CN104868615A - 高功率密度电机及利用该电机的电子设备振子和机器人 - Google Patents
高功率密度电机及利用该电机的电子设备振子和机器人 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高功率密度电机及利用该电机的电子设备振子和机器人，包括磁体、磁轭及线圈；两层磁体分别设置在一层线圈的上方及下方，形成单相线圈电动机；多层线圈叠放，两层磁体设置在叠放的多层线圈的上方及下方，形成多相线圈电动机；多相线圈电动机的磁体及线圈集中排列或间隔排列；磁体的磁极方向交替排列，相邻两个磁体的磁极极性相反，磁体的磁场与线圈的运动方向垂直；磁极及线圈由多节小节组成，线圈小节高度与磁体小节高度相同；线圈呈平面S形结构。本发明可制造出杆状、薄片、弧形、环形等形状的电机，结合并联、串联和叠层方式改变电机的宽度、长度和厚度，有利于生产各种系列化、标准化产品，并有利于生产非标准化产品。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械设备，尤其涉及一种高功率密度电机及利用该电机的电子设备振子和机器人。
背景技术
电磁式电动机的优点很多，包括推力大，加速度高，电能转化为机械能的转换效率高，但是因为体积和重量原因，在一些场景下不适合使用。
传统电动机在运转时，驱动电路依据线圈与磁体的相对位置，分别依次接通数个线圈中不同的相，通常线圈所有相不能同时通电，也不能全部时间以最大电流通电，因此大量的磁体磁场处于空闲状态，没有参与推力的产生。另外，在传统有铁芯电动机中，由于磁体表面磁场随距离增加磁场强度呈指数衰减，所以需要利用铁芯将线圈所产生的磁通量集中、转移并释放到磁体表面，以提高能量转换效率。有铁芯电动机虽然可以增加推力，但是由于铁芯的存在会增加体积、增加重量。专利CN101515741B“一种电动机转子的线圈缠绕方法”曾对s形平面线圈有描述，但对磁体、对电动机整体设计没有进一步描述。
发明内容
本发明的目的：提供一种高功率密度电机及利用该电机的电子设备振子和机器人，能对电机结构进行改良设计，以便达到减轻重量、缩小体积、提高效率、降低制造成本的目的；通过重新设计线圈和磁体的排列方式，将每个线圈小节与每个磁体小节高度相等并对应起来，如果使用多相线圈，可以进一步提高磁场利用率。采用无铁芯结构还可以进一步减轻重量、缩小体积；去除铁芯会降低能量转换效率，使用平面s形线圈可以减少线圈高度，有效利用磁场，提高能量转换效率，并有利于降低生产成本，便于用印刷、蚀刻、电镀或冲压的自动化方法制造。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种高功率密度电动机，包括磁体、磁轭及线圈；两层所述的磁体分别设置在一层所述的线圈的上方及下方，形成单相线圈电动机；多层所述的线圈叠放，两层所述的磁体分别设置在叠放的多层所述的线圈的上方及下方，形成双相线圈电动机或多相线圈电动机；单层的所述的磁体设置在所述的线圈的上方或外侧，所述的磁轭设置在所述的单层的磁体的上方或外侧，形成单层磁体电动机；所述的多相线圈电动机的磁体及线圈集中排列或间隔排列；所述的磁体的磁极方向交替排列，相邻两个所述的磁体的磁极极性相反，且所述的磁体的磁场与所述的线圈的运动方向垂直；所述的磁体及线圈由多节小节组成，所述的线圈的小节高度与所述的磁体的小节高度相同；所述的线圈为无铁芯线圈或有铁芯线圈，所述的无铁芯线圈呈平面S形结构，所述的有铁芯线圈绕制在铁芯上；所述的线圈的有效边位于所述的磁体的磁场内，所述的线圈的无效边位于所述的磁体的两侧；优选的，所述的线圈的有效边的长度大于所述的线圈的无效边的长度。
上述的高功率密度电动机，其中，所述的磁体为整体式或拼合式连接，拼合式连接的所述的磁体无间隙连续摆放。
上述的高功率密度电动机，其中，所述的磁体为刚性磁体或复合型材料或柔性磁体材料。
上述的高功率密度电动机，其中，所述的无铁芯线圈为扁平的导电材料；所述的有铁芯线圈为柔性导体材料，所述的有铁芯线圈包括铁芯、线圈本体及线圈引线，所述的线圈本体包裹在所述的铁芯上，并通过所述的线圈引线引出。
上述的高功率密度电动机，其中，还包括位置传感器及压力/拉力传感器，所述的位置传感器为霍尔传感器或光栅传感器或磁力传感器或滑动电阻，所述的传感器的位置与所述的单相线圈电动机或双相线圈电动机或多相线圈电动机可以分离并布置到远端的运动部件上或与所述的单相线圈电动机或双相线圈电动机或多相线圈电动机的线圈集成在一起。
上述的高功率密度电动机，其中，还包括导热材料，所述的磁体及线圈布置在所述的导热材料上，所述的线圈为中空线材，或将所述的电机整体浸泡在散热液体中。
上述的高功率密度电动机，其中，所述的线圈的两侧安装有滑轨或轴承。
上述的高功率密度电动机，其中，所述的磁轭、磁体与叠层超薄线圈构成电动机本体，所述的电动机本体为平面结构的直线电动机或弧面结构的弧形/环形电动机。
一种利用高功率密度电机的电子设备振子，包括外壳及设置在所述的外壳内的一对弹簧、一对磁轭、磁体及叠层超薄线圈，所述的一对弹簧的一端分别连接在所述的外壳的内壁两端，所述的一对弹簧的另一端分别与所述的磁体的两端连接；一个所述的磁轭设置在所述的磁体的下方，所述的叠层超薄线圈设置在所述的磁体的上方，另一个所述的磁轭设置在所述的叠层超薄线圈的上方。
一种利用高功率密度电机的机器人，其特征在于：包括第一骨骼、第二骨骼、第一直线电动机、第二直线电动机、第一连接韧带及第二连接韧带；所述的第一骨骼的一端与所述的第二骨骼的一端通过转轴连接，所述的第一直线电动机通过所述的第一连接韧带连接在所述的第二骨骼端部，所述的第二直线电动机通过所述的及第二连接韧带连接在所述的第二骨骼端部，所述的第一直线电动机及第二直线电动机位于所述的第一骨骼的两侧并连接在所述的第一骨骼上。
本发明可以制造出杆状、薄片、弧形、环形等形状的电机，结合并联、串联和叠层方式改变电机的宽度、长度和厚度，有利于生产各种系列化、标准化产品，并有利于生产非标准化产品。使用弧形磁体或柔性磁体并结合相应线圈，可以生产出异形电机或柔性电机，能够极大地改善产品空间的利用。
附图说明
图1是本发明一种高功率密度电动机的单相线圈电动机的剖视图。
图2是本发明一种高功率密度电动机的双相线圈电动机的剖视图。
图3是本发明一种高功率密度电动机的三相线圈电动机的剖视图。
图4是本发明一种高功率密度电动机的单相线圈电动机的主视图。
图5是本发明一种高功率密度电动机的单相线圈电动机的分解图。
图6是本发明一种高功率密度电动机的双相线圈电动机的主视图。
图7是本发明一种高功率密度电动机的双相线圈电动机的分解图。
图8是本发明一种高功率密度电动机的单相线圈电动机的有铁芯线圈的分解图。
图9是本发明的实施例1的俯视图。
图10是图9的剖视图。
图11是本发明的实施例2的结构图。
图12是本发明的实施例3的结构图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明的实施例。
请参见附图1至附图8及附图11所示，一种高功率密度电动机，包括磁体1、磁轭5及线圈2；两层所述的磁体1分别设置在一层所述的线圈2的上方及下方，形成单相线圈电动机；多层所述的线圈2叠放，两层所述的磁体1分别设置在叠放的多层所述的线圈2的上方及下方，形成双相线圈电动机或三相线圈电动机或多于三相线圈电动机等；单层的所述的磁体1设置在所述的线圈2的上方或外侧，所述的磁轭5设置在所述的单层的磁体1的上方或外侧，形成单层磁体电动机；所述的多相线圈电动机的磁体1及线圈2集中排列或间隔排列；所述的磁体1的磁极方向交替排列，相邻两个所述的磁体1的磁极极性相反，且所述的磁体1的磁场与所述的线圈2的运动方向垂直；所述的磁极1及线圈2由多节小节组成，所述的线圈2的小节高度L1与所述的磁体1的小节高度L2相同；所述的线圈2为无铁芯线圈或有铁芯线圈，所述的线圈2呈平面S形结构，所述的有铁芯线圈绕制在铁芯上；所述的线圈2的有效边21位于所述的磁体1的磁场内，所述的线圈2的无效边位于所述的磁体1的两侧；优选的，所述的线圈2的有效边21的长度大于所述的线圈2的无效边22的长度。缩短无效边22，提高能量转换效率，降低发热。线圈2的有效边21在磁场中通电时直接产生推力，无效边22不产生推力。
所述的磁体1为整体式或拼合式连接，拼合式连接的所述的磁体1无间隙连续摆放。
所述的磁体1为刚性磁体或复合型材料或柔性磁体材料，以便制造弧形电动机、环形电动机或整体可弯曲的、具有柔顺性的电动机。
请参见附图8所示，所述的线圈2为有铁芯线圈，所述的有铁芯线圈包括铁芯23、线圈本体24及线圈引线25，所述的线圈本体24包裹在所述的铁芯23上，并通过所述的线圈引线25引出。以便制造弧形电动机、环形电动机或整体可弯曲的、具有柔顺性的电动机。
无铁芯线圈可以使用柔性线路板制作线圈，还可以用冲压、蚀刻、电镀的方法制造线圈，提高生产效率，降低生产成本。
电机还包括位置传感器及压力/拉力传感器，所述的位置传感器为霍尔传感器或光栅传感器或磁力传感器或滑动电阻，所述的传感器的位置可以与所述的单相线圈电动机或双相线圈电动机或多相线圈电动机分离并布置到远端的运动部件上或与所述的单相线圈电动机或双相线圈电动机或多相线圈电动机的线圈集成在一起，可感知磁体1与线圈2的相对或绝对位置，压力/拉力传感器便于驱动电路调整力度。
为保证电动机高功率密度，可以结合风冷、液冷对电动机制冷。还包括导热材料，所述的磁体1及线圈2布置在所述的导热材料上，所述的线圈2可以为中空线材，并通以流体降温。
还可以通过其他的方式散热，如：可以制作包含夹层的有冷却功能的线圈2和磁体1，也可以将电动机整体浸泡在散热液体中。
所述的线圈2的两侧安装有滑轨或轴承，减小滑动摩擦或滚动摩擦阻力。
实施例1：
请参见附图9及附图10所示，一种利用高功率密度电动机的电子设备振子，包括外壳3及设置在所述的外壳3内的一对弹簧4、一对磁轭5、磁体1及叠层超薄线圈2，所述的一对弹簧4的一端分别连接在所述的外壳3的内壁两端，所述的一对弹簧4的另一端分别与所述的磁体1的两端连接；一个所述的磁轭5设置在所述的磁体1的下方，所述的叠层超薄线圈2设置在所述的磁体1的上方，另一个所述的磁轭5设置在所述的叠层超薄线圈2的上方。
实施例2：
请参见附图11所示，所述的磁轭5、磁体1与叠层超薄线圈2构成电动机本体，所述的电动机本体为平面结构的直线电动机或弧面结构的弧形/环形电动机。
如果仅在磁体1单侧布置线圈2，可以使用磁轭5作为磁体1的支撑结构，同时作为磁轭5加强线圈2侧磁场强度，有利于磁体1磁场最大化利用。可以将电动机封装于密闭的柔性外壳内，在保证电动机的抗压力同时又能兼具柔性。
实施例3：
请参见附图12所示，一种利用高功率密度电动机的机器人，包括第一骨骼7、第二骨骼8、第一直线电动机9、第二直线电动机10、第一连接韧带11及第二连接韧带12；所述的第一骨骼7的一端与所述的第二骨骼8的一端通过可以转动的转轴连接，所述的第一直线电动机9通过所述的第一连接韧带11连接在所述的第二骨骼8端部，所述的第二直线电动机10通过所述的及第二连接韧带12连接在所述的及第二骨骼8端部，所述的第一直线电动机9及第二直线电动机10位于所述的第一骨骼7的两侧并连接在所述的第一骨骼7上。
本发明可以用无刷驱动方式，驱动电路根据磁体1和线圈2相对位置，结合拟运动方向、力度进而改变线圈2电流大小和方向，从而驱动电机运动。当线圈2的有效边在磁极边界内通电，根据左手定律线圈产生位移，当线圈2的有效边21跨越磁极边界时断电。线圈2相数不同应用的场景也不同，单相只能做小幅往复运动，适宜用于电子产品的振动器；双相线圈电动机可以做大幅往复运动；多相线圈电动机在双相线圈电动机基础上可以提高性能，进一步提高磁场利用率，增大推力。
本发明可以应用于直线电机和旋转电机。本发明应用广泛，如可以应用于机器人、假肢、玩具、扑翼飞机、可穿戴电子产品、数码设备振动元件、纺织机械、汽车等领域。
综上所述，本发明可以制造出杆状、薄片、弧形、环形等形状的电机，结合并联、串联和叠层方式改变电机的宽度、长度和厚度，有利于生产各种系列化、标准化产品，并有利于生产非标准化产品。使用弧形磁体或柔性磁体并结合相应线圈，可以生产出异形电机或柔性电机，能够极大地改善产品空间的利用。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用附属在其他相关产品的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种高功率密度电机，其特征在于：包括磁体、磁轭及线圈；两层所述的磁体分别设置在一层所述的线圈的上方及下方，形成单相线圈电动机；多层所述的线圈叠放，两层所述的磁体分别设置在叠放的多层所述的线圈的上方及下方，形成双相线圈电动机或多相线圈电动机；单层的所述的磁体设置在所述的线圈的上方或外侧，所述的磁轭设置在所述的单层的磁体的上方或外侧，形成单层磁体电动机；所述的多相线圈电动机的磁体及线圈集中排列或间隔排列；所述的磁体的磁极方向交替排列，相邻两个所述的磁体的磁极极性相反，且所述的磁体的磁场与所述的线圈的运动方向垂直；所述的磁体及线圈由多节小节组成，所述的线圈的小节高度与所述的磁体的小节高度相同；所述的线圈为无铁芯线圈或有铁芯线圈，所述的无铁芯线圈呈平面S形结构，所述的有铁芯线圈绕制在铁芯上；所述的线圈的有效边位于所述的磁体的磁场内，所述的线圈的无效边位于所述的磁体的两侧；所述的线圈的有效边的长度大于所述的线圈的无效边的长度。
2.根据权利要求1所述的高功率密度电机，其特征在于：所述的磁体为整体式或拼合式连接，拼合式连接的所述的磁体无间隙连续摆放。
3.根据权利要求1所述的高功率密度电机，其特征在于：所述的磁体为刚性磁体或复合型材料或柔性磁体材料。
4.根据权利要求1所述的高功率密度电机，其特征在于：所述的无铁芯线圈为扁平的导电材料；所述的有铁芯线圈为柔性导体材料，所述的有铁芯线圈包括铁芯、线圈本体及线圈引线，所述的线圈本体包裹在所述的铁芯上，并通过所述的线圈引线引出。
5.根据权利要求1所述的高功率密度电机，其特征在于：还包括位置传感器及压力/拉力传感器，所述的位置传感器为霍尔传感器或光栅传感器或磁力传感器或滑动电阻，所述的传感器的位置与所述的单相线圈电动机或双相线圈电动机或多相线圈电动机分离并布置到远端的运动部件上或与所述的单相线圈电动机或双相线圈电动机或多相线圈电动机的线圈集成在一起。
6.根据权利要求1所述的高功率密度电机，其特征在于：还包括导热材料，所述的磁体及线圈布置在所述的导热材料上，所述的线圈为中空线材，或将所述的电机整体浸泡在散热液体中。
7.根据权利要求1所述的高功率密度电机，其特征在于：所述的线圈的两侧安装有滑轨或轴承。
8.根据权利要求1所述的高功率密度电机，其特征在于：所述的磁轭、磁体与叠层超薄线圈构成电动机本体，所述的电动机本体为平面结构的直线电动机或弧面结构的弧形/环形电动机。
9.一种利用权利要求1所述的高功率密度电机的电子设备振子，其特征在于：包括外壳及设置在所述的外壳内的一对弹簧、一对磁轭、磁体及叠层超薄线圈，所述的一对弹簧的一端分别连接在所述的外壳的内壁两端，所述的一对弹簧的另一端分别与所述的磁体的两端连接；一个所述的磁轭设置在所述的磁体的下方，所述的叠层超薄线圈设置在所述的磁体的上方，另一个所述的磁轭设置在所述的叠层超薄线圈的上方。
10.一种利用权利要求9所述的高功率密度电机的机器人，其特征在于：包括第一骨骼、第二骨骼、第一直线电动机、第二直线电动机、第一连接韧带及第二连接韧带；所述的第一骨骼的一端与所述的第二骨骼的一端通过转轴连接，所述的第一直线电动机通过所述的第一连接韧带连接在所述的第二骨骼端部，所述的第二直线电动机通过所述的及第二连接韧带连接在所述的第二骨骼端部，所述的第一直线电动机及第二直线电动机位于所述的第一骨骼的两侧并连接在所述的第一骨骼上。
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