CN107171528A - 一种高推力密度的永磁直线振动电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高推力密度的永磁直线振动电机，包括相互配合的动子结构和定子结构，动子结构包括有两块完全相同的圆筒形永磁体，两块永磁体上下叠放且两块永磁体相对面的极性相同，上层永磁体的上方、两块永磁体之间、下层永磁体的下方分别放置一块圆筒形铁芯；定子结构包括有定子内部铁芯、内层圆筒形线圈、外层圆筒形线圈以及定子外部铁芯；动子结构置于定子结构的内、外层圆筒形线圈之间。本发明不仅结构简单、经济实用，而且一个或两个线圈通入单相交流电时，动子部分均可产生直线振动，直线运动稳定可靠，温升低，过载能力强，且易加工、生产成本低，推力密度高。

Description

一种高推力密度的永磁直线振动电机

技术领域

本发明涉及一种高推力密度的永磁直线振动电机，属于直线振动电机领域。

背景技术

直线振动动力来源主要有两大类，一是利用旋转电机配合相应的机械装置，将电机对外输出的旋转运动转化为直线运动；另一类是直接采用直线振动电机的工作方式，不仅省去中间动力转化的机械装置，而且还可以提高工作效率。传统的永磁直线振动电机主要分为三类：动磁式、动圈式以及动铁芯式。其中动磁式直线振动电机具有良好的带载能力、力学特性好等优点。直线振动电机不仅应用在工业生产上，而且在用于人们日常生活中。如医疗保健器械、按摩产品、振动音乐播放器中也随处可见，具有广阔的市场需求。为了提高永磁直线振动电机的性能，本发明设计了一种高推力密度的永磁直线振动电机。该电机不仅控制方式灵活，控制效果多样化，而且带载能力强、温升低，使用寿命长。

中国专利201020617560.9公开了一种永磁直线振荡电机，所述电机采用轴向充磁方式，电机结构包括动子铁轭、动子永磁体、定子铁芯、绕组、直线导轨、弹簧、限位块、直线轴承、零气隙保证点以及机座等结构，但电机的结构和工作磁路十分复杂，调节控制电机特性很不灵活。

中国专利201520220373.X公开了一种带振动功能的扬声器，包括盆架下盖、T型铁、音圈、盆架上盖以及弹片等结构。该扬声器当音圈通入电流后，与磁体相互作用，线圈内部会产生安培力，利用作用力与反作用力原理，使弹片带动磁气回路振动。但该扬声器结构较复杂，且永磁结构为T型铁，充磁不易实现。此外，该扬声器的工作磁路没有完全封闭，漏磁比较大，产生相同振动效果时所需的线圈电流较大。

中国专利201010179601.5公开了一种用于直驱压缩机的动磁式横向磁通直线振动电机。所述电机采用横向磁路结构，磁路与电机的运动方向呈垂直关系，电机的动子部件是由永磁体支架和镶嵌在永磁体支架的外圆面上若干块N、S极交替排列的永磁构成，定子部分包括内定子与外定子，并且定子冲片上有定子齿和齿槽，定子绕组采用集中绕组，但要求永磁磁钢与外定子的定子齿数的数目相同并且位置一一对应，增加了生产过程中的复杂性，电机的结构相当复杂，对加工精度也提出了更高要求。

发明内容

为了弥补已有技术的不足，本发明提供一种高推力密度的永磁直线振动电机。

本发明采用的技术方案是：

一种高推力密度的永磁直线振动电机，包括相互配合的动子结构和定子结构，其特征在于：所述动子结构包括有两块完全相同的圆筒形永磁体，两块永磁体上下叠放且两块永磁体相对面的极性相同，所述上层永磁体的上方、两块永磁体之间、下层永磁体的下方分别放置一块圆筒形铁芯；所述定子结构包括有定子内部铁芯、内层圆筒形线圈、外层圆筒形线圈以及定子外部铁芯，外层圆筒形线圈固定在定子外部铁芯的内表面，内层圆筒形线圈固定在定子内部铁芯的外表面，且内、外层圆筒形线圈的水平对称轴与定子内、外部铁芯的水平对称轴都在一条水平线上，内、外层圆筒形线圈上分别通入方向相反的电流；所述动子结构置于定子结构的内、外层圆筒形线圈之间。

所述的一种高推力密度的永磁直线振动电机，其特征在于：所述上方的圆筒形铁芯和下方的圆筒形铁芯的尺寸完全相同，中间圆筒形铁芯的尺寸略小。

所述的一种高推力密度的永磁直线振动电机，其特征在于：所述定子内、外部铁芯均固定在机座上，机座为非导磁材料。

所述的一种高推力密度的永磁直线振动电机，其特征在于：由于动子在振动过程中相对中心位置上下运动，为保持动子在运动过程中的磁阻不变，所述定子内、外部铁芯的高度相同，且大于整个动子结构的高度。

所述的一种高推力密度的永磁直线振动电机，其特征在于：所述动子结构的水平对称轴和所述定子结构的水平对称轴在一条水平线上，所述动子结构的垂直对称轴和所述定子结构的垂直对称轴重合。

所述的一种高推力密度的永磁直线振动电机，其特征在于：采用胶粘的方式将外层圆筒形线圈固定在定子外部铁芯的内表面，内层圆筒形线圈固定在定子内部铁芯的外表面。

所述的一种高推力密度的永磁直线振动电机，其特征在于：所述动子结构的上、下端分别设有一个用来支撑和固定动子结构的塑料弹簧片，塑料弹簧片上开有若干小螺孔，小螺孔与螺钉配合紧固塑料弹簧片与动子结构之间的联结。

根据电磁场理论，载流线圈在磁场中受到力的方向、磁场的方向以及电流的方向满足左手定则关系。当电流相同时，磁场与电流正交的部分越多，线圈所受的力也越大。由于线圈固定在定子铁芯上，为静止部分，再由作用力与反作用力的关系可知，动子部分也会受到力的作用而发生运动。在该电机中，为保证两个线圈所受到的力方向一致，这两个线圈通入的电流方向应相反。当线圈中通入单相交流电时，动子部分受到反复变化的作用力而沿直线轨迹上下振动。

本发明的有益效果是：

本发明利用圆筒形铁芯和永磁的组合改变磁场分布，使气隙中的磁场为径向分布，这样线圈中电流的方向与磁场的方向正交更多，线圈受到更大的磁场力；当线圈中通入交流电时，依据相互作用力原理，动子部分就会上下振动；对于两个线圈，彼此相互独立，既可同时通电，又可单独通电，根据实际情况需要的振动效果，可以灵活选择通入电流的线圈数和通入电流的大小；本发明的电机结构简单，力学性能好，易加工，生产成本低，并且，和传统的单个线圈的永磁直线振动电机相比，提高了推力密度，温升低，过载能力强。

附图说明

图1是本发明电机结构的俯视示意图。

图2是本发明电机动子结构的剖面示意图。

图3是本发明电机结构的纵向剖面示意图。

图4是本发明电机轴线处纵向剖面的二维磁力线分布示意图。

图5是本发明电机的各部件展开示意图。

图6是本发明电机的组合示意图。

具体实施方式

图1为本发明永磁直线振动电机结构的俯视示意图。如图1所示，高推力密度的永磁直线振动电机由以下组成：定子外部铁芯7、外层圆筒形线圈6、永磁体4、内层圆筒形线圈3以及定子内部铁芯2。采用胶粘的方式将外层圆筒形线圈固定在定子外部铁芯的内表面，并将内层圆筒形线圈固定在定子内部铁芯的外表面。

图2是本发明电机动子结构的剖面示意图。考虑到永磁体4为轴向磁化的圆筒形结构，磁力线在圆筒形铁芯表面两侧呈径向分布。考虑到磁场分布的对称性，保证两块永磁体4相对的面极性相同，并在中间放置一块圆筒形铁芯5。

图3为本发明电机结构的纵向剖面示意图。其中，上方圆筒形铁芯1、中间圆筒形铁芯5、下方圆筒形铁芯8以及永磁体4共同组成电机的动子结构。在动子部分上端和下端各有一个塑料弹簧片，用来支撑和固定动子。在塑料弹簧片上开有一些小螺孔，通过螺钉的作用可以紧固弹簧与动子之间的联结，确保动子整个振动过程中的平稳性。

对于图1和图3中的外层圆筒形线圈6和内层圆筒形线圈3，必须通入方向相反的电流，这样整个动子部分所受的电磁力的方向相同，产生的合力可以增强动子的振动效果。如果在某些场合，需要减弱振动效果时，可以减小线圈中的电流，或者也可以对这两个线圈通入方向相同的电流，产生的合力是两个线圈分别受力的差值。外层圆筒形线圈6与内层圆筒形线圈3彼此独立，因此每个线圈的电流都可独立控制，对直线振动效果的控制十分灵活。

图4是本发明电机轴线处纵向剖面的二维磁力线分布示意图。从图4中可以看出，磁力线与线圈正交的部分很多，验证了本发明所提出的方案是正确的。

当外层圆筒形线圈6与内层圆筒形线圈3通入方向相反的电流时，由于电流方向与磁场方向正交，线圈在磁场中会受到磁场力。将线圈与定子铁芯固定，在由牛顿第三定律可知，动子部分就会受到电磁力的作用而发生运动。当两个线圈中同时或单独通入交流电流时，电机均可对外产生振动效果。

如实施例一，定子内、外部铁芯采用10号钢，永磁体采用钕铁硼N30，剩磁为1.1T，漆包线线径为0.42mm。电机的各部件尺寸为：定子外部铁芯7外径为158mm，内径为150mm，高为33mm；外层圆筒形线圈6外径为150mm，内径为146mm；高为10mm；内层圆筒形线圈3外径为72mm，内径为68mm，高度为10mm；定子内部铁芯2外径为68mm，内径为60mm，高为33mm；动子上方圆筒形铁芯1和下方圆筒形铁芯8外径均为146mm，内径均为72mm，高度均为3mm；中间圆筒形铁芯5外径为142mm，内径为76mm，高度为3mm；每个圆筒形永磁体4外径均为142mm，内径均为76mm，高均为10mm。当两个线圈同时通入方向相反、有效值为0.4A、频率为50Hz的电流时，电机直线运动的振幅为5mm，动子部分所受力的方向正负交替变化，且峰值为31.41N，按正弦规律变化。当电机的各项参数都保持不变，只有外层圆筒形线圈6通入电流时，当产生同样的电磁力及振动幅度时，则需要向外层圆筒形线圈6通入相同频率的电流的有效值为0.62A。通过对比可知，两个线圈同时通电可提高电机的过载能力，电机长时间运行的发热问题也可得到解决。换句话说，产生相同大小的力，具有两个线圈的电机的温升明显低于只有一个线圈的电机的温升。因此，和传统的单个线圈的永磁直线振动电机相比，发明的电机提高了推力密度，温升低，过载能力强。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高推力密度的永磁直线振动电机，包括相互配合的动子结构和定子结构，其特征在于：所述动子结构包括有两块完全相同的圆筒形永磁体，两块永磁体上下叠放且两块永磁体相对面的极性相同，所述上层永磁体的上方、两块永磁体之间、下层永磁体的下方分别放置一块圆筒形铁芯；所述定子结构包括有定子内部铁芯、内层圆筒形线圈、外层圆筒形线圈以及定子外部铁芯，外层圆筒形线圈固定在定子外部铁芯的内表面，内层圆筒形线圈固定在定子内部铁芯的外表面，且内、外层圆筒形线圈的水平对称轴与定子内、外部铁芯的水平对称轴都在一条水平线上，内、外层圆筒形线圈上分别通入方向相反的电流；所述动子结构置于定子结构的内、外层圆筒形线圈之间。

2.根据权利要求1所述的一种高推力密度的永磁直线振动电机，其特征在于：所述上方的圆筒形铁芯和下方的圆筒形铁芯的尺寸完全相同，中间圆筒形铁芯的尺寸略小。

3.根据权利要求1或2所述的一种高推力密度的永磁直线振动电机，其特征在于：所述定子内、外部铁芯均固定在机座上，机座为非导磁材料。

4.根据权利要求3所述的一种高推力密度的永磁直线振动电机，其特征在于：所述定子内、外部铁芯的高度相同，且大于整个动子结构的高度。

5.根据权利要求1所述的一种高推力密度的永磁直线振动电机，其特征在于：所述动子结构的水平对称轴和所述定子结构的水平对称轴在一条水平线上，所述动子结构的垂直对称轴和所述定子结构的垂直对称轴重合。

6.根据权利要求1所述的一种高推力密度的永磁直线振动电机，其特征在于：采用胶粘的方式将外层圆筒形线圈固定在定子外部铁芯的内表面，内层圆筒形线圈固定在定子内部铁芯的外表面。

7.根据权利要求1所述的一种高推力密度的永磁直线振动电机，其特征在于：所述动子结构的上、下端分别设有一个用来支撑和固定动子结构的塑料弹簧片，塑料弹簧片上开有若干小螺孔，小螺孔与螺钉配合紧固塑料弹簧片与动子结构之间的联结。