CN107565793B - 一种具有多层复合哈尔巴赫磁极阵列的圆筒型音圈电机 - Google Patents

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本发明提供一种具有多层复合哈尔巴赫磁极阵列的圆筒型音圈电机，包括：由外层向内层依次配置的外层背铁、外层磁铁、外层线圈、中间层磁铁、内层线圈、内层磁铁和内层背铁；外层磁铁和内层磁铁均为哈尔巴赫阵列，两者对应的径向磁铁充磁方向相同，两者对应的轴向磁铁充磁方向相反；中间层磁铁为径向磁铁阵列，其径向磁铁充磁方向与哈尔巴赫阵列中对应的径向磁铁的充磁方向相同。

Description

一种具有多层复合哈尔巴赫磁极阵列的圆筒型音圈电机
技术领域
本发明涉及一种音圈电机，尤其涉及一种具有多层复合哈尔巴赫磁极阵列的圆筒型音圈电机。
背景技术
疲劳试验是在飞行器试飞前对其结构进行循环往复力加载，有效评估其结构刚度、预测寿命的重要一环。传统的结构部件疲劳加载多采用液压伺服技术控制液压缸进行力加载，技术较为成熟，适合千牛级大载荷加载应用。但随着近年来无人机及复合材料技术的迅猛发展，越来越多结构部件采用新型复合材料的轻薄结构以减轻部件重量，例如战斗机雷达罩、无人机机翼等。由于新型轻薄材料特点所限，结构疲劳加载级别通常为百牛级小载荷，如果继续沿用传统的液压加载方式，液压缸的泄露以及摩擦问题会严重影响加载精度。
直线电机作为一种特种电机，可以直接输出直线运动，相比传统旋转电机带运动转换机构复杂系统具有效率高、噪声小、寿命长等突出优势，近年来得到了越来越多研究者的关注。
音圈电机(一种直线电机)通常采用圆筒状结构，永磁作为定子、线圈作为动子。因磁路内部没有齿槽等结构，输出力平稳性得到了保证；此外，轻质线圈作为动子可以实现高频响的运动特性。音圈电机产品和应用较为成熟，在高精度定位系统、高动态系统以及作动系统中均有广泛的应用。美国SMAC、BEI-Kimco作为全球最大的音圈电机工厂开发了一系列音圈电机作动器，可实现1-500N量级的稳定力输出。但由于现有产品通常采用经典轴向阵列，输出力密度较低以及发热严重成为应用到力加载系统中的瓶颈。为了解决输出力密度低的问题，研究者从创新磁极阵列角度开展研究。英国纽卡斯尔大学的Smith采用单层径向交替阵列设计音圈电机定子，但由于该阵列边端磁漏较为严重，输出力密度提升较为有限。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出了一种新型的具有复合哈尔巴赫磁极阵列的多层磁极音圈电机，保证输出力密度的同时降低电机发热、提升电机动态性能。本发明通过以下技术方案实现：
一种具有多层复合哈尔巴赫磁极阵列的圆筒型音圈电机，包括：由外层向内层依次配置的外层背铁、外层磁铁、外层线圈、中间层磁铁、内层线圈、内层磁铁、内层背铁；所述外层磁铁和所述内层磁铁均为哈尔巴赫阵列，两者对应的径向磁铁充磁方向相同，两者对应的轴向磁铁充磁方向相反；所述中间层磁铁为径向磁铁阵列，其径向磁铁充磁方向与所述哈尔巴赫阵列中对应的径向磁铁的充磁方向相同。
其中，所述外层背铁、外层磁铁、中间层磁铁和内层磁铁均为圆筒状结构。
进一步地，所述内层线圈配置在所述内层磁铁和所述中间层磁铁之间，所述外层线圈配置在所述外层磁铁和所述中间层磁铁之间；所述外层线圈和所述内层线圈中的轴向相邻线圈的通电方向均相反。
进一步地，所述外层线圈和所述内层线圈中径向对应的线圈的通电方向相同。(同上，对应二字用不用进一步解释)
进一步地，所述中间层磁铁中的相邻磁铁的充磁方向相反。
进一步地，所述外层线圈和所述内层线圈作为所述圆筒型音圈电机的动子。
进一步地，所述中间层磁铁中的相邻磁铁之间配置不导磁的间隔圆环。其中所述间隔圆环可以通过粘结的方式与两侧的磁铁固定，便于安装固定中间层磁铁。
进一步地，所述外层背铁的两端均具有端盖。
进一步地，所述外层线圈和所述内层线圈均具有线圈支架。
其中，优选的，材料选择为：内层背铁、外层背铁——电工纯铁，磁铁——钕铁硼，线圈——漆包铜线，线圈支架——工程塑料。
本发明的有益效果：
1.在保证输出力的基础上，由于线圈面积的缩小，极大地减小了电机发热情况，适用于疲劳试验中长时力矩加载工况；
2.由于中间层磁铁的存在，线圈重量也明显减小，对动子质量减轻具有明显的作用，系统动态响应特性也有明显提升；
3.将传统的单个动子改造成双动子后，系统加载可靠性得到了提升，两个动子互为备份提高了系统冗余度；对于其他应用来讲，双动子同轴输出也提升了系统运动灵活性以及集成度。
附图说明
附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是本发明具体实施方式的具有多层复合哈尔巴赫磁极阵列的圆筒型音圈电机的磁路结构图。
图2是本发明具体实施方式的具有多层复合哈尔巴赫磁极阵列的圆筒型音圈电机的磁感线分布走势图。
图3是本发明具体实施方式的具有多层复合哈尔巴赫磁极阵列的圆筒型音圈电机的结构示意图。
图4是本发明具体实施方式的具有多层复合哈尔巴赫磁极阵列的圆筒型音圈电机的力输出示意图。
附图标记说明：1-外层背铁；2-外层磁铁；3-外层线圈；4-中间层磁铁；5-内层线圈；6-内层磁铁；7-内层背铁；8-端盖；9-动子伸出端。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-4所示，本发明的具有多层复合哈尔巴赫磁极阵列的圆筒型音圈电机，包括：由外层向内层依次配置的外层背铁1、外层磁铁2、外层线圈3、中间层磁铁4、内层线圈5、内层磁铁6和内层背铁7；外层磁铁2和内层磁铁6均为哈尔巴赫阵列，两者对应的径向磁铁充磁方向相同，两者对应的轴向磁铁充磁方向相反；中间层磁铁4为径向磁铁阵列，其径向磁铁充磁方向与哈尔巴赫阵列中对应的径向磁铁的充磁方向相同。
内层线圈5配置在内层磁铁6和中间层磁铁4之间，外层线圈3配置在外层磁铁2和中间层磁铁4之间；外层线圈3和内层线圈5中的轴向相邻线圈的通电方向均相反。
外层线圈3和内层线圈5中径向对应的线圈的通电方向相同。
中间层磁铁4中的相邻磁铁的充磁方向相反。
外层线圈3和内层线圈5作为圆筒型音圈电机的动子9。
中间层磁铁4中的相邻磁铁之间配置不导磁的间隔圆环。
外层背铁1的两端均具有端盖8。
外层线圈3和内层线圈5均具有线圈支架。
更详细的，如图1所示，示出了具有多层复合哈尔巴赫磁极阵列的圆筒型音圈电机的磁路结构图，在哈尔巴赫磁极阵列2(外层磁铁)和哈尔巴赫磁极阵列6(内层磁铁)之间具有一层径向交替磁极阵列4(中间层磁铁)，形成了三层磁极结构。
如图2所示，示出了具有多层复合哈尔巴赫磁极阵列的圆筒型音圈电机的磁感线分布走势图，假设磁感线从外层磁铁2出发，经过外层线圈3、中间层磁铁4、内层线圈5、内层磁铁6、内层背铁7，最终回到外层背铁1，形成完整的回路。三层磁铁2,4,6布置在两个线圈3,5区域内，形成方向统一的径向磁场，从而产生轴向输出力。
如图3所示，示出了具有多层复合哈尔巴赫磁极阵列的圆筒型音圈电机的结构，内外两组线圈3,5作为电机动子，并伸出端盖8，形成动子伸出端9。内外两组动子向外具有单方向伸出端，与被加载部件进行固连，将输出力与位移施加在被加载部件上。在工作过程中，每个线圈通入单相交流电，并保证内外相对的两个线圈通电方向相同、且轴向相邻线圈通电方向相反。
如图4所示，示出了具有多层复合哈尔巴赫磁极阵列的圆筒型音圈电机的力输出示意图，图中圆点代表线圈横截面电流方向垂直纸面向外、十字代表电流方向垂直纸面向内。若电流方向相反，则电机动子会产生反方向的输出力。通过不断调整通电方向即可实现动子轴向往复运动。在实际加载过程中，通过改变通电电流的频率以及幅值，可以相应改变输出力方向变化频率以及输出力幅值大小，从而对被加载部件产生往复的恒定加载力。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种具有多层复合哈尔巴赫磁极阵列的圆筒型音圈电机，其特征在于，包括：由外层向内层依次配置的外层背铁(1)、外层磁铁(2)、外层线圈(3)、中间层磁铁(4)、内层线圈(5)、内层磁铁(6)和内层背铁(7)；
所述外层磁铁(2)和所述内层磁铁(6)均为哈尔巴赫阵列，两者对应的径向磁铁充磁方向相同，两者对应的轴向磁铁充磁方向相反；
所述中间层磁铁(4)为径向磁铁阵列，其径向磁铁充磁方向与所述哈尔巴赫阵列中对应的径向磁铁的充磁方向相同。
2.根据权利要求1所述的圆筒型音圈电机，其特征在于，
所述内层线圈(5)配置在所述内层磁铁(6)和所述中间层磁铁(4)之间，所述外层线圈(3)配置在所述外层磁铁(2)和所述中间层磁铁(4)之间；所述外层线圈(3)和所述内层线圈(5)中的轴向相邻线圈的通电方向均相反。
3.根据权利要求2所述的圆筒型音圈电机，其特征在于，
所述外层线圈(3)和所述内层线圈(5)中径向对应的线圈的通电方向相同。
4.根据权利要求1-3任一项所述的圆筒型音圈电机，其特征在于，
所述中间层磁铁(4)中的相邻磁铁的充磁方向相反。
5.根据权利要求1-3任一项所述的圆筒型音圈电机，其特征在于，
所述外层线圈(3)和所述内层线圈(5)作为所述圆筒型音圈电机的动子(9)。
6.根据权利要求1-3任一项所述的圆筒型音圈电机，其特征在于，
所述中间层磁铁(4)中的相邻磁铁之间配置不导磁的间隔圆环。
7.根据权利要求1-3任一项所述的圆筒型音圈电机，其特征在于，
所述外层背铁(1)的两端均具有端盖(8)。
8.根据权利要求1-3任一项所述的圆筒型音圈电机，其特征在于，
所述外层线圈(3)和所述内层线圈(5)均具有线圈支架。
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