CN105763021B - 一种直线音圈电机 - Google Patents

Abstract

一种直线音圈电机，包括电机外壳、磁铁、轭铁、线圈架、线圈、片簧和压簧，所述片簧包括在径向上分布的内簧圈、外簧圈以及连接所述内簧圈和所述外簧圈的簧丝，所述外簧圈耦合到所述轭铁，所述内簧圈耦合到所述线圈架，所述线圈架和所述轭铁通过所述片簧实现径向连接，所述压簧设置在所述线圈架下，在轴向上对所述线圈架形成弹性支撑，所述线圈固定在所述线圈架上，所述线圈在通电时可沿轴向与所述磁铁和所述轭铁发生相对运动。该电机具有径向刚度大、能抵抗轴向冲击、运动精度高、结构简单、动态负载小、运行平稳等优点，在工业自动化领域和高精密控制场合有很大的应用空间。

Description

一种直线音圈电机

技术领域

本发明涉及机电一体化产品领域,具体涉及一种直线音圈电机。

背景技术

音圈电机因其结构简单、维护成本低、运行平稳、体积小、驱动简单、控制灵活、推力大、运动轨迹误小等优点，外加上近年来，因为传感器技术、电子元件技术、稀土磁铁烧结工艺、控制算法的不断进步，使得音圈电机不断突破自身的局限，使用范围越来越广。音圈电机作为一种特殊的驱动电机，在现代工业控制领域中扮演了重要的角色，广泛应用在高精密机床防抖、电子元器件生产平台、光刻设备、航拍、大型望远镜矩阵、机器人及工厂流水线等各类有特殊要求的高精度控制场合。

正因为音圈电机电气性能能够各类复杂的工况需求，因此从机构角度设计出运行更为可靠的电机势在必行。音圈电机种类多样，按照音圈与电机气隙长度比较可以分为长音圈型音圈电机和短音圈电机；按照磁铁的分布形式可以分为内磁式音圈电机和外磁式音圈电机；按照运动轨迹可以分为直线型音圈电机和扭转式音圈电机。不同类型音圈电机各自有不同的优点和缺陷，例如：长音圈型驱动平稳却耗能高，短音圈型电机效率高但电磁驱动力不足；内磁式音圈电机磁铁利用率不高、体积大，外磁式音圈电机磁铁生产成本高装配工艺复杂。且在这几类音圈电机中，动子和静子之间都存在一定间隙，用以防止尺寸误差影响两者的相对运动，另外在运动过程中，都是通过外部设备比如直线导轨、丝杠、活塞等精密辅助设备来完成驱动动作，如此一来，容易导致负载变大，机构复杂、维护困难。在音圈电机使用日益广泛的今天，解决这一问题具有十分重大的意义。

传统音圈电机动子和静子之间存在间隙，解决这一问题的手段通常是外加类似直线导轨、丝杠、活塞等其他精密导向设备来尽可能的减少因这一间隙而产生的运动误差，但是这些做法同时会带来负载增大、机构复杂、不易维护等缺陷；同时，因为磁铁结构设计不够合理，造成了磁铁的浪费、气隙磁密不均匀。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种直线音圈电机。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种直线音圈电机，包括电机外壳、和设置在所述电机外壳中的磁铁、轭铁、线圈架、线圈、片簧和压簧，其中所述磁铁和所述轭铁作为位于外侧的静子部分，所述线圈架、所述线圈和所述压簧作为位于内侧的动子部分，所述片簧包括在径向上分布的内簧圈、外簧圈以及连接所述内簧圈和所述外簧圈的簧丝，所述外簧圈耦合到所述轭铁，所述内簧圈耦合到所述线圈架，所述线圈架和所述轭铁通过所述片簧实现径向连接，所述压簧设置在所述线圈架下，在轴向上对所述线圈架形成弹性支撑，所述线圈固定在所述线圈架上，所述线圈在通电时可沿轴向与所述磁铁和所述轭铁发生相对运动。

进一步地：

还包括电机底座、压簧底座和压簧顶盖，所述电机底座安装在所述电机外壳的底端，所述压簧安装在所述压簧底座和所述压簧顶盖之间，所述压簧顶盖连接所述线圈架的顶部内侧，所述内簧圈连接所述压簧顶盖，所述压簧底座安装在所述电机底座上，所述磁铁和所述轭铁紧固于所述电机底座上。

所述线圈架为开口朝向的套筒式结构，所述线圈安置在所述线圈架的筒侧壁上，并从所述线圈架的顶部引出通电导线。

所述片簧为圆形，所述片簧包括多根所述簧丝，每根簧丝包括在所述内簧圈和所述外簧圈之间的空隙内周向延伸一定长度的狭长主体部分，以及分别与所述内簧圈和所述外簧圈相连的连接端部，各簧丝相对于片簧中心对称设置。

所述磁铁和所述轭铁设置成径向充磁的磁铁结构。

所述轭铁为具有开口向上的凹槽的环形结构，所述线圈架的筒侧壁和所述线圈以可轴向运动的方式插入所述凹槽内，所述磁铁固定于所述凹槽内，与所述线圈相对设置。

所述磁铁紧贴在所述凹槽外侧的内壁上。

所述磁铁为套在所述轭铁内的环形结构。

本发明的有益效果：

本发明采用片簧-压簧的组合设计，改善了径向和轴向刚度，通过片簧的径向刚度和压簧的轴向刚度减小了动子与静子之间间隙给系统带来的误差，在保留了足够的运动间隙的同时增加电机运动过程中的径向刚度，足够的运动间隙保证运动过程中动子和静子间无干摩擦，而由于有径向刚度来抵抗径向偏移，因此又减小了动子运动过程中动子的运动轨迹直线度误差。进一步的方案中，通过配置径向充磁的磁铁形成电机磁源，有效解决了气隙磁密分布不均匀的问题，提高电机效率，而有效减小电机体积和能耗。借此设计，一方面可以减小在运动系统中加入其它辅助器件而有的额外负载，另一方面可以减小电机体积，使机构紧凑，改善气隙磁密分布而改善电机特性。进一步的方案中，磁铁与轭铁的结构设计实现以整个轭铁作为导磁的关键部件和极靶以引导磁场分布，通过这种方式，改善气隙磁密分布同时提高磁铁的利用率和电机线圈的利用率。

上述直线音圈电机的结构设计，使音圈电机具有结构紧凑、运动精度高、易维护、动态负载小、径向刚度大、以及磁场均匀的特性，在工业自动化领域和高精度控制场合具有更好的使用效果以及更广泛的使用空间。

附图说明

图1为本发明实施例整个直线音圈电机的机械装配图；

图2为本发明实施例中的片簧结构图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1和图2，在一种实施例中，一种直线音圈电机，包括电机外壳6、设置在电机外壳6中的磁铁7、轭铁8、线圈架1、线圈5、片簧3和压簧4，其中磁铁7和轭铁8作为位于外侧的静子部分，线圈架1、线圈5和压簧作为位于内侧的动子部分，片簧3包括在径向上分布的内簧圈11、外簧圈以及连接在内簧圈11和外簧圈之间的簧丝12，外簧圈耦合到轭铁8，内簧圈11耦合到线圈架1，线圈架1和轭铁8通过片簧3实现径向连接，压簧4设置在线圈架1下，在轴向上对线圈架1形成弹性支撑，线圈5固定在线圈架1上，线圈5在通电时可沿轴向与磁铁7和轭铁8发生相对运动。上述设计通过片簧3和压簧4相结合的结构，改善了音圈电机径向和轴向刚度，既能保证足够的运动间隙，保证运动过程中动子和静子间无干摩擦，又能保证有足够的刚度来抵抗径向偏移误差，同时避免了在使用过程中添加其他设备带来的电机负载。

在优选的实施例中，还包括电机底座10、压簧底座9和压簧顶盖2，压簧4安装在压簧底座9和压簧顶盖2之间，电机底座10安装在电机外壳6的底端，压簧顶盖2连接线圈架1的顶部内侧，内簧圈11连接压簧顶盖2，压簧底座9安装在电机底座10上，磁铁7和轭铁8紧固于电机底座10上。

在优选的实施例中，线圈架1为开口朝向的套筒式结构，线圈5安置在线圈架1的筒侧壁上，并从线圈架1的顶部引出通电导线。

如图2所示，在优选的实施例中，片簧3为圆形，片簧3包括多根簧丝12，每根簧丝12包括在内簧圈11和外簧圈13之间的空隙内周向延伸一定长度的狭长主体部分，以及分别与内簧圈11和外簧圈13相连的连接端部，各簧丝12相对于片簧的中心对称设置。

在优选的实施例中，磁铁7和轭铁8设置成径向充磁的磁铁7结构。

在更优选的实施例中，轭铁8为具有开口向上的凹槽的环形结构，线圈架1的筒侧壁和线圈5以可轴向运动的方式插入凹槽内，磁铁7固定于凹槽内，与线圈5相对设置。

较佳地，磁铁7紧贴在凹槽外侧的内壁上。

在一个具体实施例中，磁铁7可以为套在轭铁8内的环形布置。

根据一种优选实施例，音圈电机的轴向连接方式为，线圈架内顶盖与压缩弹簧顶座连接，压缩压簧底座与电机底座连接，而电机底座与轭铁是紧固连接，在电机受到来自轴向的作用时，压缩弹簧会起到缓冲作用并吸收一部分能量；音圈电机的径向连接核心部件为片簧，片簧的内外圈分别连接轭铁和压簧顶盖，通过这种方式增加了电机运动过程中的径向刚度，同时又保留了足够的运动间隙。

根据优选实施例，音圈电机的磁铁采用径向充磁方式，以整个轭铁作为导磁的关键部件和极靶用以引导磁场分布，通过这种方式改善气隙磁密分布而同时提高磁铁的利用率和电机线圈的利用率。这种磁路设计的优势在于提高了磁铁的利用率，使气隙中磁场密度的分布比其他类型电机更均匀，同时，电机的结构变得更紧凑，体积变得更小。

根据上述实施例，音圈电机使用片簧连接动子部分、静子部分来提高电机在运动过程中的径向刚度,因而，动子在运动过程中，减小了因压簧径向刚度不足而引入动子的运动轨迹直线度误差；使用径向充磁磁铁作为电机磁源，均匀化电机气隙内磁密分布，提高电机效率，而有效减小电机体积和能耗。上述音圈电机的结构设计，使其具有结构紧凑、体积小、运动精度高、易维护、动子静子间隙小、动态负载小、运行平稳、径向刚度大、等效磁场强度大以及磁场均匀等特性，使本电机在工业自动化领域和高精度控制场合具有更广泛的使用空间。本发明可以代替分离式、压簧式等类型的音圈电机，能够应用在要求苛刻的精密控制领域。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种直线音圈电机，其特征在于,包括电机外壳和设置在所述电机外壳中的磁铁、轭铁、线圈架、线圈、片簧和压簧，其中所述磁铁和所述轭铁作为位于外侧的静子部分，所述线圈架、所述线圈和所述压簧作为位于内侧的动子部分，所述片簧包括在径向上分布的内簧圈、外簧圈以及连接所述内簧圈和所述外簧圈的簧丝，所述外簧圈耦合到所述轭铁的顶端，所述内簧圈耦合到所述线圈架，所述线圈架和所述轭铁通过所述片簧实现径向连接，所述压簧设置在所述线圈架下，在轴向上对所述线圈架形成弹性支撑，所述线圈固定在所述线圈架上，所述线圈在通电时可沿轴向与所述磁铁和所述轭铁发生相对运动；还包括电机底座、压簧底座和压簧顶盖，所述电机底座安装在所述电机外壳的底端，所述片簧的内簧圈连接所述压簧顶盖的周壁底端，所述压簧穿过所述片簧的内簧圈安装在所述压簧底座和所述压簧顶盖之间，所述压簧顶盖连接所述线圈架的顶部内侧，所述压簧底座安装在所述电机底座上，所述磁铁和所述轭铁紧固于所述电机底座上；所述线圈架为开口朝下的套筒式结构，所述线圈安置在所述线圈架的筒侧壁上，并从所述线圈架的顶部引出通电导线；所述磁铁和所述轭铁设置成径向充磁的磁铁结构，所述轭铁为具有开口向上的凹槽的环形结构，所述线圈架的筒侧壁和所述线圈以可轴向运动的方式插入所述凹槽内，所述磁铁固定于所述凹槽内，与所述线圈相对设置，所述外簧圈连接在所述凹槽的内侧壁的顶端。

2.如权利要求1所述的直线音圈电机，其特征在于,所述片簧为圆形，所述片簧包括多根所述簧丝，每根簧丝包括在所述内簧圈和所述外簧圈之间的空隙内周向延伸一定长度的狭长主体部分，以及分别与所述内簧圈和所述外簧圈相连的连接端部，各簧丝相对于片簧的中心对称设置。

3.如权利要求1所述的直线音圈电机，其特征在于,所述磁铁紧贴在所述凹槽外侧的内壁上。

4.如权利要求1所述的直线音圈电机，其特征在于,所述磁铁为套在所述轭铁内的环形结构。