CN103444054A

CN103444054A - 移动磁体致动器磁体载体

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Publication number: CN103444054A
Application number: CN2012800154352A
Authority: CN
Inventors: B·K·欧门; R·T·卡尔马克; J·A·斯塔拜尓
Original assignee: Bose Corp
Current assignee: Bose Corp
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2032-03-23
Also published as: EP2692042A1; JP2014512792A; WO2012135022A1; JP5801469B2; CN103444054B; US20120248899A1; EP2692042B1; US8610318B2

Abstract

一种用于移动磁体致动器的磁体载体。该磁体载体包括在磁体载体的预期运动的方向上延伸的单纵向梁以及从该纵向梁的相对侧延伸的两对横向肋。该纵向梁和该两对横向肋被布置成与一对基本上平面的磁体啮合。该单纵向梁和该两对横向肋各自包括用于与一对基本上平面的磁体的倒角边缘啮合的唇部，从而该唇部阻碍该磁体在垂直于该磁体的平面的方向上的运动。该纵向梁和该横向肋通过具有小于5MPa的弹性模量和大于100%的拉伸应变的粘合剂附着到该磁体。

Description

移动磁体致动器磁体载体

背景技术

本说明书描述了移动磁体电动机，并且更特别地描述了用于移动磁体线性致动器的磁体载体。

发明内容

在一个方面，一种用于移动磁体电动机的磁体载体，包括在磁体载体的预期运动的方向上延伸的单纵向梁以及从该纵向梁的相对侧延伸的两对横向肋。该纵向梁和该两对横向肋被布置成与一对基本上平面的磁体结构啮合。该两对横向肋各自包括用于与该一对基本上平面的磁体的倒角边缘啮合的唇部，从而该唇部阻碍该一对基本上平面的磁体在垂直于该一对基本上平面的磁体的平面的方向上的运动。该磁体载体进一步包括粘合剂，将该两对横向肋和该一对基本上平面的磁体粘合。该粘合剂具有小于5MPa的弹性模量。该拉伸应变可以是100%或者更高。该粘合剂的该标称拉伸应变可以是200%。该标称弹性模量可以是3MPa。该单纵向梁可以包括用于与该一对基本上平面的磁体的倒角边缘啮合的唇部，从而该唇部阻碍该一对基本上平面的磁体在垂直于该一对基本上平面的磁体的平面的方向上的运动。该磁体载体可以包括将该纵向梁粘合到该一对基本上平面的磁体的粘合剂。该粘合剂可以具有小于5MPa的弹性模量。该移动磁体电动机可以是线性致动器。该磁体载体可以包括n>2对横向肋。该纵向梁和该n对横向肋可以被布置成与n-1对磁体结构啮合。该纵向梁和该n>2对横向肋各自可以包括用于与该一对基本上平面的磁体的倒角边缘啮合的唇部，从而该唇部阻碍该一对基本上平面的磁体在垂直于该一对基本上平面的磁体的平面的方向上的运动。该磁体载体可以进一步包括粘合剂，将该n>2对横向肋和该一对基本上平面的磁体粘合，并且将该纵向梁粘合到该一对基本上平面的磁体。该粘合剂可以具有小于5MPa的弹性模量。该磁体载体可以被配置成与该磁体结构在该磁体结构的三个侧面上啮合，并且不与该磁体结构的第四侧面啮合。该磁体载体可以是单式（unitary）结构。该磁体载体可以是多部件结构，并且包括该单纵向梁的部件包括铁质材料。该横向肋可以垂直于该纵向梁。

在另一方面，一种用于移动磁体电动机的电枢，包括磁体载体，磁体载体包括在磁体载体的预期运动的方向上延伸的单纵向梁以及从该纵向梁延伸的横向肋。该纵向梁和该横向肋被布置成与基本上平面的磁体在四边形磁体的三个侧面上啮合。该纵向梁和该横向肋各自包括用于与该一对基本上平面的磁体的倒角边缘啮合的唇部，从而该唇部阻碍该一对基本上平面的磁体在垂直于该一对基本上平面的磁体的平面的方向上的运动。该磁体载体可以进一步包括粘合剂，将该两对横向肋和该一对基本上平面的磁体粘合，并且将该纵向梁粘合到该一对基本上平面的磁体。该粘合剂可以具有小于5MPa的弹性模量。该多对横向肋可以在相反的方向上从该纵向梁延伸。该电枢可以被配置成使得施加在该磁体载体的反作用力可以与该单纵向梁一致而被施加。该磁体载体可以是单式结构。该磁体载体可以是多部件结构。磁体结构的包括该单纵向梁的部件可以包括铁质材料。该磁体载体可以包括n>2对横向肋。该纵向梁和该n对横向肋可以被布置成与n-1对磁体结构啮合。该横向肋可以垂直于该纵向梁。

在另一方面，一种线性致动器，包括用于移动磁体电动机的电枢。该移动磁体电动机包括磁体载体。该磁体载体包括在磁体载体的预期运动的方向上延伸的单纵向梁。该磁体载体包括从该纵向梁延伸的横向肋。该纵向梁和该横向肋被布置成与基本上平面的磁体结构啮合。该电枢可以被布置成使得施加到该电枢的反作用力与该单纵向梁一致。该两对横向肋各自可以包括用于与该一对基本上平面的磁体的倒角边缘啮合的唇部，从而该唇部阻碍该一对基本上平面的磁体在垂直于该一对基本上平面的磁体的平面的方向上的运动。该磁体载体进一步包括粘合剂，将该两对横向肋和该一对基本上平面的磁体粘合。该粘合剂具有小于5MPa的弹性模量。

当结合下面的附图阅读时，其它特征、目的以及优点将从下面的具体描述中变得显而易见，其中：

附图说明

图1是移动磁体线性致动器的简化等距视图；

图2A-图2C是磁体载体的简化顶视图和简化侧视图；

图3A-图3C是磁体载体的顶视图；

图4是磁体载体的等距视图；

图5是每输入电流产生的力相对位移的曲线图；

图6是磁体载体的顶视图以及具有磁体的磁体载体的顶视图；

图7A是磁体和磁体载体的一部分的图解顶视图；

图7B是磁体和磁体载体的一部分的图解顶视图，图示了热循环的效果；

图8A和图8B是具有用来与磁体的倒角边缘啮合的唇部的磁体载体的图解横截面；

图8C是磁体和磁体载体的一部分的图解顶视图；

图9A-图9C是图8A-图8C的结构的备选实施例；以及

图10是磁体和磁体载体、磁体载体以及磁体的三个等距视图。

具体实施方式

图1示出了移动磁体线性致动器的简化等距视图。第一绕组12和第二绕组13围着具有低磁阻材料（例如软铁）的C形芯11的腿部11A和11B缠绕。坐落在可移动磁体载体17中的永磁体15和16位于C形芯中的空气间隙14中，优选地尽可能地填充大部分的空气间隙而不接触C形芯。永磁体15和16具有相邻的不同磁极，当流过绕组12和13的电流基本上为零并且没有施加其它外力时，磁极之间的边界位于沿着芯11的相对表面之间的相对运动18的方向的中途。可移动磁体载体17和永磁体15和16是线性致动器的电枢的组件；电枢的其它组件未在该图中示出。可移动磁体载体通过悬挂支撑（未示出），该悬挂允许在由箭头18指示的方向上的运动而阻碍将磁体推向C形芯的相对面的横向（即，根据图1的坐标系的X方向）“碰撞”力。美国专利US6,405,599中描述了一种合适的悬挂。

在操作中，绕组12和13中的交流信号（例如音频信号）与永磁体15和16的磁场相互作用，其导致电枢在由箭头18指示的方向上的运动。

图2A示出了磁体载体17的简化视图。用于磁体载体的典型配置是框架22和窗口24的配置。

如图2B中所示，框架22在磁体结构26的全部四个侧面与磁体结构26啮合，磁体结构26包括具有相反磁极的永磁体15和16。可以将磁体结构通过粘合剂（诸如环氧树脂）机械地固定就位，或者通过过盈配合机械地固定就位而不管有没有粘合剂来补充过盈配合。磁体载体可以具有用于将电枢耦合到周围结构的结构（未示出），从而可以有效地使用通过线性致动器的操作产生的机械能（运动和力）。

用于磁体载体的材料的期望特性包括低密度、高弹性刚度和强度、温度稳定性、尺寸稳定性、低成本以及易于成型（例如，挤压、加工等）。用于散热的导热性也是期望的，特别是如果磁体包括包含稀土材料（例如钕）的合金。包含稀土金属的永磁体合金在高温下失去磁性。以铝作为不错选择的金属是大量具有这些特性的适于线性致动器中的磁体载体的一类材料。不幸的是，铝还是高度导电的。结合窗口结构的高导电性提供了由诸如箭头30之类的箭头指示的闭合电气路径。闭合电气路径提供了用于当由致动器的线圈产生交变磁场时产生涡流的路径。涡流导致了欧姆加热，其可能导致致动器的效率损失、对致动器和对附近组件的热损坏，以及如上所述可能导致稀土磁体消磁。

具有更高电阻率的其它金属材料（例如钛）是昂贵的，并且可能难以成型。非导电材料（例如聚合物）可能随着时间和温度不是尺寸上稳定的，并且可能具有不期望的热绝缘特性。

消除闭合电气路径的一个方法是将小切口或者裂缝32放置在磁体载体框架中，如图2C中所示。出于图示的目的，小切口或者裂缝32被非常夸张地显示出来。在实际实施方式中，切口可以窄至0.2mm。切口或者裂缝可以用诸如结构粘合剂（例如环氧树脂）之类的非导电材料填充。当小切口或者裂缝消除闭合电气路径时，其也损害了磁体载体框架的结构完整性。

图3A和图3B示出了不具有闭合电气路径但具有高的结构完整性的磁体载体配置。图3A示出了没有磁体15A、15B、16A和16B在位的磁体载体170，并且图3B示出了具有磁体15A、15B、16A和16B在位的磁体载体170。磁体载体170具有在由箭头18指示的电枢的预期运动方向上延伸的单纵向梁40。横向肋42A和42B在相反的方向上从单纵向梁的相对侧延伸，其可以垂直于梁。横向肋42A和42B可以形成单线。同样地，横向肋43A和43B在相反的方向上从单纵向梁的相对侧延伸，其可以垂直于梁。横向肋43A和43B可以形成单线。横向肋42A和42B以及横向肋43A和43B位于同一平面内，并且与一对磁体26A（包括磁体15A和16A）和26B（包括磁体15B和16B）在磁体结构26A和26B的三个边缘51、52和53上啮合。第四边缘54可以是不受约束的。磁体载体170可以是如图所示的单式结构，或者可以是非单式的。例如，三部件的实施方式可以包括以虚线45和47划分的三个部件。一个部件可以包括横向肋42A和42B；第二部件可以包括横向肋43A和43B；以及第三部件可以包括纵向梁40。包括纵向梁的第三部件可以由铁质材料制成以允许将更多磁性材料置于空气间隙中。

磁体载体可以耦合到电动机的其它组件，从而在由箭头70和72指示的方向上施加反作用力，其与纵向梁一致。

图3C示出了图3A和图3B的磁体载体的另一实施方式170’。在图3C的实施方式中，横向肋仅在一个方向上从纵向梁40延伸，并且仅有一个包括两个磁体15和16的磁体结构26。其它附图标记指代图3A和图3B中相同编号的元件。图3A的实施方式仅需要一个磁体结构26，并且可以被实施为使得几乎没有非磁结构在空气间隙中，但是相比于图3A和图3B的实施方式而言具有机械上的劣势。

图4示出了根据图3A和图3B的磁体载体的实际实施方式。图4中的附图标记指代图3A和图3B中具有相同附图标记的相应元件。在图4的实施方式中，磁体载体由铝制成，具有4.5mm的厚度t。横向肋43A和43B具有36mm的宽度w。磁体载体被设计为容纳具有4.5mm厚度（在该示例中具有与之相同的厚度，但在其它示例中可以更小）和50mm的宽度w的磁体26A和26B。在该实施方式中，磁体由铷铁硼合金形成。

图3A、图3B和图4的磁体载体配置优于图2的磁体载体配置。根据图3A和图3B的磁体载体可以通过在X方向上形成突出部并且例如通过在Y-Z平面中锯开而分隔独立的磁体载体来便宜地形成。不需要例如通过切割来形成图2的配置的窗口。因为磁体结构在Z方向上不被约束，所以在Z方向上需要较小的精度。磁体和磁体载体之间的热膨胀/收缩的失配仅在Y方向上是不利的，但在X方向或Z方向上并非是不利的。在根据图3A、图3B和图4的磁体载体配置中，非磁性梁40位于C形芯11的空气间隙中。因为较少磁性材料在空气间隙中，所以空气间隙中的非磁性材料可能负面地影响换能。然而，如图5中所示，使用根据图3和图4的磁体载体的线性致动器（由线60和62表示）的换能系数（即，每输入电流所产生的力）仅比使用如图2A-图2C中的常规磁体载体的线性致动器（由线64和66表示）小约2-3%。

图6示出了用于多磁体线性致动器的根据图3的磁体载体172的实施方式。图6的实施方式，具有n（在该示例中为6）对横向肋42A和42B、43A和43B、44A和44B、45A和45B、46A和46B以及47A和47B，其容纳n-1（在该示例中为5）对磁性结构26-1A和26-1B、26-2A和26-2B、26-3A和26-3B、26-4A和26-4B以及26-5A和26-5B。

如上所述，图3A、图3B和图3C的磁体载体配置的优点是磁体和磁体载体之间的热膨胀/收缩的失配在X方向或者Z方向上通常并非是不利的。在一些情况下，磁体载体、磁体（以及在一些情况下粘合剂）之间的热失配可能在Y方向上是有问题的。图7A和图7B图示了一种情况。图7A和图7B包括图3A-图3C的一些元件。相同编号的元件指代图3A-图3C中相似的元件。在图7A和图7B以及所有实施方式中，磁体15A和16A以及磁体15B和16B可以在具有磁性材料的单一部件上被实施。如本文所使用的“磁体结构”可以指代具有磁性材料的一个或多个物理部件。此外，图7A和图7B示出了将磁体粘合到磁体结构的粘合剂100。磁体、磁体载体和粘合剂之间的热膨胀/收缩失配可能导致使得一个或多个组件变形的应力并且可能损害结构。例如，在图7B中，横向肋42A的非约束端142A和横向肋43A的非约束端143A可以如图7B中所示地向外变形，并且该变形可能是永久的。粘合剂100可以被拉伸，其可能导致粘合剂的破裂，并且该破裂可能损害磁体和磁体载体之间的接合。图7B仅用于讨论变形。在实际的实施方式中，磁体、磁体载体和粘合剂可能以比如图7B中所示复杂得多的方式变形。此外，出于图示的目的，一些尺寸（例如粘合剂100的厚度）被严重夸大。

可以缓解热失配问题的一些影响的一项技术是使用具有低弹性模量（例如小于5MPa）并且优选地具有100%或更大的拉伸应变的粘合剂。使用具有低弹性模量和高拉伸应变的粘合剂使得在粘合剂中形成断裂的可能性较小，从而可以容忍磁体载体或磁体的一些变形而不损害磁体和磁体载体之间的接合。

然而，具有低弹性模量的粘合剂可能具有对以上所述以及由箭头102在图7B中所指示的撞击力不足的剪切阻力。图8A、图8B和图8C分别示出了：横向肋42A和43B以及磁体结构15B和16B的侧横截面视图；纵向梁40和磁体结构15B或16B的侧视图横截面视图；以及磁体和磁体载体组合的顶视图。图8A-图8C的磁体载体减小了热失配在Y方向上的负面机械影响。在图8A-图8C的配置中，横向肋42A和43A以及纵向梁的与磁体的约束边缘51、52和53啮合的边缘具有在Y-Z平面中向内延伸的唇部251、252、253以及351、352和353，从而由唇部251、252和253的内边缘以及由唇部351、352和353的内边缘所形成的内周长200小于磁体的外边缘51、52和53的外周长500。在一个实施方式中，磁体的约束边缘51、52和53被倒角或者形成斜面，并且磁体载体的内表面相应地成型为啮合斜边。在磁体的约束边缘51、52和53以及啮合磁体的磁体载体的相应的内表面151、152、153之间施加粘合剂100。在一个实施方式中，粘合剂100是具有低弹性模量的粘合剂，例如，具有3MPa的标称弹性模量以及具有200%的标称拉伸应变的Q58401硅粘合剂（从DowCorning Corporation可得，网址：dowcorning.com）。如本文所使用的“标称”指代由供应商在规格单上所宣称的规格。参考图8A和图8B，粘合剂的弹性在磁体和磁体载体之间提供了足够的粘附而不管磁体和磁体载体之间的热膨胀/收缩的失配。唇部251、252和253以及唇部351、352和353导致磁体载体和磁体之间的机械重叠400。如果磁体通过由箭头102指示的冲撞力在X方向上被推进，则粘合剂的压缩和/或膨胀以及磁体和唇部251、252、253、351、352、353之间的啮合将磁体保持在磁体载体中。

图9A-图9C示出了磁体和磁体载体的其它配置。在图9A的配置中，磁体不被形成斜面或者被倒角。图9A的配置不优于图8A和图8B的配置，因为图8A-图8C的配置允许使用较厚的磁体，导致有更多磁性材料在图1的空气间隙14中。

在图9B的配置中，磁体不被形成斜面或者被倒角，而是具有与唇部251（以及252和253，在该视图中不可见）和351（以及352和353，在该视图中不可见）重叠的突出带72。图9B的配置不优于图8A和图8B的配置，因为当图9B的配置比图9A的配置具有更多磁性材料时，图9B的配置比图8A-图8C的配置具有较少磁性材料；磁性材料的厚度基本上等于横向肋和纵向梁的厚度。此外，在图9B的配置中，磁体的加工或成型比在图8A-图8C的配置中更困难，并且磁性材料经常难以加工和/或成型。

在图9C的配置中，磁体不被形成斜面或者被倒角，而是边缘被削圆。当图8C的配置时，磁性材料的厚度基本上等于横向肋和纵向梁的厚度，并且可以具有比图8A-图8C的配置稍微多的磁性材料，在唇部251（以及252和253，在该视图中不可见）和351（以及352和353，在该视图中不可见）以及磁体之间有较少重叠，所以比使用图8A-图8C的配置有对冲撞力较小的阻力。

图8A-图8C的配置还提供制造优势。磁体和磁体载体可以通过对磁体的非约束边缘54在Z方向上施加力来进行装配。唇部251、252、253、351、352和353在将磁体插进磁体组合期间和在这之后在Y-Z平面中保持恰当的对准。

图10示出了根据图8A和图8B的装配后的磁体和磁体载体、磁体载体以及包括15A和15B的磁体（被定向以示出倒角的边缘52和53）的等距视图。附图标记指代在先前的视图中相同编号的元件。

Claims

1.一种用于移动磁体电动机的磁体载体，包括：

单纵向梁，在磁体载体的预期运动的方向上延伸；以及

两对横向肋，从所述纵向梁的相对侧延伸，其中所述纵向梁和所述两对横向肋被布置成与一对基本上平面的磁体结构啮合。

2.根据权利要求1所述的磁体载体，其中所述两对横向肋各自包括用于与所述一对基本上平面的磁体的倒角边缘啮合的唇部，从而所述唇部阻碍所述一对基本上平面的磁体在垂直于所述一对基本上平面的磁体的平面的方向上的运动，所述磁体载体进一步包括粘合剂，将所述两对横向肋和所述一对基本上平面的磁体粘合，所述粘合剂具有小于5MPa的弹性模量。

3.根据权利要求2所述的磁体载体，其中所述拉伸应变是100%或者更高。

4.根据权利要求3所述的磁体载体，其中所述粘合剂的所述标称拉伸应变是200%。

5.根据权利要求2所述的磁体载体，其中所述标称弹性模量是3MPa。

6.根据权利要求2所述的磁体载体，其中所述单纵向梁包括

用于与所述一对基本上平面的磁体的倒角边缘啮合的唇部，从而所述唇部阻碍所述一对基本上平面的磁体在垂直于所述一对基本上平面的磁体的平面的方向上的运动，

以及将所述纵向梁粘合到所述一对基本上平面的磁体的粘合剂，所述粘合剂具有小于5MPa的弹性模量。

7.根据权利要求1所述的磁体载体，其中所述移动磁体电动机是线性致动器。

8.根据权利要求1所述的磁体载体，包括n>2对横向肋，其中所述纵向梁和所述n对横向肋被布置成与n-1对磁体结构啮合。

9.根据权利要求8所述的磁体载体，其中所述纵向梁和所述n>2对横向肋各自包括用于与所述一对基本上平面的磁体的倒角边缘啮合的唇部，从而所述唇部阻碍所述一对基本上平面的磁体在垂直于所述一对基本上平面的磁体的平面的方向上的运动，所述磁体载体进一步包括粘合剂，将所述n>2对横向肋和所述一对基本上平面的磁体粘合，并且将所述纵向梁粘合到所述一对基本上平面的磁体，所述粘合剂具有小于5MPa的弹性模量。

10.根据权利要求1所述的磁体载体，其中所述磁体载体被配置成与所述磁体结构在所述磁体结构的三个侧面上啮合，并且不与所述磁体结构的第四侧面啮合。

11.根据权利要求1所述的磁体载体，其中所述磁体载体是单式结构。

12.根据权利要求1所述的磁体载体，其中所述磁体载体是多部件结构，并且其中包括所述单纵向梁的部件包括铁质材料。

13.根据权利要求1所述的磁体载体，其中所述横向肋垂直于所述纵向梁。

14.一种用于移动磁体电动机的电枢，包括：

磁体载体，所述磁体载体包括

单纵向梁，在磁体载体的预期运动的方向上延伸；以及

横向肋，从所述纵向梁延伸，其中所述纵向梁和所述横向肋被布置成与基本上平面的磁体在四边形磁体的三个侧面上啮合。

15.根据权利要求14所述的电枢，其中所述纵向梁和所述横向肋各自包括用于与所述一对基本上平面的磁体的倒角边缘啮合的唇部，从而所述唇部阻碍所述一对基本上平面的磁体在垂直于所述一对基本上平面的磁体的平面的方向上的运动，所述磁体载体进一步包括粘合剂，将所述两对横向肋和所述一对基本上平面的磁体粘合，并且将所述纵向梁粘合到所述一对基本上平面的磁体，所述粘合剂具有小于5MPa的弹性模量。

16.根据权利要求14所述的电枢，其中多对横向肋在相反的方向上从所述纵向梁延伸。

17.根据权利要求14所述的电枢，其中所述电枢被配置成使得施加在所述磁体载体的反作用力与所述单纵向梁一致而被施加。

18.根据权利要求14所述的电枢，其中所述磁体载体是单式结构。

19.根据权利要求14所述的电枢，其中所述磁体载体是多部件结构，并且其中包括所述单纵向梁的部件包括铁质材料。

20.根据权利要求14所述的电枢，其中所述磁体载体包括n>2对横向肋，其中所述纵向梁和所述n对横向肋被布置成与n-1对磁体结构啮合。

21.根据权利要求14所述的电枢，其中所述横向肋垂直于所述纵向梁。

22.一种线性致动器，包括：

用于移动磁体电动机的电枢，所述电枢包括：

磁体载体，所述磁体载体包括

单纵向梁，在磁体载体的预期运动的方向上延伸；以及

横向肋，从所述纵向梁延伸，其中所述纵向梁和所述横向肋被布置成与基本上平面的磁体结构啮合；

其中所述电枢被布置成使得施加到所述电枢的反作用力与所述单纵向梁一致；并且

其中所述两对横向肋各自包括用于与所述一对基本上平面的磁体的倒角边缘啮合的唇部，从而所述唇部阻碍所述一对基本上平面的磁体在垂直于所述一对基本上平面的磁体的平面的方向上的运动，所述磁体载体进一步包括粘合剂，将所述两对横向肋和所述一对基本上平面的磁体粘合，所述粘合剂具有小于5MPa的弹性模量。