CN109639086B - 电磁感应式供电的音圈电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电磁感应式供电的音圈电机，包括运动线圈、低频磁路组件以及高频感应供电组件；所述高频感应供电组件包括高频磁芯和高频供电线圈，运动线圈与高频供电线圈通过高频磁芯耦合，用于使运动线圈中产生感应电流；所述低频磁路组件用于提供低频磁场，包括永磁体和带有凹槽的导磁体，永磁体贴于凹槽内壁一侧，与内壁另一侧之间构成气隙，运动线圈在气隙中运动。本发明去掉了音圈电机动子线圈的飞线，解决了传统动圈的飞线结构容易断路的问题，提高了音圈电机的可靠性，使音圈电机在频繁往复运动使用场合下使用寿命大大提高。同时本发明也提高了毫米级别以上行程的音圈电机的往复频率。
Description
技术领域
本发明涉及一种音圈电机，尤其涉及一种动圈不带有柔性供电线结构的音圈电机。
背景技术
音圈电机(Voice Coil Motor，VCM)是一种特殊形式的直接驱动电机，因为原理与扬声器类似而得名，是一种将电能直接转化为直线或圆弧运动机械能的传动装置。音圈电机结构简单、体积小、噪声低、比推力高、加速度大、响应速度快、精度高、维护方便、可靠性高、调速范围宽。被广泛应用于硬盘驱动器、光盘驱动器、扫描仪、透镜聚焦、激光切割、活塞车床刀架、移动电话(作为震动电机)、医疗器械和航天仪器(例如航天制冷机)等精密定位系统，近年来随着发展和推力的提升，也开始用于驱动液压系统和压缩机，作为电源控制阀使用。1971至今，音圈电机被推广进入独立应用阶段，制成了非常具有实用价值的装置和产品。尤其在欧美和日本获得了极大的发展，创造了很高的经济价值。
音圈电机工作原理为：通电线圈(导体)，也称为动圈或者动音圈，通电线圈在磁场中会产生力，力的大小与施加在线圈上的电流成比例，使线圈运动至不同的位置。所以运动线圈需要连接两根活动的输电线进行供电，这种供电结构一般被称作柔性供电线结构，柔性供电线随着动圈的往复运动不断的拉伸和收缩，老化速度快稳定性差。因此音圈电机在高频次运动状态中容易出现断路的问题，音圈的振动频率和使用寿命都有限制。同时由于可运动的支承，运动部件和环境的热接触很恶劣，动音圈产生的热量会使运动部件的温度升高,因而音圈中所允许的最大电流较小，音圈的推力也有着限制。
现有对音圈电机的发展的研究大部分是对于永磁体分布结构和磁场的研究，现有技术中对供电方式并没有太多关注和成果。然而随着音圈电机的使用面越来越大，带有柔性供电线(飞线)结构的动圈对音圈电机的限制和弊端逐日凸显。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种不会发生断路的高频往复运动的音圈电机，该电机的运动线圈没有飞线结构，不存在柔性供电线断路的问题。
技术方案：本发明所述的电磁感应式供电的音圈电机，包括运动线圈、低频磁路组件以及高频感应供电组件；低频磁路组件用于提供低频磁场，高频感应供电组件使运动线圈中产生感应电流，运动线圈在低频磁路组件形成的磁场中运动。
进一步的，所述高频感应供电组件包括高频磁芯和高频供电线圈，运动线圈与高频供电线圈通过高频磁芯耦合；所述低频磁路组件包括永磁体和带有凹槽的导磁体，永磁体贴于凹槽内壁一侧，与内壁另一侧之间构成气隙，运动线圈在气隙中运动。
可选的方案是一种圆柱形音圈电机，所述高频磁芯包括圆筒形磁芯外壳和圆柱形磁芯柱，二者的中心轴重合，两端连接固定；所述导磁体为环形导磁体，所述凹槽为环形槽，环形导磁体采用硅钢片叠压制成，套设在圆柱形磁芯柱上并固定；所述永磁体为环形永磁体，设置于环形槽中。所述高频供电线圈绕制在供电线圈支架上，并固定在圆柱形磁芯柱未套设环形导磁体的一端；所述运动线圈为环形螺旋线圈。
另一种可选的方案为矩形音圈电机，所述高频磁芯包括至少一组EE型磁芯，EE型磁芯的磁芯中柱为立方体或者圆柱体；所述导磁体为U型导磁体，采用硅钢片叠压制成，固定在EE型磁芯的窗口中。所述永磁体为条形永磁体，设置于U型导磁体的U形槽中。所述高频供电线圈绕制在供电线圈支架上，并固定在磁芯中柱未套设U型导磁体的一端，所述运动线圈为螺旋线圈，其绕制形状与所述磁芯中柱的形状相对应。
进一步的，上述两种方案中所述的音圈电机还包括运动线圈支架，所述运动线圈缠绕在运动线圈支架上，连同运动线圈支架一起在所述磁场中运动，运动线圈支架上设有用于电机对外做功的推板。
本发明还提供了一种电磁感应式供电的音圈电机的控制系统，该系统包括电磁感应式供电的音圈电机、弹性部件、驱动电路模块、数据采集模块、中央控制模块以及供电电源。
所述音圈电机包括运动线圈、用于提供低频磁场的低频磁路组件、高频磁芯以及高频供电线圈；所述运动线圈与高频供电线圈通过高频磁芯耦合，并在低频磁路组件形成的磁场中运动；所述运动线圈通过支撑件与推板相连，用以对外做功，推板运动的前方设置有弹性部件；运动线圈中还串联有二极管。
所述驱动电路模块与音圈电机中的高频供电线圈相连，用于提供高频供电线圈中的高频电流并驱动运动线圈运动。
所述数据采集模块包括位置采集模块、电流采集模块以及压力转换模块，位置采集模块采用光栅尺或者磁栅位移传感器，采集运动线圈的相对位置信息；电流采集模块与高频供电线圈相连，采集所述高频供电线圈中的电流；压力转换模块将运动线圈所受压力转换为控制信号。
供电电源为该控制系统供电。
对应于上述系统，提供一种应用于上述音圈电机控制系统的控制方法，采用力/位混合控制，包括以下步骤：
(1)运动初始状态，驱动电路使音圈电机中高频供电线圈中通过高频电流，通过电磁感应在运动线圈中产生感应电流，通过与运动线圈串联的二极管控制电流方向，使运动线圈在磁场中受到正向安培力，开始沿正向运动；
(2)运动线圈正向运动时，带动推板前进并使前方的弹性部件储存弹性势能，数据采集模块分别采集音圈电机中运动线圈的位置信息、高频供电线圈的电流信号以及与运动线圈相连的弹性部件的压力信息，中央控制模块通过以上数据来控制驱动线圈中的电流，使运动线圈的速度减小至零，正向运动过程结束；反向运动中央控制模块通过数据采集模块返回，
(3)通过弹性部件释放正向运动时储存的弹性势能，使运动线圈反向运动，弹性势能减小为零，中央控制模块通过数据采集模块采集到的运动状态数据来控制驱动线圈中的电流，使运动线圈的速度减小至零，反向运动结束；
(4)运动线圈不断重复步骤2和步骤3的过程，作往复运动。
有益效果：本发明相比于现有的音圈电机具有以下优点：(1)不存在柔性供电线的断路问题，提高了音圈电机的使用寿命；(2)本发明所采用的方案去掉了柔性供电线结构，减少了动圈运动时产生的动生电动势，提高了线圈推力；(3)不带有柔性供电线结构的动圈其质量更轻，运动阻碍少，本发明的音圈电机的运动线圈作往复运动时可达到的最大运动频率要远高于现有的音圈电机。
附图说明
图1是本发明所述圆柱形音圈电机的剖面图；
图2是本发明所述矩形音圈电机的主体部分剖面图；
图3是本发明所述矩形音圈电机的立体图；
图4是本发明所述矩形音圈电机样机的动圈电流图；
图5是本发明所述矩形音圈电机样机的动圈速度图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1
一种可选方案为圆柱形音圈电机，如图1所示为圆柱形音圈电机的剖面图。该音圈电机包括运动线圈3、高频供电线圈4、环形永磁体7、环形导磁体5和磁芯。磁芯由圆筒形磁芯外壳1和圆柱形磁芯柱11组成，二者的中心轴重合且两端相连。高频供电线圈4和运动线圈3通过圆柱形磁芯柱11耦合，给高频供电线圈中加载高频激励电流，运动线圈中将产生感生电流，从而在安培力的作用下延磁芯柱的轴向运动。
所述环形导磁体5采用硅钢片叠压制成，其上设有环形槽8，其以圆柱形磁芯柱11为中心轴套设在其上并固定。环形导磁体5的外侧壁靠近磁芯外壳1的内壁，二者之间存在间隙，减少磁钢磁路磁力线进入高频磁芯。环形永磁体7紧贴环形槽8固定在槽中，环形槽8中剩余的空间称为气隙。
所述运动线圈3为环形螺旋线圈，缠绕在运动线圈支架6上，与运动线圈支架6一起置于环形槽8内，在气隙中运动。运动线圈支架6上连接有用于对外界做功的推板9。所述音圈电机还包括供电线圈支架2，高频供电线圈4缠绕在供电线圈支架2上并一同固定在所述圆柱形磁芯柱11的一侧。高频供电线圈不与低频磁路匝链，由外部电路控制输入电能。
所述磁芯柱11的材料是具有高磁导率适合中高频20kHz～100kHz的磁性材料，可以根据驱动电路的开关频率不同而采用不同的高磁导率材料，例如铁氧体，铁硅铝，非晶合金和纳米晶合金等。运动线圈3材料优选为铝线，高频供电线圈4的材料优选为铜导线。
实施例2
另外一种可选方案为矩型音圈电机，图2和图3分别为该电机本体部分的剖视图和完整的立体图。由剖视图可见，该电机包括运动线圈21、高频供电线圈20、条形永磁体24、U型导磁体23和至少一组EE型磁芯22。EE型磁芯22由EE壳套和磁芯中柱222组成，其中磁芯中柱222可以为圆形或者是方形。
所述U型导磁体23采用硅钢片叠压制成，设在EE型磁芯22的窗口中。U型导磁体23一边与高频磁芯中柱222贴合，并被动圈21匝链，U型导磁体23的另一边内侧贴永磁体，外侧面靠近EE壳套并与壳套之间留有间隙，减少磁钢磁路磁力线进入高频磁芯，从而分开高频磁路和永磁体磁路。条形永磁体24固定在U型导磁体23的U型槽中的一侧，U型槽中剩余空间为运动线圈21的运动空间，即气隙。
如图3所示，为了增加运动线圈的推力，围绕着中柱222可以设置多个U型导磁体23加上条形永磁体24的结构。为了保证运动线圈所受的力矩平衡，线圈中柱的截面设计为中心对称的形状，例如磁芯中柱222是方形的情况，可在方形中柱的四条侧边位置分别设置一个“永磁体+硅钢槽”结构。为实现这一目的，磁芯22由两个EE型磁芯22按照“十”字交叉组合而成，两个EE型磁芯22共用一个方形中柱222，在方形中柱222的四周形成四个窗口，在窗口中分别设置相同的“永磁体+硅钢槽”结构，可以将推力增加一倍。如果磁芯中柱222为圆柱形，则可以按照需求设置更多“永磁体+硅钢槽”结构。
高频供电线圈20是以磁芯中柱222为轴的环状绕线，其与音圈电机的运动线圈21同轴，并通过EE型磁芯22形成磁回路。动圈21穿套在磁芯中柱222上。高频供电线圈20采用LLC谐振控制的H桥逆变器供电，在其上加载高频性载波信号，通过电磁感应在动圈21里产生感应电流。
运动线圈21及其支架25：动圈支架25与其所穿套的磁芯中柱222的形状一致，且与U型导磁体23存在一定的空隙，运动线圈21缠绕固定在动圈支架25上，随其一起在气隙中移动。运动线圈支架25上固定有支撑杆27以及推板28，当运动线圈运动时对外做功。在磁芯中柱222的一端还留有用于加装高频供电线圈20的供电线圈支架26。该支架用于高频供电线圈20及其他辅助设备安装。
所述磁芯中柱222的材料是具有高磁导率适合中高频20kHz～100kHz的磁性材料，例如铁氧体，铁硅铝，非晶合金和纳米晶合金等；EE壳套可选用铁氧体材料组合。运动线圈21优选为铝线，高频供电线圈20优选为铜导线。
本发明还提供了一种电磁感应式供电的音圈电机的控制系统，该系统包括电磁感应式供电的音圈电机、弹性部件、驱动电路模块、数据采集模块、中央控制模块以及供电电源。
所述音圈电机包括运动线圈、用于提供低频磁场的低频磁路组件、高频磁芯以及高频供电线圈；所述运动线圈与高频供电线圈通过高频磁芯耦合，并在低频磁路组件形成的磁场中运动。所述运动线圈通过支撑件与推板相连，用以对外做功，推板运动的前方设置有弹性部件。运动线圈中还串联有二极管。所述驱动电路模块与音圈电机中的高频供电线圈相连，用于提供高频供电线圈中的高频电流并驱动运动线圈运动。驱动电路采用高频逆变电路控制并输入电能，可以是推挽正激、双管正激、有源钳位正激、谐振复位正激等拓扑。所述数据采集模块包括位置采集模块、电流采集模块以及压力转换模块，位置采集模块采用光栅尺或者磁栅位移传感器，采集运动线圈的相对位置信息；电流采集模块与高频供电线圈相连，采集所述高频供电线圈中的电流；压力转换模块将运动线圈所受压力转换为控制信号。供电电源为该控制系统供电。音圈运动等效电路模型类似副边短路的正激电路，当音圈电机带载工作时，机械功率相当于等效电路副边负载，副边不再是短路状态。
该系统中电机动圈为螺旋线圈，线圈材料优选为铝线。在线圈中串入二极管，由于电机动子是直线运动，所以二极管放置在线圈支架一侧即可。电机的动圈中电流方向取决于二极管极性，与线圈绕法无关，当运动线圈内部流过高频脉动电流，线圈在永磁体磁场中的受力一直是同一方向，得到单向推力，有利于对电机精确的控制的实现。如图4所示，动圈内部感应电流随着高频供电线圈电流周期性波动，则动圈所受推力大小也随着高频供电线圈电流周期性波动。其推力有效值是输入相同大小的电流所产生推力的数倍。
动圈在运动过程中，其受力方向保持恒定，而受力大小跟随感应电流发生周期变化；音圈电机采用力/位混合控制方式，通过对供电线圈的电流信号的幅值和相位分析，以及利用磁栅位置传感器或者光栅尺对运动线圈的位置定位，进行判断并调节，来控制动圈的运动方式和工作状态。当运动线圈达到最大振幅时，线圈的回程运动由顶端弹簧做功。所以运动线圈的运动频率可以调节，但是最大的往复运动频率和供电电流频率无关，只和机械结构，等效阻尼系数有关，可以稳定音圈电机的工作模态。
对应于上述系统，本发明还提供一种应用于上述音圈电机控制系统的控制方法，采用力/位混合控制，包括以下步骤：
(1)运动初始状态，驱动电路使音圈电机中高频供电线圈中通过高频电流，固定的无线供电线圈与运动线圈通过高频磁芯形成电磁感应磁回路，在供电线圈上加载高频激励电流,通过电磁感应在运动线圈里产生感应电流，以及与运动线圈串联的二极管控制电流方向，使运动线圈在磁场中受到正向安培力，开始沿正向运动。如图5所示，为初始状态矩形音圈电机样机的动圈速度图。
(2)运动线圈正向运动时，带动推板前进并使前方的弹性部件储存弹性势能，数据采集模块分别采集音圈电机中运动线圈的位置信息、高频供电线圈的电流信号以及与运动线圈相连的弹性部件的压力信息，中央控制模块通过以上数据来控制驱动线圈中的电流，使运动线圈的速度减小至零，正向运动过程结束；反向运动中央控制模块通过数据采集模块返回，
(3)通过弹性部件释放正向运动时储存的弹性势能，使运动线圈反向运动，弹性势能减小为零，中央控制模块通过数据采集模块采集到的运动状态数据来控制驱动线圈中的电流，使运动线圈的速度减小至零，反向运动结束；
(4)运动线圈不断重复步骤2和步骤3的过程，作往复运动。
本发明所述的电磁感应式供电的音圈电机可以用于冰箱压缩机中。使用该型音圈电机驱动压缩机，可以比普通直线压缩机有更高的往复频率，提高了工作效率，由于没有柔性供电线结构，增加了压缩机长期使用的稳定性，提高了使用寿命。直流偏置带来的聚能效应，提高了功率密度，使推力是同输入电流电机的数倍，具有节能作用。动圈不存在径向力和扭矩，也不存在空载轴向力，易于改善电机性能和实现无线供电的电流控制；驱动力和行程成反比，永磁体提供洛伦兹力不存在磁滞损耗。
另外，本发明还可以用在机器人手的指部伸缩结构中。具有响应快，定位精确，工作频率高的优势。
Claims (5)
1.一种电磁感应式供电的音圈电机，其特征在于：该音圈电机包括运动线圈、低频磁路组件以及高频感应供电组件；低频磁路组件用于提供低频磁场，高频感应供电组件使运动线圈中产生感应电流，运动线圈在低频磁路组件形成的磁场中运动；
所述高频感应供电组件包括高频磁芯和高频供电线圈，运动线圈与高频供电线圈通过高频磁芯耦合；所述低频磁路组件包括永磁体和带有凹槽的导磁体，永磁体设于凹槽内壁一侧，与内壁另一侧之间构成气隙，运动线圈在气隙中运动；
所述音圈电机为圆柱体形，所述高频磁芯包括圆筒形磁芯外壳(1)和圆柱形磁芯柱(11)，二者的中心轴重合，两端连接固定；所述导磁体为环形导磁体(5)，所述凹槽为环形槽，环形导磁体(5)套设在圆柱形磁芯柱(11)上并固定；所述环形导磁体(5)的外侧壁靠近圆筒形磁芯外壳(1)的内壁，二者之间存在间隙；所述永磁体为环形永磁体(7)，设于环形槽中。
2.根据权利要求1所述的电磁感应式供电的音圈电机，其特征在于：所述高频供电线圈绕制在供电线圈支架(2)上，并固定在圆柱形磁芯柱(11)未套设环形导磁体的一端；所述环形导磁体(5)采用硅钢片叠压制成，所述运动线圈为环形螺旋线圈(4)。
3.一种电磁感应式供电的音圈电机，其特征在于：该音圈电机包括运动线圈、低频磁路组件以及高频感应供电组件；低频磁路组件用于提供低频磁场，高频感应供电组件使运动线圈中产生感应电流，运动线圈在低频磁路组件形成的磁场中运动；所述高频感应供电组件包括高频磁芯和高频供电线圈，运动线圈与高频供电线圈通过高频磁芯耦合；所述低频磁路组件包括永磁体和带有凹槽的导磁体，永磁体设于凹槽内壁一侧，与内壁另一侧之间构成气隙，运动线圈在气隙中运动；所述音圈电机的外形呈立方体，所述高频磁芯包括至少一组EE型磁芯(22)，EE型磁芯(22)的磁芯中柱(222)为立方体或者圆柱体；所述导磁体为U型导磁体(23)，固定在EE型磁芯(22)的窗口中；所述U型导磁体(23)的外侧面靠近EE型磁芯(22)的壳套并与壳套之间留有间隙，所述永磁体为条形永磁体(24)，设置于U型导磁体(23)的U形槽中。
4.根据权利要求3所述的电磁感应式供电的音圈电机，其特征在于：所述高频供电线圈绕制在供电线圈支架(26)上，并固定在磁芯中柱(222)未套设U型导磁体的一端；所述U型导磁体(23)采用硅钢片叠压制成，所述运动线圈为螺旋线圈(21)，其绕制形状与所述磁芯中柱(222)的形状相对应。
5.根据权利要求1-4任一项所述的电磁感应式供电的音圈电机，其特征在于：所述音圈电机还包括运动线圈支架，所述运动线圈缠绕在运动线圈支架上，连同运动线圈支架一起在所述磁场中运动，运动线圈支架上设有用于电机对外做功的推板。
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