CN104953788A - 一种平板型音圈电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种平板型音圈电机，该音圈电机由磁铁和线圈板组成，该磁铁由上磁铁阵列和下磁铁阵列组成，该线圈板位于该上磁铁阵列和下磁铁阵列之间，该线圈板由PCB印刷电路板组成。

Description

一种平板型音圈电机

技术领域

本发明属于机械工程技术领域，尤其涉及一种平板型音圈电机。 

背景技术

    基于安培力原理制造的平板型音圈电机结构简单、维护方便、可靠性高、能量转换效率高，具有固定行程和直接驱动特性、平滑输出、线性控制等特点，而且电气与机械时间常数低，推力/质量比高，无齿槽效应，不需要换向，理论上有无限的位置灵敏度，无嵌齿、无滞后响应，使音圈电机可以很好地应用在需要高速、高加速度、高响应速度的伺服控制系统中，基于上述特性，音圈电机十分适用于要求快速、高精度定位的光刻机短行程精密定位单元。 

    目前实际工况中所用的平板音圈电机，多采用漆包线绕制的形式，在线圈材料上少有扩展。 

    图1是传统漆包线形式的单线圈平板音圈电机三维电磁结构(图中省略了线圈框架及固定两背铁的支承件)。电磁结构包含三个部分，固定磁铁阵列的背铁101、磁铁阵列102、漆包线绕制的线圈103。 

    图2是传统漆包线形式的单线圈平板音圈电机二维截面图，其出力方向为水平向。图中201是磁铁N，充磁方向垂直于出力方向向上，202是磁铁S，其充磁方向垂直于出力方向向下。203是磁铁H1，充磁方向水平向右。204是磁铁H2，充磁方向水平向左。磁铁H1和H2的作用是增强N和S所在位置的垂向磁密，以增加电机推力。205是漆包线绕制的线圈，图中的⊙代表电流流向垂直纸面向外， 表示电流流向垂直纸面向里，当线圈通入图中所示的电流时，线圈会受到X正向的力；当线圈通入与图中所示电流方向相反的电流时，线圈会受到X负向的力。 

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种能有效减小因制造偏差导致的推力波动和推力干扰的平板型音圈电机。 

    为了实现上述发明目的，本发明公开一种平板型音圈电机，该音圈电机由磁铁和线圈板组成，该磁铁由上磁铁阵列和下磁铁阵列组成，该线圈板位于该上磁铁阵列和下磁铁阵列之间，该线圈板由PCB印刷电路板组成。 

    更进一步地，该音圈电机还包括位于该磁铁外侧的背铁，该上磁铁阵列和下磁铁阵列通过胶水分别与该背铁固定。 

更进一步地，该音圈电机还包括用于冷却线圈板的冷却部件。 

更进一步地，该冷却部件包括上冷却表面和下冷却表面，该上冷却表面位于该上磁铁阵列和线圈板之间，该下冷却表面位于该线圈板和下磁铁阵列之间。 

更进一步地，该冷却部件还包括冷却通道，该冷却通道围绕该线圈板设置，该上冷却表面和下冷却表面将线圈板产生的热量传递给该冷却通道并由冷却通道中的冷却介质带走，该冷却介质为液体或气体。 

更进一步地，该上冷却表面和下冷却表面由不锈钢制成。 

更进一步地，该线圈板、上磁铁阵列和下磁铁阵列的形状均呈矩形。 

更进一步地，该线圈板包括多个镂空槽，该上冷却和下冷却表面分别包括多个凸台，该凸台可嵌入该镂空槽内使得该线圈板与该冷却部件紧密贴合。 

更进一步地，该PCB印刷电路板中的导线层数和匝数大于等于2。 

更进一步地，该线圈板包括层间连接孔。 

更进一步地，该线圈板包括顶层和底层导线引出的引接线孔，该音圈电机的驱动器通过该引接线孔接入。 

更进一步地，该磁铁阵列为哈贝克阵列，该PCB印刷电路在线圈板内形成一个整体线圈，该整体线圈包括多个线圈单元，每个该线圈单元的导线均匀且迂回地分布于该线圈板内并与磁铁阵列的充磁方向配合，使所有处在磁场中的线圈部位受力方向一致。 

更进一步地，该镂空槽处不设置导线且该镂空槽制作于该线圈板完成之后。 

更进一步地，该磁铁为定子，该线圈板为动子。 

与现有技术相比较，本技术方案首次公开一种利用PCB印刷电路板来作为音圈电机动子的技术方案，因其工艺的优越性，可以使线圈外形尺寸较漆包线方案的线圈更加接近设计值，减小了因制造偏差导致的推力波动和推力干扰。本技术方案改进了线圈排布方式，增加了线圈受力面积，进而增加了电机推力。本技术方案的另一个技术优势在于，由于PCB电路板可以将线圈和线圈、线圈和绝缘结构做成一个整体，因此不再需要固定线圈的框架。所以，当线圈作为动子结构时，以PCB电路板作线圈的音圈电机形式减小了动子质量，进而减少了电机发热。 

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。 

图1是现有技术中漆包线形式单线圈平板音圈电机三维电磁结构示意图; 

图2是现有技术中漆包线形式单线圈平板音圈电机二维截面示意图;

图3是本发明所涉及的平板型音圈电机的结构示意图;

图4是本发明所涉及的平板型音圈电机的展开图;

图5是本发明所涉及的平板型音圈电机的二维截面示意图;

图6是本发明所涉及的平板型音圈电机的PCB印刷电路线圈的结构示意图;

图7是本发明所涉及的平板型音圈电机的PCB印刷电路线圈的排布示意图;

图8是本发明所涉及的平板型音圈电机的PCB印刷电路线圈的二维示意图;

图9是本发明所涉及的平板型音圈电机的单片PCB印刷电路的水冷结构示意图;

图10是本发明所涉及的平板型音圈电机的单片PCB印刷电路及其水冷结构二维图;

图11是本发明所涉及的平板型音圈电机的PCB印刷电路板内部线圈的层间排布及连接方式示意图;

图12是本发明所涉及的平板型音圈电机的电磁仿真曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的一种具体实施例的平板型音圈电机。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。 

在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。此外，在以下描述中所使用的“X向”一词主要指与水平向平行的方向；“Y向”一词主要指与水平向平行，且与X向垂直的方向；“Z向”一词主要指与水平向垂直，且与X、Y向均垂直的方向。 

图3是新型平板音圈电机三维结构，图中省略了背铁支承件。301是采用PCB印刷电路板形式的电机线圈。302是紧贴在PCB板表面、同时嵌入PCB板内部的水冷结构，分上下两层，两层合起来将PCB板夹在中间，并形成水道305。303是磁铁阵列，304是磁铁阵列的背铁，磁铁阵列通过用胶水粘结的方式与背铁固连。 

图4是图3的展开图。处在中心位置的是PCB线圈板301；上下水冷结构分别是302a、302b；上下磁铁阵列分别是303a、303b；上下背铁分别是304a、304b；PCB线圈板中的槽407是在PCB板做完成后加工出来的，在该位置处没有导线，因此可以将其掏空。上下两块水冷结构紧密贴合PCB板，平面405贴合PCB板上下表面；凸台406嵌入PCB板内部的槽407。水冷板采用导热性能较好的不锈钢，平面405和凸台406将线圈301产生的热量传传递至水道305，由水道305内所通入的水将PCB线圈所产生的热量带走，以减小线圈内部和表面温升。 

上水冷结构302a位于上磁铁阵列303a和线圈板301之间，下水冷结构302b位于线圈板301和下磁铁阵列303b之间。进一步地，上水冷结构302a及下水冷结构302b均由不锈钢制成，上下磁铁阵列303a、303b和线圈板301均为矩形。线圈板301包括多个镂空槽407。上水冷结构302a和下水冷结构302b分别包括多个凸台406。凸台406可嵌入所述镂空槽407内使得线圈板301与上下水冷结构302a、302b紧密贴合。 

图5是图3的二维截面图，图中隐藏了PCB绝缘结构以及水冷结构，仅保留了电机电磁结构(线圈、磁铁、背铁)。电磁结构中，磁铁阵列由磁铁N（501）、磁铁S502、磁铁H1503、磁铁H2504组成。四种磁铁充磁方向如图5中黑色箭头所示。图中的⊙代表电流流向垂直纸面向外， 表示电流流向垂直纸面向里，当线圈通入图中所示方向的电流时，线圈会受到X正向的力，当通入电流与图中所示方向相反时，线圈会受到X负向的力。磁铁阵列为哈贝克阵列， PCB印刷电路在线圈板内形成一个整体线圈。整体线圈包括多个线圈单元，每个线圈单元的导线均匀且迂回地分布于所述线圈板内并与磁铁阵列的充磁方向配合，使所有处在磁场中的线圈部位受力方向一致。 

图6是PCB印刷电路机加工之后的外观，图中601是PCB内部的层间接线孔，602是最第一层和最底层导线所引出的引接线孔，电机驱动器通过两个引接线孔接入。PCB印刷电路板中的导线层数和匝数大于等于2。线圈板包括层间连接孔601、第一层和最底层导线所引出的引接线孔602。 

图7是PCB板内部的线圈排布方式示意图，图中隐藏了PCB外围绝缘结构。从图中可以看出，PCB板内部是一个整体线圈，所有线圈通过迂回分布的方式实现与图5所示的磁铁阵列充磁方向配合，使得所有处在磁场中的线圈部位受力方向一致。 

图8是图7的二维截面图。图中所标示的T定义为一个线圈单元，图8中示意了四个线圈单元的PCB线圈，但本专利所描述的新型平板音圈电机不限于四个，线圈单元数量大于或等于2的，当线圈单元数量为n时，磁铁阵列的N和S的对数为2n。 

图9是贴合PCB板的冷却结构的三维结构，当线圈单元数量变化时，冷却结构的凸起数量随之变化。 

图10是 PCB印刷电路板及其水冷结构二维剖面图，图中1001是PCB板内部的线圈；1002是线圈外围的绝缘层(实际上，在PCB板内部的线圈中，各匝之间，各层之间也有绝缘层，只是图中将把每一层以及每一层的每一匝都视为一个整体)；302是水冷结构；305是水道。进一步地，水冷结构302也可以用风冷结构或者其他冷却液体作为冷却介质进行替代。 

图11是PCB内部各层排布及层间接线示意，图11中示意了四层导线的排布及接线方式，但导线层数不限于四层。图中1101(层间连接孔，图中以一条圆柱体示意)对应于图6中的601；图中的1102(引接线孔)对应图6中的引接线孔602。图中每一层的匝数不限，层数不限，匝数和层数都可以根据需要扩展(目前的国内PCB制板水平最多可达40层)。当线圈宽度不变，扩展导线匝数时，每一匝的导线宽度要相应变窄；当线圈厚度(Z向)不变，扩展导线层数时，每一层导线厚度要相应变薄。 

图12是PCB形式的平板音圈电机推力常数的电磁仿真曲线，图中横轴是PCB线圈X向行程，纵轴是PCB线圈推力常数。从图中可以看出，在行程范围内，推力常数最大值和最小值分别是：21.70N/A、21.02N/A，则电机在行程范围内的推力波动为(21.70-21.02)/21.02=3.2%。推力波动在可接受范围内。 

与现有技术相比较，本技术方案公开一种利用PCB印刷电路板来作为音圈电机动子的技术方案，因其工艺的优越性，可以使线圈外形尺寸较漆包线方案的线圈更加接近设计值，减小了因制造偏差导致的推力波动和推力干扰。本技术方案改进了线圈排布方式，增加了线圈受力面积，进而增加了电机推力。本技术方案的另一个技术优势在于，由于PCB电路板可以将线圈和线圈、线圈和绝缘结构做成一个整体，因此不再需要固定线圈的框架。所以，当线圈作为动子结构时，以PCB电路板作线圈的音圈电机形式减小了动子质量，进而减少了电机发热。 

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。 

  

Claims (14)

1.一种平板型音圈电机，其特征在于，所述音圈电机由磁铁和线圈板组成，所述磁铁由上磁铁阵列和下磁铁阵列组成，所述线圈板位于所述上磁铁阵列和下磁铁阵列之间，所述线圈板由PCB印刷电路板组成。

2.如权利要求1所述的平板型音圈电机，其特征在于，所述音圈电机还包括位于所述磁铁外侧的背铁，所述上磁铁阵列和下磁铁阵列通过胶水分别与所述背铁固定。

3.如权利要求1所述的平板型音圈电机，其特征在于，所述音圈电机还包括用于冷却线圈板的冷却部件。

4.如权利要求3所述的平板型音圈电机，其特征在于，所述冷却部件包括上冷却表面和下冷却表面，所述上冷却表面位于所述上磁铁阵列和线圈板之间，所述下冷却表面位于所述线圈板和下磁铁阵列之间。

5.如权利要求4所述的平板型音圈电机，其特征在于，所述冷却部件还包括冷却通道，所述冷却通道围绕所述线圈板设置，所述上冷却表面和下冷却表面将线圈板产生的热量传递给所述冷却通道并由冷却通道中的冷却介质带走，所述冷却介质为液体或气体。

6.如权利要求4所述的平板型音圈电机，其特征在于，所述上冷却表面和下冷却表面由不锈钢制成。

7.如权利要求1所述的平板型音圈电机，其特征在于，所述线圈板、上磁铁阵列和下磁铁阵列的形状均呈矩形。

8.如权利要求4所述的平板型音圈电机，其特征在于，所述线圈板包括多个镂空槽，所述上冷却和下冷却表面分别包括多个凸台，所述凸台可嵌入所述镂空槽内使得所述线圈板与所述冷却部件紧密贴合。

9.如权利要求1所述的平板型音圈电机，其特征在于，所述PCB印刷电路板中的导线层数和匝数大于等于2。

10.如权利要求9所述的平板型音圈电机，其特征在于，所述线圈板包括层间连接孔。

11.如权利要求9所述的平板型音圈电机，其特征在于，所述线圈板包括顶层和底层导线引出的引接线孔，所述音圈电机的驱动器通过所述引接线孔接入。

12.如权利要求1所述的平板型音圈电机，其特征在于，所述磁铁阵列为哈贝克阵列，所述PCB印刷电路在线圈板内形成一个整体线圈，所述整体线圈包括多个线圈单元，每个所述线圈单元的导线均匀且迂回地分布于所述线圈板内并与磁铁阵列的充磁方向配合，使所有处在磁场中的线圈部位受力方向一致。

13.如权利要求8所述的平板型音圈电机，其特征在于，所述镂空槽处不设置导线且所述镂空槽制作于所述线圈板完成之后。

14.如权利要求1所述的平板型音圈电机，其特征在于，所述磁铁为定子，所述线圈板为动子。