CN109473249A - 具备高电磁作用力的微电磁执行器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具备高电磁作用力的微电磁执行器，包括永磁体和微线圈，其特征在于：所述微线圈由若干个相同的矩形铜线圈并排形成平面微线圈，每两个矩形铜线圈之间的间距均相同；所述永磁体由若干磁条拼接而成，每两个相邻磁条的磁化方向均不同。在上述微线圈的设计基础上，可以将永磁体分别设计为：1）面外多极结构；2）面内多极结构；3）基于Halbach构型的结构。相比于传统设计，本发明结构简单，微线圈生长容易，而且能大大提高电磁作用力，方便适用于更多微系统中。

Description

具备高电磁作用力的微电磁执行器
技术领域
本发明是关于微电磁执行器设计的技术领域，具体涉及具备高电磁作用力的微电磁执行器。
背景技术
微电磁执行器主要用于各种微系统中，通常使用块状永磁体和平面微型线圈的设计，该结构中包括永磁体和线圈，常规设计结构中：永磁体为块状永磁体，其磁向从底面单向向上，微线圈位于下方，为绕制成的螺旋形平面铜线圈，微型线圈的线宽一般为0.01~0.2mm，线间距为0.01~0.2mm。上述结构中，永磁体位于微线圈上面，永磁体与微线圈之间的间距为0.01~3mm，微线圈中的电流密度为10~100A/mm2，这种结构的微电磁执行器产生的作用力较小。一般为了提高作用力通常采用增加线圈匝数和设置铁芯，如图1-3所示。但是要制作多匝线圈工艺复杂，容易生长失败。
为提高其作用力，研究者提出使用双层或多层平面微线圈的构型，参见“基于MEMS工艺的高能量密度微电磁驱动器”（《光学精密工程》，2007年6月，15（6）：866-872），该文献中提供的结构，包括：双层铜质微平面线圈和厚度较大的NiFe合金铁芯。是通过在硅片上刻蚀深槽来生长平面线圈。平面线圈制作在硅片的正反两面，上下两层用过线孔连接；在线圈中央刻蚀出深槽及过线孔，然后用微电铸工艺制作大厚度合金磁芯。当平面线圈输入交变电流时，线圈产生交变磁场，磁场作用于磁性薄膜产生电磁力。但是这种结构相对也较为复杂，制备工艺也较上面的结构复杂，因为是两层微线圈，那么在制作过程中也容易生长失败，同时实现的作用力也依然偏小。
所以需要设计一种结构既简单，作用力又能较大提高的微电磁执行器。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提供了具备高电磁作用力的微电磁执行器，通过调整微线圈的结构，并匹配设计通过多个不同磁向磁条构成相应的永磁体，从而优化磁场的电磁力，大大提高微电磁执行器的作用力。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
具备高电磁作用力的微电磁执行器，包括永磁体和微线圈，其特征在于：所述微线圈由若干个相同的矩形铜线圈并排形成平面微线圈，每两个矩形铜线圈之间的间距均相同；所述永磁体由若干磁条拼接而成，每两个相邻磁条的磁化方向均不同。
在上述微线圈的设计基础上，可以将永磁体分别设计为以下不同的三种结构：
1）面外多极结构：若干磁条拼接形成块状结构，每两个相邻磁条的磁化方向平行于相邻面，且磁性相反；
在该结构中，进一步设计为：所有磁条均为相同的长方体状。
在该结构中，进一步设计为：微线圈的矩形铜线圈个数与永磁体的磁条个数比例为1:1。
在该结构中，每个矩形铜线圈内的电流呈环形流向；同时，相邻两个矩形铜线圈的电流流向相反，一个顺时针方向，另一个逆时针方向。
2）面内多极结构：若干磁条拼接形成块状结构，每两个相邻磁条的磁化方向垂直于相邻面，且磁性相反；
在该结构中，进一步设计为：所有磁条均为相同的长方体状。
在该结构中，进一步设计为：微线圈的矩形铜线圈个数与永磁体的磁条的个数比例为1:2。
在该结构中，每个矩形铜线圈内的电流均呈相同方向的环形流向。
3）基于Halbach构型的结构：若干磁条拼接形成块状结构，在每两个相邻的磁条中，一个磁条的磁化方向垂直于相邻面，另一个磁条的磁化方向平行于相邻面；同时每四个相邻的磁条中，第一个磁条和第三个磁条的磁化方向相反，第二个磁条和四个磁条的磁化方向相反。
在该结构中，进一步设计为：在每两个相邻的磁条中，磁化方向垂直于相邻面的磁条的厚度大于磁化方向平行于相邻面的磁条的厚度；同时，每四个相邻的磁条中，第一个磁条和第三个磁条的厚度相同，第二个磁条和四个磁条的厚度相同。
在该结构中，进一步设计为：微线圈的矩形铜线圈个数与永磁体的磁条的个数比例为1:2。
在该结构中，每个矩形铜线圈内的电流均呈相同方向的环形流向。
本发明的有益效果如下：
本发明结构简单，矩形铜线圈仅使用单层结构；配合相应不同向磁极的磁条结构，可以产生不同大小的作用力，所产生的作用力均明显大于传统结构；同时，本发明的结构可以满足于更广泛的微系统中。
附图说明
图1是背景技术的微电磁驱动器结构示意图。
图2是图1中永磁体的磁向表示图。
图3是图1中微线圈的电流流向示意图。
图4是本发明采用面外多极设计的永磁体的结构示意图。
图5是对应图4永磁体的微线圈的结构示意图。
图6是本发明采用面内多极设计的永磁体的结构示意图。
图7是对应图6永磁体的微线圈的结构示意图。
图8是本发明采用基于Halbach构型设计的永磁体的结构示意图。
图9是对应图8永磁体的微线圈的结构示意图。
图10是本发明的三种结构和传统结构相比较的电磁力示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例并配合附图，对本发明做详细的说明。
实施例1
如图4-5所示，具备高电磁作用力的微电磁执行器，包括永磁体和微线圈。
所述微线圈由若干个相同的矩形铜线圈并排形成平面微线圈，每两个矩形铜线圈之间的间距均为0.04mm，每一个矩形铜线圈的线宽为0.02mm，每个矩形铜线圈的设计均可为10mm*0.9mm*0.02mm，设计有10个矩形铜线圈。在该结构中，每个矩形铜线圈内的电流呈环形流向；同时，相邻两个矩形铜线圈的电流流向相反，一个顺时针方向，另一个逆时针方向。
在上述微线圈的设计基础上，永磁体采用面外多极结构设计：永磁体是有若干磁条拼接形成的块状结构，所有磁条均为相同的长方体状，每一个磁条的尺寸可设计为10mm*1mm*1mm；每两个相邻磁条的磁化方向平行于相邻面，且磁性相反。
在该结构中，微线圈的矩形铜线圈个数与永磁体的磁条个数比例为1:1，因此磁条的个数也为10个。
实施例2
如图6-7所示，具备高电磁作用力的微电磁执行器，包括永磁体和微线圈。
所述微线圈由若干个相同的矩形铜线圈并排形成平面微线圈，每两个矩形铜线圈之间的间距均为0.04mm，每一个矩形铜线圈的线宽为0.02mm，每个矩形铜线圈的设计均可为10mm*1.8mm*0.02mm，设计有5个矩形铜线圈。在该结构中，每个矩形铜线圈内的电流均呈相同方向的环形流向。
在上述微线圈的设计基础上，永磁体采用面内多极结构设计：永磁体是有若干磁条拼接形成的块状结构，所有磁条均为相同的长方体状，每一个磁条的尺寸可设计为10mm*1mm*1mm；每两个相邻磁条的磁化方向平行于相邻面，且磁性相反。
在该结构中，微线圈的矩形铜线圈个数与永磁体的磁条个数比例为1:2，因此磁条的个数为10个。
实施例3
如图8-9所示，具备高电磁作用力的微电磁执行器，包括永磁体和微线圈。
所述微线圈由若干个相同的矩形铜线圈并排形成平面微线圈，每两个矩形铜线圈之间的间距均为0.04mm，每一个矩形铜线圈的线宽为0.02mm，每个矩形铜线圈的设计均可为10mm*1.8mm*0.02mm，设计有5个矩形铜线圈。在该结构中，每个矩形铜线圈内的电流均呈相同方向的环形流向。
在上述微线圈的设计基础上，永磁体采用基于Halbach构型设计：若干磁条拼接形成块状结构，在每两个相邻的磁条中，磁化方向垂直于相邻面的磁条的厚度大于磁化方向平行于相邻面的磁条的厚度；每四个相邻的磁条中，第一个磁条和第三个磁条的厚度相同，第二个磁条和四个磁条的厚度相同。每两个相邻的磁条组合的尺寸可设计为：10mm*1mm*1mm。
这种结构的永磁体中，在每两个相邻的磁条中，一个磁条的磁化方向垂直于相邻面，另一个磁条的磁化方向平行于相邻面；同时，每四个相邻的磁条中，第一个磁条和第三个磁条的磁化方向相反，第二个磁条和四个磁条的磁化方向相反。
在该结构中，微线圈的矩形铜线圈个数与永磁体的磁条个数比例为1:2，因此磁条的个数为10个。
综合上述三种结构的具备高电磁作用力的微电磁执行器，如图10所示，与传统常规设计微电磁驱动器进行对比，可以看出不论是带铁芯，还是不带铁芯，其电磁力均远远高于传统的常规设计。

Claims (11)

1.具备高电磁作用力的微电磁执行器，包括永磁体和微线圈，其特征在于：所述微线圈由若干个相同的矩形铜线圈并排形成平面微线圈，每两个矩形铜线圈之间的间距均相同；所述永磁体由若干磁条拼接而成，每两个相邻磁条的磁化方向均不同。
2.根据权利要求1所述的具备高电磁作用力的微电磁执行器，其特征在于：所述永磁体为面外多极结构，永磁体由若干磁条拼接形成块状结构，所有磁条均为相同的长方体状；每两个相邻磁条的磁化方向平行于相邻面，且磁性相反。
3.根据权利要求2所述的具备高电磁作用力的微电磁执行器，其特征在于：在面外多极结构中，微线圈的矩形铜线圈个数与永磁体的磁条个数比例为1:1。
4.根据权利要求2所述的具备高电磁作用力的微电磁执行器，其特征在于：在面外多极结构中，每个矩形铜线圈内的电流呈环形流向；同时，相邻两个矩形铜线圈的电流流向相反，一个顺时针方向，另一个逆时针方向。
5.根据权利要求1所述的具备高电磁作用力的微电磁执行器，其特征在于：所述永磁体为面内多极结构，永磁体由若干磁条拼接形成块状结构，所有磁条均为相同的长方体状；每两个相邻磁条的磁化方向垂直于相邻面，且磁性相反。
6.根据权利要求5所述的具备高电磁作用力的微电磁执行器，其特征在于：在面内多极结构中，微线圈的矩形铜线圈个数与永磁体的磁条的个数比例为1:2。
7.根据权利要求5所述的具备高电磁作用力的微电磁执行器，其特征在于：在面内多极结构中，每个矩形铜线圈内的电流均呈相同方向的环形流向。
8.根据权利要求1所述的具备高电磁作用力的微电磁执行器，其特征在于：所述永磁体为基于Halbach构型的结构，永磁体由若干磁条拼接形成块状结构；在每两个相邻的磁条中，一个磁条的磁化方向垂直于相邻面，另一个磁条的磁化方向平行于相邻面；同时每四个相邻的磁条中，第一个磁条和第三个磁条的磁化方向相反，第二个磁条和四个磁条的磁化方向相反。
9.根据权利要求8所述的具备高电磁作用力的微电磁执行器，其特征在于：在基于Halbach构型的结构中，每两个相邻的磁条中，磁化方向垂直于相邻面的磁条的厚度大于磁化方向平行于相邻面的磁条的厚度；同时，每四个相邻的磁条中，第一个磁条和第三个磁条的厚度相同，第二个磁条和四个磁条的厚度相同。
10.根据权利要求8或9所述的具备高电磁作用力的微电磁执行器，其特征在于：在基于Halbach构型的结构中，微线圈的矩形铜线圈个数与永磁体的磁条的个数比例为1:2。
11.根据权利要求8或9所述的具备高电磁作用力的微电磁执行器，其特征在于：在基于Halbach构型的结构中，每个矩形铜线圈内的电流均呈相同方向的环形流向。
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