CN109803216B - 一种动磁式直线致动器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种动磁式直线致动器，属于水声换能器技术领域，为了实现小于100Hz的超低频的大功率声发射，采用了直线致动器作为水声换能器的驱动源；该换能器包括厚度极化永磁铁阵列与驱动磁路；厚度极化永磁铁阵列分为三块磁铁，即两块等长端部磁铁与一块中心磁铁，每相邻的两块永磁铁极化方向相反；驱动磁路由两个U形纯铁块和四个铜线圈组成；本发明利用励磁线圈激发的磁场与厚度极化永磁铁阵列磁场相互作用产生电磁力，在电磁力激励下，厚度极化永磁铁阵列发生直线往复运动；该直线致动器用作水声换能器的驱动源，可实现超低频大功率发射的目的，具有小尺寸、超低频、大位移、结构简单等特点。

Description

一种动磁式直线致动器

技术领域

本发明属于水声换能器技术领域，具体涉及一种动磁式直线致动器。

背景技术

声波是人类迄今为止已知的唯一能在海水中远距离传输的能量载体。无论是军事作战，还是海洋开发，均都采用声波作为运载信息的媒介。

声波传播的水介质是一个非常复杂的介质，所以声波在介质中的传播过程也是十分复杂的。要想声波在介质中传得更远，可以肯定的一点是必须在传播的过程中减少声波的能量损失。降低声波的频率能够有效的降低水介质对声能量的吸收，从而提高水声设备的探测距离。而水声换能器作为水下产生声音的通用设备，需根据时代需求进行相关应用技术改进。

水声换能器是利用晶体、压电陶瓷的压电效应或铁镍合金的磁致伸缩效应来进行工作的。所谓压电效应，就是把晶体按一定方向切成薄片，并在晶体薄片上施加压力，在它的两端面上会分别产生正电荷和负电荷。反之在晶体薄片上施加拉伸力时，它的两个端面上就会产生与加压力时相反的电荷。与压电效应相反时电致伸缩效应，即在晶体的两个端面上施加交变电压，晶体就会产生相应的机械变形。我们利用电致伸缩效应和压电效应来产生和接收超声波。常用水声换能器的驱动元件为压电陶瓷堆，通过压电陶瓷堆与特定形状的金属壳体相互作用实现低频发射的换能器有很多，比较常用的有Janus-Helmholtz换能器、弯张换能器、弯曲圆盘换能器、弯曲板换能器等。实现低频段1kHz附近的大功率发射时，由于压电陶瓷堆本身的工作机理，导致换能器的体积、质量都比较大，给实际使用带来了一定的困难，而且制作成本较高。

为了进一步实现小于100Hz的超低频的大功率声发射，可以采用直线致动器作为水声换能器的驱动源。相较于压电陶瓷而言，直线致动器自身尺寸对体积位移的限制要小得多，能够实现超低频段的大位移往复运动。动磁式直线致动器作为众多直线致动器中的一种，该致动器具有驱动力大、性能稳定等特点，是理想的超低频大功率水声换能器的驱动源。

针对上述动磁式直线致动器，本发明构建出一种新结构形式的动磁式直线致动器，通过改变导磁磁路的结构，提高了导磁材料的利用率，使整体结构更加紧凑，减小直线致动器的重量，在不改变动磁式直线致动器其他诸多优点的情况下，进一步增大其电磁力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的动磁式直线致动器，该新型动磁式直线制动器具有更电磁力输出大，材料利用率高，结构紧凑，重量低等特点。

本发明的目的是这样实现的：

所述的动磁式直线致动器具体包括含永磁铁阵列的金属振子1、导磁磁路2，铜线圈3，钢片弹簧4，外部框架5；钢片弹簧4的正中央通过振子连接件6、钢片弹簧压片7与含永磁阵列的金属振子1刚性连接；外部框架5包括完全相同的上下两部分，两块完全相同的U型铁芯13以U形铁臂上下相向的位置夹在导磁铁芯压片8和外部框架5之间；永磁阵列包括金属振子9，两端磁铁10和中央磁铁11；铜线圈3缠绕于线圈箍12上，线圈箍12套在U形铁芯13的铁芯臂上。

所述的含永磁铁阵列的金属振子1具体包括：永磁铁阵列包含三块永磁铁，两块两端磁铁10和一块中央磁铁11；两块两端磁铁10的极性和宽度完全相同，宽度与U形铁芯13的铁芯臂宽度相同，中央磁铁11位于中间，极性与两端磁铁10，两端磁铁10的宽度不同；金属振子9、两端磁铁10和中央磁铁11的厚度相同，金属振子9为中央加工出粘接永磁铁阵列的槽的铝合金板，永磁铁阵列通过环氧树脂粘接到金属振子9开槽中。

所述的钢片弹簧4的两端通过螺丝固定在外部框架5上，金属振子9通过螺丝与钢片弹簧4相连，金属振子9位于导磁磁路2的中间位置；右上角的导磁铁芯压片8位于U形铁芯13联通侧的凸块上，与外部框架5通过螺丝互相配和夹住U形铁芯13，三个对称角与右上角结构相同；铜线圈3绕在线圈箍12外圈，U形铁芯13的铁芯臂套于线圈箍12的内圈中；同一个U形铁芯13的U形臂上的铜线圈3绕向相同，处于上下相对方向的U形臂上的铜线圈3绕向相反。

所述的导磁磁路2具体包括：所述的导磁磁路2由两块U形铁芯13、四个铜线圈3、含永磁铁阵列的金属振子1组成；两U形铁芯13的铁芯臂端面互相平行且完全对齐，两个U形铁芯13间的端面保持距离且距离大于金属振子9的厚度，上端U形铁芯13和下端U形铁芯13通过嵌入的方式分别固定于外部框架5的上部分和外部框架5的下部分；线圈箍12由塑料做成；包含永磁铁阵列的金属振子1上三块永磁铁的连接线均处于U形铁芯13的铁芯臂端面中央。

本发明的有益效果在于：

本发明的动磁式直线致动器，改变了导磁磁路结构与永磁铁阵列的排布方式，通过改变导磁磁路的结构，提高了导磁材料的利用率，使整体结构更加紧凑，减小直线致动器的重量。因为导磁磁路的改变，传统的由两极化方向相反永磁铁组成的永磁铁阵列可加上一块永磁铁，形成两个动磁式驱动区域，使动磁式直线致动器的输出电磁力翻倍，进一步提升了动磁式直线致动器大功率输出的优点。本发明中的直线致动器不仅保持了本身小尺寸、大功率、超低频的特点，还通过结构改进，进一步加强了小尺寸和大功率的特性。

附图说明

图1为本发明直线致动器结构示意图；

图2为本发明直线致动器结构的剖面示意图；

图3为本发明永磁铁阵列与金属振子结构的剖面示意图；

图4为本发明磁路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1至图2所示为本发明动磁式直线致动器结构图与剖面图，主要包括含永磁铁阵列的金属振子1、导磁磁路2、铜线圈3、钢片弹簧4等主要结构。在铜线圈3通电后，永磁铁阵列与金属振子1和导磁磁路2相互作用，产生平行于x轴的电磁力，再加上永磁铁阵列与金属振子1与钢片弹簧4形成了弹性振动系统，使永磁铁阵列与金属振子1发生x方向的大位移往复直线运动。

如图1所示，本发明的钢片弹簧4的端部通过螺丝固定在外部框架5上，为振子提供必要的弹性力。外部框架5分为完全相同的上下两个部分，它们相向连接在一起为其他部件起到支撑与固定的作用。

如图2所示，本发明的钢片弹簧4的正中央通过振子连接件6、钢片弹簧压片7与金属振子1刚性连接。因为永磁铁在磁场中的受力十分复杂，钢片弹簧除了提供弹性力的作用之外，还有一个重要的作用就是抑制永磁铁阵列在y方向与z方向上的位移，使永磁铁阵列处在直线致动器结构y方向与z方向的正中间。导磁铁芯压片8与外部框架5通过螺丝互相配和，夹住U形铁芯13联通侧的凸块，使两U形铁芯的相对位置固定。铜线圈3对称的分布于四个铁芯臂上，其中，在相对的铁芯臂上两铜线圈绕向相同，在同一个U形铁芯13上的两个铜线圈绕向相反。

如图3所示，本发明的永磁铁阵列与金属振子1由金属振子9、两端磁铁10、中央磁铁11组成。所有部分的厚度都是相同的。三块永磁铁中，两块两端磁铁10尺寸和极化方向都是完全相同的,且图中两端磁铁10的长和宽与铁芯臂端面的尺寸完全一致。中央磁铁11的尺寸与极性与两端磁铁10不同。

如图4所示，本发明的导磁磁路由两块U形铁芯13、四个铜线圈3、含永磁铁阵列的金属振子1组成。为了直观的显示上方的U形铁芯13，所以隐去了上方的两个铜线圈3。两U形铁芯之间的距离略大于金属振子9的厚度，使得金属振子能够自由的运动。线圈箍12由塑料做成，主要作用是保持铜线圈3的形状。在线圈通电之后，两U形铁芯13之间形成闭合的磁场回路。

金属振子9连接永磁铁阵列与外部结构，起到传递电磁力与限定永磁体阵列空间位置的作用；永磁铁阵列各永磁铁的连接线处在U形铁芯13铁芯臂端面的中央，确保无电流时含永磁铁阵列的金属振子1不受钢片弹簧的弹性力。导磁磁路2的特征在于：由两块U形铁芯13组成，两U形铁芯13的铁芯臂端面互相平行且完全对齐，两U形铁芯13的端面保持一定的距离，确保含永磁铁阵列的金属振子1在两U形铁芯13之间能自由运动。

本发明所述的动磁式直线致动器的具体装配过程如下：

步骤1：将三块永磁铁吸附成所需的阵列，再将永磁铁阵列与金属振子9用环氧树脂粘接牢固。最后将含永磁铁阵列的金属振子1、振子连接件6、钢片弹簧4、钢片弹簧压板7通过螺丝刚性连接。

步骤2：先将铜线圈3缠到线圈箍12上，然后按照外部框架5、铜线圈3、含永磁铁阵列的金属振子1、铜线圈3、外部框架5的顺序从下到上的叠放好，接着将上下两块外部框架5用螺丝刚性连接，最后用螺丝将钢片弹簧4固定在外部框架5上。

步骤3：将两块U形铁芯13的铁芯臂套入线圈箍12的内圈，再使两块U形铁芯13等距的相向运动到外部框架5中，最后用铁芯压板8将两块U形铁芯13固定。

本发明所述的动磁式直线致动器工作时，对铜线圈3施加交变电场，导磁磁路2中的铁芯中产生交变磁场，在交变磁场的激励下，含有永磁铁阵列的金属振子1产生交变的电磁力，钢片弹簧给永磁铁阵列的金属振子1提供与电磁力相反的回复力，从而激励含永磁铁阵列的金属振子1往复直线振动。

同时，由于本致动器具有两个驱动区域，输出电磁力的大小是普通动磁式直线致动器的两倍，这样直线致动器的位移距离也会加倍，为大功率发射打下伏笔；导磁磁路的改进，增大了导磁材料的利用率，大大减小了动磁式直线致动器的体积与重量，有利于后续设备设计的小型化。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种动磁式直线致动器，其特征在于：所述的动磁式直线致动器具体包括含永磁铁阵列的金属振子结构(1)、导磁磁路(2)、钢片弹簧(4)和外部框架(5)；钢片弹簧(4)的正中央通过振子连接件(6)、钢片弹簧压片(7)与含永磁阵列的金属振子结构(1)刚性连接；外部框架(5)包括完全相同的上下两部分，两块完全相同的U型铁芯(13)以U形铁臂上下相向的位置夹在导磁铁芯压片(8)和外部框架(5)之间；含永磁铁阵列的金属振子结构(1)包括金属振子(9)、两端磁铁(10)和中央磁铁(11)；所述的导磁磁路(2)包括两块U形铁芯(13)和四个铜线圈(3)，铜线圈(3)缠绕于线圈箍(12)上，线圈箍(12)套在U形铁芯(13)的铁芯臂上；

两块两端磁铁(10)的极性和宽度完全相同，宽度与U形铁芯(13)的铁芯臂宽度相同，中央磁铁(11)位于中间，极性与两端磁铁(10)相反，两端磁铁(10)与中央磁铁(11)的宽度不同；金属振子(9)、两端磁铁(10)和中央磁铁(11)的厚度相同，金属振子(9)为中央加工出粘接永磁铁阵列的槽的铝合金板，永磁铁阵列通过环氧树脂粘接到金属振子(9)开槽中；

两U形铁芯(13)的铁芯臂端面互相平行且完全对齐，两个U形铁芯(13)间的端面保持距离且距离大于金属振子(9)的厚度，上端U形铁芯(13)和下端U形铁芯(13)通过嵌入的方式分别固定于外部框架(5)的上部分和外部框架(5)的下部分；线圈箍(12)由塑料做成；包含永磁铁阵列的金属振子结构(1)上三块永磁铁的连接线均处于U形铁芯(13)的铁芯臂端面中央；

所述的钢片弹簧(4)的两端通过螺丝固定在外部框架(5)上，金属振子(9)通过螺丝与钢片弹簧(4)相连，金属振子(9)位于导磁磁路(2)的中间位置；右上角的导磁铁芯压片(8)位于U形铁芯(13)的上侧凸块上，与外部框架(5)通过螺丝互相配和夹住U形铁芯(13)，三个对称角与右上角结构相同；铜线圈(3)绕在线圈箍(12)外圈，U形铁芯(13)的铁芯臂套于线圈箍(12)的内圈中；同一个U形铁芯(13)的U形臂上的铜线圈(3)绕向相同，处于上下相对方向的U形臂上的铜线圈(3)绕向相反。

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