CN105006939B - 一种音圈电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种音圈电机，包括定子和动子；所述定子包括上下对称设置的两个矩形背铁、连接两个矩形背铁的关节机构以及设置在所述矩形背铁上的永磁阵列；所述动子位于所述定子的上下两个矩形背铁之间，包括线圈导体以及包裹在所述线圈导体外围的线圈盖板；所述永磁阵列位于所述定子和矩形背铁之间；所述永磁阵列或矩形背铁上设有凹槽；所述凹槽位于所述永磁阵列的磁块的中心位置并朝向所述矩形背铁或位于所述矩形背铁上并朝向所述永磁阵列的磁块的中心位置。

Description

一种音圈电机

技术领域

本发明属于机械工程技术领域，尤其涉及一种音圈电机。

背景技术

音圈电机(Voice Coil Actuator/Voice Coil Motor)，是一种将电能转化为机械能的装置，并实现直线型及有限摆角的运动。利用来自永久磁钢的磁场与通电线圈导体产生的磁场中磁极间的相互作用产生有规律的运动的装置。

音圈电机的工作原理是依据安培力原理，即通电导体放在磁场中就会产生电磁力。电磁力的大小取决于磁场强弱，电流。电磁力的计算公式为：F=BLL。其中，B为磁场的磁通密度(韦/米²)；I为线圈导体中的总电流(安)；L为导体在磁场中的切割长度(米)；F为作用在线圈导体上的电磁力(牛)。电磁力的方向可以根据左手定则进行判定，即张开左手，大拇指与其余四指垂直，让磁力线穿过掌心，四指方向表示电流方向，则大拇指方向就是电磁力的方向。

与U型直线电机和平板型直线电机相比，音圈电机可以提供更好的高频响应特性，可做高速往复直线运动，特别适合用于短行程的闭环伺服控制系统。因此音圈电机主要应用于小行程、高速、高加速运动，适合用于狭小的空间。由于这些有点，音圈电机广泛应用在医疗、半导体、航空、汽车等领域，包括阀门制动器，小型精密替换测量仪、振动平台以及主动式减振系统等众多方面。

现有技术下设计的音圈电机，主要是利用NS永磁阵列产生主磁场，将动子线圈置于主磁场之间，通过改变电流的大小，动子线圈的匝数来调整音圈电机的出力大小。但是，现有技术只是将电机研发的重点集中在如何提高电机出力的角度上，对电机有效行程范围内推力波动的考虑和研究做出的努力却很少。所谓推力波动(或称出力波动)是指，理论上，在有效行程范围内，电机外加激励不变的情况下，电机的推力是保持不变的，但是，实际过程中，由于受到外界因素的干扰，比如说，磁钢阵列气隙磁密分布不均匀等情况，在有效行程范围内电机推力是变化的，推力曲线不是直线而是弧线。但是，随着半导体等行业的兴起，对电机控制精度的要求越来越高。因此，如何合理控制电机推力波动成为现阶段正在面对，并需要快速解决的重要问题之一。

发明内容

为了解决克服现有技术的上述缺陷，本发明通过改变电机整体结构，研发出一款新型矩形音圈电机。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种音圈电机，包括定子和动子；所述定子包括上下对称设置的两个矩形背铁、连接两个矩形背铁的关节机构以及设置在所述矩形背铁上的永磁阵列；所述动子位于所述定子的上下两个矩形背铁之间，包括线圈导体以及包裹在所述线圈导体外围的线圈盖板；所述永磁阵列位于所述定子和矩形背铁之间；所述永磁阵列或矩形背铁上设有凹槽；所述凹槽位于所述永磁阵列的磁块的中心位置并朝向所述矩形背铁或位于所述矩形背铁上并朝向所述永磁阵列的磁块的中心位置。

更进一步地，所述永磁阵列均匀分布在所述定子的上下两个矩形背铁上。

更进一步地，所述定子的上下两个矩形背铁与关节机构连接形成一“Π”字型。

更进一步地，所述上下两层夹板与所述线圈导体之间填充冷却水。

更进一步地，该凹槽的形状为弧形、矩形、椭圆型中的任意一种。

更进一步地，该关节靠近该动子的一面凹陷，形成一“U”字型结构。

更进一步地，该永磁阵列是NS永磁结构或Halbach永磁结构。

与现有技术相比较，本发明通过改变电机整体结构，研发出一款新型矩形音圈电机。该电机不仅有效的节省了材料，而且能够很好的控制全行程范围内电机推力波动比，即，在有效行程范围内电机出力最大值与出力最小值之差与电机推力峰值的比值。

与现有技术相比较，本发明采用在贴近永磁阵列侧，位于磁体中心位置开凹槽的背铁结构可以增大背铁磁路的磁阻，使位于磁体中心处的磁密在背铁凹槽处达到饱和，从而有效地改善气隙处磁密的分布情况，因此可以达到平滑推力波动的效果。

与现有技术相比较，本发明采用在贴近动子侧，位于磁体中心位置开凹槽的磁钢阵列结构因为减少了磁体中心处永磁体的体积，因此，在磁体中心处的磁密就会相应减弱，使磁体中心处的磁密与磁体边缘磁密接近，从而有效地改善气隙处磁密的分布情况，以达到平滑推力波动的效果。

与现有技术相比较，现有技术只在磁铁上开槽，其局限期在磁铁加工较难，如果磁铁厚度较小，能开槽的尺寸有限，改善推力波动的效果就很有限，此外磁铁凹槽处过薄在装配时也容易发生断裂，本发明的各种方案充分利用磁铁和背铁尺寸，给出最优的一种组合开槽方案。

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是本发明所示出的音圈电机的结构示意图；

图2是本发明所示出的音圈电机的轴示图；

图3是本发明所示出的音圈电机的2D磁密矢量图；

图4是本发明所示出的音圈电机的3D磁密矢量图；

图5是本发明所示出的音圈电机与现有技术的气隙处磁密对比仿真结果示意图；

图6是本发明所示出的音圈电机与现有技术的动子线圈电磁力对比仿真结果示意图；

图7是本发明所示出的音圈电机的第二实施例；

图8是本发明所示出的音圈电机的第三实施例；

图9是本发明所示出的音圈电机的第四实施例；

图10是本发明所示出的音圈电机的第五实施例；

图11是本发明所示出的音圈电机的第六实施例。

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。

如图1所示，本发明所述的音圈电机，包括定子部分、动子部分。

定子部分包括结构一致且对称放置的定子背铁部分1A、1B，用导磁材料制成；

充磁方向竖直向上的永磁块4A、4C；

充磁方向竖直向下的永磁块4B、4D；以及

固定背铁部分1A、1B的关节机构2，关节机构2用不导磁材料制成。

其中，永磁块4A、4B、4C、4D构成音圈电机定子部分的永磁阵列，被固定在背铁1A、1B上，共同组成音圈电机的主磁路。

动子部分包括线圈和包裹在线圈外围的线圈盖板3A、3B，线圈盖板3A、3B用不导磁不导电的材料制成，用于将动子线圈密封在其内部。由于线圈采用水冷方式冷却，因此在线圈盖板3A、3B内壁设置水道，方便冷却水在其内部流动，起到冷却线圈的作用。线圈盖板3A、3B置于定子的中心位置，便于线圈均匀出力。

背铁1A、1B上的开设凹槽5A、5B、5C、5D，凹槽5A、5B、5C、5D的位置与永磁块4A、4B、4C、4D布置位置有关，即凹槽5A、5B、5C、5D应该位于对应永磁块4A、4B、4C、4D的中心位置处。凹槽5A、5B、5C、5D的形状视具体电机而定，可以是如图所示的弧形槽，也可以是方型槽。由于凹槽5A、5B、5C、5D的存在，导致背铁1A、1B的凹槽5A、5B、5C、5D处磁阻显著增加，因此，磁通在凹槽5A、5B、5C、5D处会有明显的降低，直接影响图中所示区域6A、6B磁密的衰减，使得音圈电机气隙处整体磁密均匀，从而达到平滑电机推力波动的作用。

所述，背铁上开设凹槽对电机整体磁密的影响及出力的影响如图2、图3所示。其中图2为背铁处不做任何处理与背铁处开槽两种方案电机中心线处的磁密MagB的对比曲线图。从图2可知，本技术方案可以平滑电机中心处的磁密。根据洛伦磁力定律可知，音圈电机的电磁推力与气隙处的磁密有很大的关联，当气隙处的磁密得到改善后，电机的推力波动也将得到相应的改善。

图3所示为线圈通电后在磁场中参数的电磁力的曲线情况。图3中列出背铁处不做处理与背铁处开设凹槽两种方案得到的电机电磁力曲线图。从图中可知，当电机背铁不做任何处理时，电机电磁力的波动情况很明显，在曲线的中间部分有明显的上凸趋势。对背铁进行开槽改良处理后，电机的电磁力曲线得到明显的改善，主要表现在，电磁力曲线中间部分波峰被明显的削平。从对比曲线可知，本技术方案在平滑电机出力方面有显著的效果。

图7至11是本发明的其他几种实施方式。图7是第二实施例的结构示意图，在实施例1的基础上，所述背铁开槽部分也可以是除弧形以外其他形状的凹槽，为了加工方便，还可以将弧形开槽设计成方形凹槽。如图7中1A、1B、1C、1D所示。

图8是第三实施例的结构示意图，在实施例1的基础上，将磁钢阵列表面也开设出与背板部分相应的槽型，通过改变磁钢阵列和背板的结构来达到平滑推力波动的目的。如图8中1A、1B、1C、1D所示。

图9是第四实施例的结构示意图，在实施例3的基础上，将磁钢阵列和背铁处的槽型由弧形改成方形方案。如图9中1A、1B、1C、1D所示。

图10是第五实施例的结构示意图，在实施例3的基础上，将背铁处的开槽填平，即背铁处不开设凹槽，仅对磁钢阵列开设弧形凹槽，如图10中1A、1B、1C、1D所示。

图10是第六实施例的结构示意图，在实施例5的基础上，所述背铁开槽部分也可以是除弧形以外其他形状的凹槽，为了加工方便，还可以将弧形凹槽设计成方形凹槽。如图11中1A、1B、1C、1D所示。

与现有技术相比较，本发明通过改变电机整体结构，研发出一款新型矩形音圈电机。该电机不仅有效的节省了材料，而且能够很好的控制全行程范围内电机推力波动比，即，在有效行程范围内电机出力最大值与出力最小值之差与电机推力峰值的比值。

与现有技术相比较，本发明采用在贴近永磁阵列侧，位于磁体中心位置开设凹槽的背铁结构可以增大背铁磁路的磁阻，使位于磁体中心处的磁密在背铁凹槽处达到饱和，从而有效地改善气隙处磁密的分布情况，因此可以达到平滑推力波动的效果。

与现有技术相比较，本发明采用在贴近动子侧，位于磁体中心位置开设凹槽的磁钢阵列结构因为减少了磁体中心处永磁体的体积，因此，在磁体中心处的磁密就会相应减弱，使磁体中心处的磁密与磁体边缘磁密接近，从而有效地改善气隙处磁密的分布情况，以达到平滑推力波动的效果。

与现有技术相比较，现有技术只在磁铁上开槽，其局限期在磁铁加工较难，如果磁铁厚度较小，能开槽的尺寸有限，改善推力波动的效果就很有限，此外磁铁凹槽处过薄在装配时也容易发生断裂，本发明的各种方案充分利用磁铁和背铁尺寸，给出最优的一种组合开槽方案。

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 (7)

1.一种音圈电机，其特征在于，包括定子和动子；所述定子包括上下对称设置的两个矩形背铁、连接两个矩形背铁的关节机构以及设置在所述矩形背铁上的永磁阵列；所述动子位于所述定子的上下两个矩形背铁之间，包括线圈导体以及包裹在所述线圈导体外围的线圈盖板；所述永磁阵列位于所述定子和矩形背铁之间；所述永磁阵列和矩形背铁上设有凹槽；所述永磁阵列上的凹槽位于所述永磁阵列的磁块的中心位置并朝向所述矩形背铁的一面上，所述矩形背铁上的凹槽位于所述矩形背铁上并朝向所述永磁阵列的磁块的中心位置的一面上，所述永磁阵列上的凹槽的槽型与所述矩形背铁上的凹槽的槽型相对应。

2.如权利要求1所述的音圈电机，其特征在于，所述永磁阵列均匀分布在所述定子的上下两个矩形背铁上。

3.如权利要求1所述的音圈电机，其特征在于，所述定子的上下两个矩形背铁与关节机构连接形成一“Π”字型。

4.如权利要求1所述的音圈电机，其特征在于，所述上下两层夹板与所述线圈导体之间填充冷却水。

5.如权利要求4所述的音圈电机，其特征在于，所述凹槽的形状为弧形、矩形、椭圆型中的任意一种。

6.如权利要求3所述的音圈电机，其特征在于，所述关节靠近所述动子的一面凹陷，形成一“U”字型结构。

7.如权利要求1所述的音圈电机，其特征在于，所述永磁阵列是NS永磁结构或Halbach永磁结构。