CN105281531B - 具有重力补偿功能的音圈电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有重力补偿功能的音圈电机，包括外部背铁，所述外部背铁为圆筒型背铁或两个板型背铁；置于所述外部背铁内的磁钢组件；及置于外部背铁内侧及磁钢组件外侧之间的线圈，所述线圈与磁钢组件之间可相对运动；所述外部背铁的磁通饱和度沿重力方向由小变大。本发明通过设置磁通饱和度沿重力方向由小变大的外部背铁，使电机具有一个相对稳定地向上的作用力，以作为重力补偿，减小电机发热。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有重力补偿功能的音圈电机。
背景技术
音圈电机因其结构简单、体积小、高响应速度、高精度等特点，被广泛应用在光刻机中的短行程微动单元中。
现有技术中的音圈电机，请参考图1至图3，多采用线圈2独立于磁铁3和背铁1a、1b的结构，且当电机垂向出力时，电机没有对负载的重力补偿功能，在一定程度上增加了电机发热。
图1是一种传统音圈电机三维结构，其剖面图如图2所示，其电磁结构包括：磁铁3，与磁铁3固连的背铁1a和1b(属导磁材料)，以及处在磁铁3和两背铁1a和1b之间的线圈2。其二维剖面图及磁路分布如图3所示，图中粗箭头4表示磁铁3的充磁方向，细箭头5表示背铁1a和1b内部的磁路走向。磁铁3的充磁方向与两个背铁1a和1b的内部磁路分布构成了径向闭合的磁回路，磁铁3的外壁与外围背铁1a和1b内壁之间的气隙磁场方向是径向向外的。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2通入如图3中所示方向的电流时，线圈2会受到垂直向上(Z轴正向)的作用力；当通入与图3中所示方向相反的电流时，线圈2会受到垂直向下的作用力。
发明内容
本发明提供具有重力补偿功能的音圈电机，对负载进行重力补偿，进而减小电机发热。
为解决上述技术问题，本发明提供一种具有重力补偿功能的音圈电机，包括
筒型背铁；
置于所述筒型背铁内的磁钢组件；以及
置于所述筒型背铁内侧及所述磁钢组件外侧之间的线圈，所述线圈与所述磁钢组件之间可相对运动；
所述筒型背铁内的磁通饱和度沿所述音圈电机轴向变化。
较佳地，所述筒型背铁一端厚度大于另一端厚度。
较佳地，所述筒型背铁内径相同，所述筒型背铁沿所述音圈电机轴向的剖面呈阶梯状。
较佳地，所述筒型背铁内径相同，所述筒型背铁沿所述音圈电机轴向的剖面呈向所述音圈电机轴线凹陷状。
较佳地，所述筒型背铁内径相同，所述筒型背铁沿所述音圈电机轴向的剖面呈梯形状。
较佳地，所述筒型背铁由多个硅钢片沿一周线方向叠压而成。
较佳地，所述线圈为两组，且两组线圈之间互不接触。
较佳地，所述两组线圈分别为第一线圈和第二线圈，所述第一线圈的一端面与所述筒型背铁的一端面平齐，所述第二线圈的一端面低于所述筒型背铁的另一端面。
较佳地，所述磁钢组件包括中心背铁、套设于所述中心背铁两端的两个筒型磁铁。
较佳地，所述磁钢组件包括中心背铁、套设于所述中心背铁上的筒型磁铁。
较佳地，所述的筒型磁铁的位置与所述线圈的位置一一对应。
较佳地，所述中心背铁中设有一沿所述音圈电机轴向贯穿整个中心背铁的圆柱形孔。
较佳地，所述磁钢组件包括中心磁铁、两个第一背铁以及两个充磁方向相反的筒型磁铁，所述两个第一背铁与所述中心磁铁的两端固连，所述两个筒型磁铁分别套设于所述两个第一背铁。
较佳地，所述两个筒型磁铁的位置与所述两组线圈的位置一一对应。
较佳地，所述中心磁铁以及两个第一背铁中设有沿音圈电机轴向贯穿的圆柱形孔。
较佳地，所述磁钢组件包括中心磁铁和固定于所述中心磁铁两端的两背铁。
较佳地，所述两背铁的位置与所述两组线圈的位置一一对应。
较佳地，所述中心磁铁和两个背铁中设有沿音圈电机轴向贯穿的圆柱形孔。
较佳地，所述筒型背铁、两组线圈沿音圈电机轴向的长度关系如下：
2Hcoil+Hair＜Hiron，其中，Hiron为筒型背铁沿轴向的长度，Hcoil为每一组线圈沿音圈电机轴向的长度，Hair为两组线圈之间沿音圈电机轴向的间距。
较佳地，筒型背铁由两个内外径均相同的第一部分与第二部分沿所述音圈电机轴向堆叠而成，且第一部分磁导率不等于第二部分磁导率。
较佳地，所述筒型背铁沿其径向的剖面为圆形或长方形。
本发明还提供了一种具有重力补偿功能的音圈电机，包括：
两个板型背铁，
置于所述两个板型背铁内的磁钢组件；以及
设置在所述板型背铁与所述磁钢组件之间的线圈，所述线圈与所述磁钢组件可相对移动；
所述两个板型背铁的磁通饱和度沿所述音圈电机轴向变化。
较佳地，所述两个板型背铁沿所述音圈电机轴向厚度分布为：所述板型背铁一端厚度大于另一端厚度。
较佳地，所述两个板型背铁的内侧面均为平面，板型背铁沿所述音圈电机轴向的剖面呈阶梯状，所述剖面与所述板型背铁内侧面所在平面相交。
较佳地，所述两个板型背铁的内侧面为平面，所述板型背铁沿所述音圈电机轴向的剖面呈向所述音圈电机轴线凹陷状，所述剖面与所述板型背铁内侧面所在平面相交。
较佳地，所述两个板型背铁的内侧面为平面，所述板型背铁沿所述音圈电机轴向的剖面呈梯形状。
较佳地，所述两个板型背铁均为平板型背铁，且每一平板型背铁均由第一部分与第二部分沿所述音圈电机轴向堆叠而成，且第一部分磁导率不等于第二部分磁导率。
较佳地，所述线圈为两组，所述磁钢组件包括中心背铁以及设于所述中心背铁两端的两个充磁方向相反的磁铁组件。
较佳地，所述两个磁铁组件分别由两个充磁方向相反的磁铁组成。
较佳地，所述两个板型背铁分别由多个导磁片状材料叠压而成。
本发明还提供了一种具有重力补偿功能的音圈电机，包括：
外部背铁；
磁钢组件，设置于外部背铁内；以及
线圈，设置于所述外部背铁与所述磁钢组件之间，所述线圈与所述磁钢组件可相对移动；
所述外部背铁的磁通饱和度沿所述音圈电机轴向变化。
较佳地，外部背铁为筒型背铁。所述筒型背铁一端厚度大于另一端厚度。
较佳地，所述筒型背铁沿所述音圈电机轴向的剖面呈阶梯状。
较佳地，所述筒型背铁沿所述音圈电机轴向的剖面呈向所述音圈电机轴线凹陷状。
较佳地，所述筒型背铁沿所述音圈电机轴向的剖面呈倒梯形。
较佳地，所述筒型背铁由两个内外径均相同的第一部分与第二部分沿所述音圈电机轴向堆叠而成，且第一部分磁导率不等于第二部分磁导率。
较佳地，所述外部背铁由两个板型背铁组成。
较佳地，所述两个板型背铁沿所述音圈电机轴向厚度分布为：所述板型背铁一端厚度大于另一端厚度。
较佳地，所述板型背铁沿所述音圈电机轴向的剖面呈阶梯状，所述剖面与所述板型背铁内侧面所在平面相交。
较佳地，所述板型背铁沿所述音圈电机轴向的剖面呈向所述音圈电机轴线凹陷状，所述剖面与所述板型背铁内侧面所在平面相交。
较佳地，所述板型背铁沿所述音圈电机轴向的剖面呈梯形状，所述剖面与所述板型背铁内侧面所在平面相交。
较佳地，所述两个板型背铁均为平板型背铁，且每一平板型背铁均由第一部分与第二部分沿所述音圈电机轴向堆叠而成，且第一部分磁导率不等于第二部分磁导率。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明通过设置磁通饱和度沿音圈电机轴向(电机轴向为图中的Z向，该方向与重力方向基本一致)由小变大的外部背铁，根据磁铁本身的特性，使电机具有一个相对稳定地向上(反重力方向)的作用力，以此作为重力补偿，进而减小电机发热；
2.在电机出力不变的情况下，径向(图中X向和Y向)尺寸可以做得更小，提高空间利用率；
3.线圈可固定于外部背铁的内侧面，有利于线圈的散热；
4.第一线圈的一端面与所述筒型背铁的一端面平齐，所述第二线圈的一端面低于所述筒型背铁的另一端面，即在整个行程范围内，线圈始终处于外部背铁内部，与现有技术中的线圈裸露于背铁外部相比，本发明可以有效保护线圈，延长其使用寿命。
附图说明
图1为传统音圈电机的三维结构示意图；
图2为图1的剖视图；
图3为图1所示传统音圈电机的二维剖面及磁路分布图；
图4为本发明实施例1的具有重力补偿功能的音圈电机的结构示意图；
图5为图4的剖视图；
图6为图4的爆炸图；
图7为本发明实施例1的二维剖面及磁路分布图；
图8为本发明实施例1的具有重力补偿功能的音圈电机的圆筒型背铁的外径尺寸示意图；
图9为本发明实施例1的具有重力补偿功能的音圈电机线圈不通电时的重力补偿仿真曲线图；
图10为本发明实施例1的具有重力补偿功能的音圈电机线圈通电时的电机出力仿真曲线图；
图11为本发明实施例2的具有重力补偿功能的音圈电机的剖视图；
图12为本发明实施例2的具有重力补偿功能的音圈电机的磁路分布图；
图13为本发明实施例3的具有重力补偿功能的音圈电机的剖视图；
图14为本发明实施例3的具有重力补偿功能的音圈电机的磁路分布图；
图15为本发明实施例4的具有重力补偿功能的音圈电机的剖视图；
图16为本发明实施例5的具有重力补偿功能的音圈电机的剖视图
图17为本发明实施例5的具有重力补偿功能的音圈电机的磁路分布图；
图18为本发明实施例6的具有重力补偿功能的音圈电机的剖视图；
图19为本发明实施例7的具有重力补偿功能的音圈电机的剖视图；
图20为本发明实施例7的具有重力补偿功能的音圈电机的二维剖面图；
图21为本发明实施例8的具有重力补偿功能的音圈电机的二维剖面图；
图22为本发明实施例9的具有重力补偿功能的音圈电机的二维剖面图；
图23为本发明实施例10的具有重力补偿功能的音圈电机的二维剖面图；
图24为本发明实施例11的具有重力补偿功能的音圈电机的三维结构示意图；
图25为本发明实施例11的具有重力补偿功能的音圈电机的三维结构展开图；
图26为本发明实施例11的具有重力补偿功能的音圈电机的二维剖面及磁路分布图；
图27为本发明实施例12的具有重力补偿功能的音圈电机的三维结构示意图；
图28为本发明实施例12的具有重力补偿功能的音圈电机的三维结构展开图。
图1-3中：1a、1b-背铁，2-线圈，3-磁铁，4-粗箭头，5-细箭头；
图4-7中：110-筒型背铁，111-硅钢片，120a-第一线圈，120b-第二线圈，130-磁钢组件，131-中心背铁，132a、132b-圆筒型磁铁，140-粗箭头，150-细箭头；
图11-12中：231-中心背铁，241-圆柱形孔；
图13-14中：310-筒型背铁，320a、320b-线圈，330-磁钢组件，331-中心磁铁，332a、332b-第一背铁，333a、333b-圆筒型磁铁，340-粗箭头、350-细箭头；
图15中：431-中心磁铁，432a、432b-第一背铁，441-圆柱形孔；
图16-17中：520a、520b-线圈，530-磁钢组件，531-中心磁铁，532a、532b-背铁，540-粗箭头，550-细箭头；
图18中：631-中心磁铁，632a、632b-背铁，641-圆柱形孔；
图19-20中：710-筒型背铁，711-第一部分，712-第二部分，720a、720b-线圈；
图21中：810-外部背铁；
图22中：910-外部背铁；
图23中：1010-外部背铁；
图24-26中：1110-外部背铁，1120a、1120b-线圈，1131-中心背铁，1132a、1132b-方形磁铁；
图27-28中：1210-板型背铁，1232a-第一磁铁，1232b-第二磁铁。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加清晰易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其轴向与重力方向一致，或者电机轴向与重力方向存在微小夹角。以下即以本发明的电机轴向与重力方向一致作为图示对本发明所述电机结构及工作机制进行详细说明。
实施例1
请参考图4至图7，本发明提供的具有重力补偿功能的音圈电机，包括：外部背铁，所述外部背铁为筒型背铁或由两个板型背铁组成，本实施例中采用筒型背铁110；置于所述筒型背铁110内的磁钢组件130；以及置于所述筒型背铁110内侧及所述磁钢组件130外侧之间的线圈，所述线圈与所述磁钢组件130之间可相对运动，具体地，所述线圈可以为一组或两组，当线圈为一组时，对应的磁钢组件包括中心背铁、套设于所述中心背铁上的筒型磁铁，所述线圈与所述筒型磁铁的位置相对应；本实施例中，所述线圈为两组，且两组线圈之间互不接触，相对应地，所述磁钢组件130包括中心背铁131、套设于所述中心背铁131两端的两个充磁方向相反的筒型磁铁132a、132b，具体地，本实施例中，分别采用磁铁N和磁铁S，所述的磁铁N、磁铁S以及中心背铁131组成可相对于线圈120a、120b和外围的筒型背铁110做垂向(与电机轴向、重力方向一致)运动的整体结构，较佳地，所述两个筒型磁铁132a、132b的位置与所述两组线圈120a、120b的位置一一对应。所述筒型背铁110和中心背铁131以及两个筒型磁铁132a和132b组成径向闭合的磁回路。本实施例中，所述筒型背铁110沿重力方向的剖面呈向所述音圈电机轴线凹陷状使所述筒型背铁顶端的磁通饱和度始终小于其其他部分的磁通饱和度。请重点参考图7，本发明通过设置内径相同，且顶端(图中a处)壁厚大于其下方(图中b处)壁厚的筒型背铁110，这样，当磁钢组件130中的中心背铁131处于b处时，外围筒型背铁110内的磁场状态为过饱和状态；当中心背铁131处于a处时，磁场状态为临界饱和状态。由于磁铁本身的特性，总是趋向于靠近磁场饱和度更低的部位，因此，当线圈120a、120b没有通电时，两个筒型磁铁132a、132b及中心背铁131会受到一个向上的相对稳定的力，该力定义为重力补偿力。在电机设计时，使动子负载重力大于该重力补偿力，所以电机在不通电的情况下，两筒型磁铁132a、132b与中心背铁131会自由地落至底端，当需要向上做垂向运动时，电机只需要克服负载重力减去重力补偿力之外的部分，从而减小电机发热。
具体地，请重点参考图7，图中粗箭头140代表磁铁的充磁方向，上面的筒型磁铁132a(磁铁N)充磁方向径向向外(背离圆心)，下面的筒型磁铁132b(磁铁S)充磁方向径向向里(指向圆心)；细箭头150代表中心背铁131以及外围的筒型背铁110的磁路走向。图中中心背铁131、两个筒型磁铁132a、132b、外围筒型背铁110，三者组成了径向闭合的磁回路。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。当按照图中所标示的方向充磁，并给线圈120a、120b通入图中所示电流方向的电流时，两个筒型磁铁132a、132b及中心背铁131会受到垂直向上的作用力；当通入与图中所标示的电流方向相反的电流时，两个筒型磁铁132a、132b及中心背铁131会受到垂直向下的作用力；当磁铁的充磁方向与图中所标的方向相反，但通入与图中所标的电流方向相同的电流时，两个筒型磁铁132a、132b与中心背铁131会受到垂直向下的作用力；当通入与图中所标的电流方向相反的电流时，两个筒型磁铁132a、132b与中心背铁131会受到垂直向上的作用力。
较佳地，请重点参考图6，所述筒型背铁110由多个硅钢片111沿一圆周方向叠压而成，这种叠压结构是为了减小磁钢组件130相对于外围筒型背铁110做相对运动时在外围筒型背铁110内所产生的电涡流，进而减小电机阻尼力。
较佳地，请重点参考图8，所述筒型背铁110沿重力方向的剖面呈向所述音圈电机轴线凹陷状，且外径曲线(即向所述音圈电机轴线凹陷所在曲线)处处可导。图8标示了三个部位外围筒型背铁110的外径曲线特定点：(0，x0)，(z1,x1)，(z2,x2)。
现将图8中所示的外围筒型背铁110外径曲线定义为：X＝f(z)。X＝f(z)在[0,z2]范围内处处可导，其导数定义为X＝f′(z)，两函数需要满足以下关系式：
式(1)描述了当筒型背铁110外径分布形状为处处可导的曲线时的关系式。当外径分布形状是分段的两段直线时，则三个点(0，z0)，(x1,z1)，(x2,z2)所组成折线的关系如式(2)所示：
较佳地，所述两组线圈分别为第一线圈120a和第二线圈120b，所述第一线圈120a的一端面与所述筒型背铁110的一端面平齐，所述第二线圈120b的一端面低于所述筒型背铁110的另一端面，具体地，本实施例中，所述第二线圈120b的下边缘与所述筒型背铁110平齐，所述第一线圈120a的上边缘低于所述筒型背铁110的上边缘。具体地，图8中定义了外围筒型背铁110的高度(即沿音圈电机轴向长度)与线圈120a、120b的高度(即沿音圈电机轴向长度)之间的关系，两个线圈120a、120b等长，长度为Hcoil；两线圈120a、120b之间的间距为Hair；外围筒型背铁110高度为Hiron。三者之间有如下关系：
2Hcoil+Hair＜Hiron (3)
由于线圈120a和120b的分布没有达到位置a处，因此，磁钢组件130也达不到位置a。所以，当磁钢组件130相对于筒型背铁110在a处以下做相对运动时，筒型磁铁132a、132b和中心背铁131所形成的整体结构总会受到向上的作用力。
图9是电机不通电时的重力补偿力仿真曲线，横轴是垂向行程，纵轴是重力补偿力的大小。图中最大值和最小值分别为6.86N和6.53N，重力补偿力波动为5.1％。图10是具有重力补偿功能的音圈电机，通入1A的电流时的推力仿真曲线，横轴是垂向行程，纵轴是电机出力大小。图中最大值和最小值分别为21.76N和20.56N，推力波动范围为5.8％，重力补偿量约占到了电机推力常数的31％。上述推力波动和重力补偿力波动均可以通过控制方式补偿，使电机在行程范围内出力一致。
较佳地，请重点参考图5和图7，所述磁钢组件130的外表面与所述线圈120a、120b之间留有间隙。以确保磁钢组件130相对于线圈120a、120b和筒型背铁110运动时无机械摩擦。
实施例2较佳地，请参考图11，本实施例与实施例1的区别在于：所述中心背铁231中设有一沿音圈电机轴向贯穿整个中心背铁231的圆柱形孔241，所述的圆柱形孔241可方便穿入水平向(x、y向)限位导柱，当然，所述限位导柱必须为不导磁材料。请重点参考图12，在中心背铁231内增加所述圆柱形孔241，不会阻断磁回路，依然可以达到重力补偿作用。
实施例3
较佳地，请参考图13，本实施例与实施例1的区别在于：所述磁钢组件330包括中心磁铁331、两个第一背铁332a、332b以及两个充磁方向相反的筒型磁铁333a、333b，所述两个第一背铁332a、332b与所述中心磁铁331的两端固连，所述两个筒型磁铁333a、333b分别套设于所述两个第一背铁332a、332b外侧，所述中心磁铁331、两个第一背铁332a、332b以及两个筒型磁铁333a、333b相互固连，组成一个整体。具体地，所述两个筒型磁铁333a、333b的位置与所述两组线圈320a、320b的位置一一对应。
请重点参考图14，图中粗箭头340代表磁铁充磁方向，细箭头350代表背铁内部的磁路走向。
本实施例相对于实施例1增加了一个磁源(即磁铁)，使筒型磁铁333a、333b外壁与筒型背铁310内壁之间的气隙磁密更强，因此相对于实施例1推力常数和重力补偿量更大。
实施例4
较佳地，请参考图15，本实施例与实施例3的区别在于：所述中心磁铁431以及两个第一背铁432a、432b中设有沿音圈电机轴向贯穿的圆柱形孔441。所述的圆柱形孔441可方便穿入水平向(x、y向)限位导柱，当然，所述限位导柱必须为不导磁材料。本实施例依然可以达到重力补偿作用。
实施例5
较佳地，请参考图16，所述磁钢组件530包括中心磁铁531和固定于所述中心磁铁531两端的背铁532a、532b。当然，所述两背铁532a、532b的位置与所述两组线圈520a、520b的位置一一对应。
请重点参考图17，图中粗箭头540代表磁铁充磁方向，细箭头550代表背铁内部的磁路走向。
本实施例中，磁铁和背铁的数量相对较少，因而装配难度较小。
实施例6
较佳地，请参考图18，本实施例与实施例5的区别在于：所述中心磁铁631和两个背铁632a、632b中设有沿音圈电机轴向贯穿的圆柱形孔641。所述的圆柱形孔641可方便穿入水平向(x、y向)限位导柱，当然，所述限位导柱必须为不导磁材料。本实施例依然可以达到重力补偿作用。
实施例7
实施例1至实施例6变化的均是内部背铁和磁铁，而本实施例相对于实施例1至实施例6内部背铁、磁铁、线圈结构不变，但筒型背铁710由两个内外径均相同的第一部分711与第二部分712沿重力方向堆叠而成，且第一部分711磁导率小于第二部分712磁导率，也就是说，将外围背铁变成两种不同材料组合在一起的、等壁厚的结构(如图19所示)。
图19是其二维剖面图，筒型背铁710由两个内外径均一致的两部分材料组成，且第一部分711的磁导率小于第二部分712的磁导率，具体地，第一部分711内部的磁场处于临界饱和状态，第二部分712内部磁场处于过饱和状态，因此内部磁铁会受到外围筒型背铁710向上的吸力。
与图8类似，在图20中，第二部分712底面与线圈720b底面平齐。第一部分711高度定义为Hiron1；第二部分712高度定义为Hiron2；两线圈720a、720b等高，高度定义为Hcoil；两线圈720a、720b之间的间距定义为Hair，三者之间满足如下关系：
2Hcoil+Hair＜Hiron1+Hiron2 (4)
本实施例中的加工工艺相对简单。
实施例8
请参考图21，本实施例与上述诸多实施例的区别在于，所述外部背铁810沿重力方向的剖面呈渐缩之阶梯状(或倒阶梯状)，其内侧磁铁及背铁分布与之前方案相同，但外围背铁810采用不等壁厚的方式，Z轴负方向定义为重力方向，重力反向端的背铁厚度大于重力正向端的背铁厚度，图中，Wiron1代表重力反向端背铁厚度，Wiron2代表重力正向端背铁厚度，二者关系满足下式：
Wiron1＞Wiron2 (5)
Hcoil代表线圈高度，Hiron代表外围背铁高度，Hair代表两个线圈之间的间隙，三者之间满足下式：
2Hcoil+Hair＜Hiron (6)。
实施例9
请重点参考图22，本实施例与实施例8相比，同样是所述外部背铁910沿重力方向的剖面呈渐缩之阶梯状，但本实施例中外部背铁910的厚度经过了两次变化，由重力反方向向重力正方向，由薄至厚依次递增，当然，递增次数不限于两次，可以是n次变化，n为大于等于2的正整数。
实施例10
请重点参考图23，与实施例9相比，本实施例中，所述外部背铁1010沿重力方向的剖面呈倒梯形，也就是说，外部背铁1010不再是阶梯式增厚方式，而是斜坡式增厚方式，即外部背铁1010的外围曲线为直线。
实施例8至实施例10中，外部背铁壁厚均是采用由底端向顶端以由薄至厚的方式变化，相对于实施例1中由底端向顶端以“厚—薄—更厚”的方式变化，会存在更大的重力补偿波动。即当磁铁在最底端时重力补偿力很大，而磁铁在顶端时重力补偿力相对较小，因此，电机在行程范围内的重力补偿波动较大，对电机控制性能有影响。
实施例11
请参考图24至图26，与上述诸多实施例相比，本实施例中的磁路分布，线圈与磁铁排布均类似，只是外部背铁沿其径向的剖面形状不再是圆形，而是长方形。图中，外部背铁1110是外围片状导磁材料叠压而成的长方形背铁，上下两个线圈1120a、1120b设于外部背铁1110内部，两块方形磁铁1132a、1132b的充磁方向相反，即，其中一个沿长方形表面向外充磁时，另一个沿长方形表面向里充磁。中心背铁1131是与两方形磁铁1132a、1132b相连的方形背铁。图26示意了沿长方形表面向外充磁的充磁方式，图中黑色箭头代表充磁方向。
实施例12
请重点参考图27和图28，与上述诸多实施例相比，本实施例的区别在于，磁铁的数量为四块，且外围片状叠压的背铁也分为两个部分，具体地，两组导磁片状材料叠压而成板型背铁1210，第一磁铁1232a为两块充磁方向相同的磁铁，第二磁铁1232b也为两块充磁方向相同的磁铁，但第一磁铁1232a和第二磁铁1232b的充磁方向相反，即，当第一磁铁1232a沿Y轴正向充磁时，第二磁铁1232b沿Y轴负向充磁；当第一磁铁1232a沿Y轴负向充磁时，第二磁铁1232b沿Y轴正向充磁。
综上所述，本发明提供的具有重力补偿功能的音圈电机，包括外部背铁，所述外部背铁为圆筒型背铁或两个板型背铁；置于所述外部背铁内的磁钢组件；以及置于所述外部背铁内侧及所述磁钢组件外侧之间的线圈，所述线圈与所述磁钢组件之间可相对运动；所述外部背铁的磁通饱和度沿重力方向由小变大。本发明通过设置磁通饱和度沿重力方向由小变大的外部背铁，使电机具有一个相对稳定地向上的作用力，以作为重力补偿，减小电机发热。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (43)
1.一种具有重力补偿功能的音圈电机，包括：
筒型背铁；
置于所述筒型背铁内的磁钢组件；以及
置于所述筒型背铁内侧及所述磁钢组件外侧之间的线圈，所述线圈与所述磁钢组件之间可相对运动；
其特征在于，所述筒型背铁的磁通饱和度沿所述音圈电机轴向变化。
2.如权利要求1所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述筒型背铁一端厚度大于另一端厚度。
3.如权利要求2所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述筒型背铁内径相同，所述筒型背铁沿所述音圈电机轴向的剖面呈阶梯状。
4.如权利要求2所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述筒型背铁内径相同，所述筒型背铁沿所述音圈电机轴向的剖面呈向所述音圈电机轴线凹陷状。
5.如权利要求2所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述筒型背铁内径相同，所述筒型背铁沿所述音圈电机轴向的剖面呈梯形状。
6.如权利要求1所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述筒型背铁由多个硅钢片沿一周线方向叠压而成。
7.如权利要求1所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述线圈为两组，且两组线圈之间互不接触。
8.如权利要求7所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述两组线圈分别为第一线圈和第二线圈，所述第一线圈的一端面与所述筒型背铁的一端面平齐，所述第二线圈的一端面低于所述筒型背铁的另一端面。
9.如权利要求7所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述磁钢组件包括中心背铁、套设于所述中心背铁两端的两个筒型磁铁。
10.如权利要求1所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述磁钢组件包括中心背铁、套设于所述中心背铁上的筒型磁铁。
11.如权利要求9或10所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述的筒型磁铁的位置与所述线圈的位置一一对应。
12.如权利要求9或10所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述中心背铁中设有一沿音圈电机轴向贯穿整个中心背铁的圆柱形孔。
13.如权利要求7所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述磁钢组件包括中心磁铁、两个第一背铁以及两个充磁方向相反的筒型磁铁，所述两个第一背铁与所述中心磁铁的两端固连，所述两个筒型磁铁分别套设于所述两个第一背铁。
14.如权利要求13所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述两个筒型磁铁的位置与所述两组线圈的位置一一对应。
15.如权利要求14所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述中心磁铁以及两个第一背铁中设有沿音圈电机轴向贯穿的圆柱形孔。
16.如权利要求7所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述磁钢组件包括中心磁铁和固定于所述中心磁铁两端的两背铁。
17.如权利要求16所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述两背铁的位置与所述两组线圈的位置一一对应。
18.如权利要求16所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述中心磁铁和两个背铁中设有沿音圈电机轴向贯穿的圆柱形孔。
19.如权利要求7所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述筒型背铁、两组线圈沿音圈电机轴向的长度关系如下：
2Hcoil+Hair＜Hiron，其中，Hiron为筒型背铁沿轴向的长度，Hcoil为每一组线圈沿音圈电机轴向的长度，Hair为两组线圈之间沿音圈电机轴向的间距。
20.如权利要求1所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，筒型背铁由两个内外径均相同的第一部分与第二部分沿所述音圈电机轴向堆叠而成，且第一部分磁导率与第二部分磁导率不同。
21.如权利要求1所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述筒型背铁沿其径向的剖面为圆形或长方形。
22.一种具有重力补偿功能的音圈电机，包括：
两个板型背铁，
置于所述两个板型背铁内的磁钢组件；以及
设置在所述板型背铁与所述磁钢组件之间的线圈，所述线圈与所述磁钢组件可相对移动；
其特征在于：所述两个板型背铁的磁通饱和度沿所述电机轴向变化。
23.如权利要求22所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述两个板型背铁沿所述音圈电机轴向厚度分布为：所述板型背铁一端厚度大于另一端厚度。
24.如权利要求23所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述两个板型背铁的内侧面均为平面，板型背铁沿所述音圈电机轴向的剖面呈阶梯状，所述剖面与所述板型背铁内侧面所在平面相交。
25.如权利要求23所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述两个板型背铁的内侧面为平面，所述板型背铁沿所述音圈电机轴向的剖面呈向所述音圈电机轴线凹陷状，所述剖面与所述板型背铁内侧面所在平面相交。
26.如权利要求23所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述两个板型背铁的内侧面为平面，所述板型背铁沿的剖面呈梯形状，所述剖面与所述板型背铁内侧面所在平面相交。
27.如权利要求22所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述两个板型背铁均为平板型背铁，且每一平板型背铁均由第一部分与第二部分沿所述电机轴向堆叠而成，且第一部分磁导率不等于第二部分磁导率。
28.如权利要求22所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述线圈为两组，所述磁钢组件包括中心背铁以及设于所述中心背铁两端的两个充磁方向相反的磁铁组件。
29.如权利要求28所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述两个磁铁组件分别由两个充磁方向相反的磁铁组成。
30.如权利要求22所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述两个板型背铁均由多个导磁片状材料叠压而成。
31.一种具有重力补偿功能的音圈电机，包括：
外部背铁；
磁钢组件，设置于外部背铁内；以及
线圈，设置于所述外部背铁与所述磁钢组件之间，所述线圈与所述磁钢组件可相对移动；
其特征在于，所述外部背铁的磁通饱和度沿所述音圈电机轴向变化。
32.如权利要求31所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，外部背铁为筒型背铁。
33.如权利要求32所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述筒型背铁一端厚度大于另一端厚度。
34.如权利要求33所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述筒型背铁内径相同，所述筒型背铁沿所述音圈电机轴向的剖面呈阶梯状。
35.如权利要求33所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述筒型背铁内径相同，所述筒型背铁沿所述音圈电机轴向的剖面呈向所述音圈电机轴线凹陷状。
36.如权利要求33所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述筒型背铁内径相同，所述筒型背铁沿所述音圈电机轴向的剖面呈梯形状。
37.如权利要求33所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述筒型背铁由两个内外径均相同的第一部分与第二部分沿所述音圈电机轴向堆叠而成，且第一部分磁导率不等于第二部分磁导率。
38.如权利要求31所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述外部背铁由两个板型背铁组成。
39.如权利要求38所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述两个板型背铁沿所述音圈电机轴向的厚度分布为：所述板型背铁一端厚度大于另一端厚度。
40.如权利要求39所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述两个板型背铁的内侧面均为平面，板型背铁沿所述音圈电机轴向的剖面呈阶梯状，所述剖面与所述板型背铁内侧面所在平面相交。
41.如权利要求39所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述两个板型背铁的内侧面均为平面，所述板型背铁沿所述音圈电机轴向的剖面呈向所述音圈电机轴线凹陷状所述剖面与所述板型背铁内侧面所在平面相交。
42.如权利要求39所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述板型背铁沿所述音圈电机轴向的剖面呈梯形状所述剖面与所述板型背铁内侧面所在平面相交。
43.如权利要求38所述的具有重力补偿功能的音圈电机，其特征在于，所述两个板型背铁均为平板型背铁，且每一平板型背铁均由第一部分与第二部分沿所述电机轴向堆叠而成，且第一部分磁导率不等于第二部分磁导率。
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