限制了可动元件相对于静止位置的最大位移位置，可动元件相对于静止位置的所述最大位移是由励磁线圈中的电流循环引起的。

38.根据权利要求34所述的系统，其特征在于：所述至少两个永久磁体中的每个永久磁体包括面向空气间隙外侧的边缘，并且所述边缘与励磁线圈中电流循环感应产生的运动的方向基本垂直，所述边缘中的每个边缘具有倾斜的端部部分以形成附属部分，该附属部分相对于各自边缘的中央部分面向空气间隙的外侧，在每个磁体上所述附属部分相对于一平面基本对称，所述平面平行于可动元件的运动方向且平行于励磁线圈的轴线。

39.一种声扩散器，所述声扩散器包括壳体和可动振动膜，振动膜的运动产生声波，其特征在于：该声扩散器包括至少一个根据前述权利要求之一所述的机电转换系统，其中，励磁线圈相对于壳体被固定，可动元件被约束到振动膜上，可动元件的运动引起振动膜振动。