CN105827096B - 一种音圈电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及仪器设备技术领域，尤其涉及一种音圈电机。本发明提供的一种包括机壳、定子及动子的音圈电机，定子与机壳固定连接，定子包括铁轭及固定于铁轭上的多个永磁铁；动子的一端设于由多个永磁铁形成的磁极对之间，另一端设有穿出机壳的输出轴；输出轴在动子的驱动下同时进行直线与旋转运动，从而实现同时输出推力及扭矩，提高了平台运行速度，进而提高了加工效率；本申请只需通过一个电机实现多维运动，简化了多维复杂运动平台结构，适用于多维精密运动的平台；同时，本申请的音圈电机因省却了中间传动机构，体积小，动子轻，动态响应速度快，也避免了不同维运动误差的叠加，利于高精度的实现。

Description

一种音圈电机

技术领域

本发明涉及仪器设备技术领域，尤其涉及一种音圈电机，具体涉及一种运行精度高且适用于多维精密运动平台的音圈电机。

背景技术

音圈电机(Voice Coil Actuator/Voice Coil Motor)因其结构类似于喇叭的音圈而得名，因其具有高频响、高精度的特点而广泛应用于医疗、半导体、航空、汽车等领域。音圈电机是一种将电能转化为机械能的直流电机，主要分为直线型和摆动型，利用通电导线在由永磁体励磁产生的磁场内受力而产生有规律的直线型或有限摆角的运动。

但是，随着科学技术的发展，特别在光电子封装、复杂机械手、光刻机以及其他高精多维复杂运动领域中，多自由度的音圈电机已成为研究重点。而传统的可实现摆动和直线两自由度运动的机构，是通过两个电机一起协作实现的，由于两个电机间需通过中间传动控制装置连接，且中间传动控制装置受到最大转速限制和反向间隙，很难实现高速高精度定位。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有的单只音圈电机只能进行单一的直线或旋转运动或只能通过两个电机联合实现直线与旋转运动，运动误差和定位误差逐维叠加，从而不能满足于多维精密运动平台的技术需求。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种音圈电机，该音圈电机包括机壳、定子及动子，所述定子与所述机壳固定连接，所述定子包括铁轭及固定于所述铁轭上的多个永磁铁；所述动子的一端设于由多个所述永磁铁形成的磁极对之间，另一端设有穿出所述机壳的输出轴；所述输出轴在所述动子的驱动下同时进行直线与旋转运动。

其中，所述动子包括直线运动单元及旋转运动单元，所述旋转运动单元的一端与所述直线运动单元可转动连接，且所述旋转运动单元的运动轴线与所述直线运动单元的运动轴线平行，另一端与所述输出轴固定连接。

其中，所述直线运动单元包括第一支架及设于所述第一支架内的第一绕组，所述旋转运动单元包括第二支架及设于所述第二支架内的第二绕组；所述第一支架通过轴承与所述第二支架连接。

其中，所述永磁铁的数量为4个且构成两个大小不一的磁极对，4个所述永磁铁排布采用N-S极相对的方式布置。

其中，所述旋转运动单元与所述相对较大的磁极对对应设置；所述直线运动单元的一端与所述相对较大的磁极对对应设置，另一端与所述相对较小的磁极对对应设置。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种包括机壳、定子及动子的音圈电机，定子与机壳固定连接，定子包括铁轭及固定于铁轭上的多个永磁铁；动子的一端设于由多个永磁铁形成的磁极对之间，另一端设有穿出机壳的输出轴；输出轴在动子的驱动下同时进行直线与旋转运动，从而实现同时输出推力及扭矩，提高了平台运行速度，进而提高了加工效率；本申请只需通过一个电机实现多维运动，简化了多维复杂运动平台结构，适用于多维精密运动的平台；同时，本申请的音圈电机因省却了中间传动机构，体积小，动子轻，动态响应速度快，也避免了不同维运动误差的叠加，利于高精度的实现。

附图说明

图1是本发明实施例一种音圈电机的具体结构示意图；

图2是本发明实施例一种音圈电机中定子及永磁体排列方式的具体结构示意图；

图3是本发明实施例一种音圈电机中动子的具体结构示意图；

图4是本发明实施例一种带有滑块及滑轨的音圈电机的具体结构示意图；

图5是本发明实施例一种带有滑块及滑轨的音圈电机中动子的具体结构示意图。

图中：1：机壳；2：铁轭；3：永磁铁；4：第一支架；5：第一绕组；6：第二支架；7：第二绕组；8：无油衬套；9：输出轴；10：连接块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图5所示，本发明实施例提供的一种音圈电机，该音圈电机包括机壳1、定子及动子，定子与机壳1固定连接，定子包括铁轭2及固定于铁轭2上的多个永磁铁3，具体地，通过上下两个铁轭2与机壳1围成一个口字型通道；机壳1用于支撑铁轭2和永磁铁3，同时起到辅助磁路闭合的作用；动子的一端设于由多个永磁铁3形成的磁极对之间，另一端设有穿出机壳的输出轴9；输出轴9在动子的驱动下同时进行直线与旋转运动；具体地，动子包括直线运动单元及旋转运动单元，旋转运动单元的一端与直线运动单元可转动连接，且旋转运动单元的运动轴线与直线运动单元的运动轴线平行，从而实现直线运动与旋转运动同时进行，另一端设有穿出机壳1的输出轴9，同时输出推力及扭矩，适用于多维精密运动的平台；同时，因省却了中间传动机构，运动惯量小，动态响应快，提高了运行精度，且两种运动互不干扰，使得整个音圈电机结构更为紧凑，有利于节约空间资源。

特别的，为达到便于电机的外部安装，优选地，旋转运动单元的运动轴线与直线运动单元的运动轴线共线。

进一步地，直线运动单元包括第一支架4及设于第一支架4内的第一绕组5，旋转运动单元包括第二支架6及设于第二支架6内的第二绕组7；第一支架4通过轴承与第二支架6连接，通过设置低摩擦的轴承来保证直线运动单元与旋转运动单元相对转动顺滑，进而通过输出轴9输出推力及扭矩。

具体地，第一支架4与第二支架6均为框架结构，第一绕组5及第二绕组7分别镶嵌于第一支架4与第二支架6内部。在本实施例中，第一支架4与第二支架6起到保持第一绕组5及第二绕组7在运动过程中形状稳定并且处于设定位置的作用。

进一步地，动子的一侧通过连接块10连接有用于支撑动子的滑块及滑轨，动子通过滑块沿着滑轨的走向移动。其中，连接块10可通过螺栓或销轴与滑块固定连接。具体地，当给第一绕组5及第二绕组7接入直流电流，直线运动单元及旋转运动单元受到洛伦兹力，从而带动滑块沿着滑轨的走向移动。值得说明的是，洛伦兹力随接入电流的大小和方向而发生相应的变化。

特别的，上述滑轨及滑块可以设置在机壳内部，也可设置在机壳外部，根据具体的实施条件，选择相应的放置模式。

值得说明的是，直线运动单元与旋转运动单元分别通过切割电磁场来产生推力及扭矩。在本实施例中，由于第一绕组5与第二绕组7是相互独立接入直流电的，且不产生交变磁场，两个运动间相互干扰力小，可忽略不计，进而两个运动互不打扰，根据所需条件，选择直线运动或旋转运动或同时进行直线运动及旋转运动，扩大了使用范围。

具体地，在本实施例中，第一支架4及第二支架6采用环氧树脂制成；第一绕组5及第二绕组7均采用无槽结构，用于产生对应于直线运动和旋转运动的两个洛伦兹力。环氧树脂材质轻盈，能减小直线运动及旋转运动的运动惯量，加快了动态响应，提高了运行精度。

具体地，在本实施例中，输出轴9与机壳1通过无油衬套8连接。通过设置在机壳1上的无油衬套8，输出轴9可沿直线导轨自机壳1中伸出或缩进，同时可绕旋转运动单元的转动轴线进行旋转运动。

进一步地，在本实施例中，铁轭2的数量为2个，且2个铁轭2与机壳1围成口字型通道。除此之外，机壳1也可为U型结构，如此，通过2个铁轭2与U型结构的机壳1围成半封闭的箱体结构；同样，铁轭也可为U型结构，此时，通过U型结构铁轭与两边机壳围成半封闭的箱体结构。但是，本实用新型中的口字型通道有利于节约整个音圈电机的重量，也有利于节约制造成本。

优选地，在本实施例中，永磁铁3的数量为4个且构成两个大小不一的磁极对，4个永磁铁3排布采用N-S极相对的方式布置，较小的一对永磁体中上方那块为N且下方那块为S，较大的一对永磁体中上方那块为S且下方那块为N。优选地，旋转运动单元的两条有效边均设置于相对较大的磁极对中间；直线运动单元的一条有效边处于相对较大的永磁体励磁产生的磁场内，另一条有效边处于相对较小的永磁体励磁产生的磁场内。相对较大的永磁体和相对较小的永磁体两者在磁化方向上长度相同，所以两区域内的磁场强度相同且磁力线方向相反，直线运动单元的两条有效边受力大小相同且方向一致。

具体地，直线运动的工作原理为：

1、直线运动的生成：直线运动单元中第一绕组的两条有效边分别处于磁力线方向相反的位置，由于该两条有效边内电流方向也相反，根据F＝BIL可知，直线运动单元中第一绕组的两条有效边受到同一方向的洛伦兹力，进而产生有效的直线运动。

2、直线运动的行进与定位：具体是通过控制直线运动单元中第一绕组内电流的通断与方向来实现的。电机次级永磁体(即磁极对)励磁磁场垂直于第一绕组内电流方向，根据右手螺旋定则，磁场与直流电流相互作用所产生的洛伦兹力既垂直于磁力线又垂直于直线绕组有效边。当第一绕组内通入一定量的直流电流时，第一绕组受到一个恒定的洛伦兹力；当第一绕组内通入的直流电流大小变化时，直线运动第一绕组所受洛伦兹力变化；当第一绕组内通入的直流电流方向改变时，直线运动第一绕组所受洛伦兹力的方向改变，则第一绕组向相反方向运动；当第一绕组内不通电时，直线运动第一绕组不受力，其静止不动。

具体地，旋转运动的工作原理为：

1、旋转运动的生成：旋转运动单元中第二绕组一直处于较大的一对磁极对励磁生成的磁场中，该对永磁体SN相对，即磁力线从其中一块永磁铁出发穿过气隙和旋转运动绕组进而回到另一块永磁铁。旋转运动第二绕组的两条有效边均处于磁力线方向相同且磁密大小一直的位置，由于该两条有效边内电流方向相反，根据F＝BIL可知，旋转运动第二绕组两条有效边受到相反方向的洛伦兹力。旋转运动第二绕组中心位置固定且可进行360°圆周转动，同时两条有效边受到相反方向的洛伦兹力的作用，故其产生有效的旋转运动。

2、旋转运动的行进与定位：具体是通过控制旋转运动第二绕组内电流的通断与方向来实现的。电机次级永磁体(即磁极对)励磁磁场垂直于第二绕组内电流方向，根据右手螺旋定则，磁场与直流电流相互作用所产生的洛伦兹力既垂直于磁力线又垂直于旋转运动第二绕组有效边。当第二绕组内通入一定量的直流电流时，旋转运动第二绕组受到一个恒定的洛伦兹力；当第二绕组内通入的直流电流大小变化时，旋转运动第二绕组所受洛伦兹力变化；当第二绕组内通入的直流电流方向改变时，旋转运动第二绕组所受洛伦兹力的方向改变，则第二绕组向相反方向转动；当第二绕组内不通电时，旋转运动第二绕组不受力，其静止不动。

综上所述，本发明提供了一种包括机壳、定子及动子的音圈电机，定子与机壳固定连接，定子包括铁轭及固定于铁轭上的多个永磁铁；动子的一端设于由多个永磁铁形成的磁极对之间，另一端设有穿出机壳的输出轴；输出轴在动子的驱动下同时进行直线与旋转运动，从而实现同时输出推力及扭矩，提高了平台运行速度，进而提高了加工效率；本申请只需通过一个电机实现多维运动，简化了多维复杂运动平台结构，适用于多维精密运动的平台；同时，本申请的音圈电机因省却了中间传动机构，体积小，动子轻，动态响应速度快，也避免了不同维运动误差的叠加，利于高精度的实现。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种音圈电机，其特征在于：包括机壳、定子及动子，所述定子与所述机壳固定连接，所述定子包括铁轭及固定于所述铁轭上的多个永磁铁；所述动子的一端设于由多个所述永磁铁形成的磁极对之间，另一端设有穿出所述机壳的输出轴；所述输出轴在所述动子的驱动下同时进行直线与旋转运动；所述动子包括直线运动单元及旋转运动单元，所述旋转运动单元的一端与所述直线运动单元可转动连接，且所述旋转运动单元的运动轴线与所述直线运动单元的运动轴线平行，另一端与所述输出轴固定连接。

2.根据权利要求1所述的音圈电机，其特征在于：所述直线运动单元包括第一支架及设于所述第一支架内的第一绕组，所述旋转运动单元包括第二支架及设于所述第二支架内的第二绕组；所述第一支架通过轴承与所述第二支架连接。

3.根据权利要求1所述的音圈电机，其特征在于：所述永磁铁的数量为4个且构成两个大小不一的磁极对，4个所述永磁铁排布采用N-S极相对的方式布置。

4.根据权利要求3所述的音圈电机，其特征在于：所述旋转运动单元与相对较大的所述磁极对对应设置；所述直线运动单元的一端与相对较大的所述磁极对对应设置，另一端与相对较小的所述磁极对对应设置。