CN111614226A - 一种可变刚性的磁性重力补偿器的音圈电机 - Google Patents
一种可变刚性的磁性重力补偿器的音圈电机 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种可变刚性的磁性重力补偿器的音圈电机，是由动子和定子组成，所述动子和定子的形状均为圆筒形；所述定子滑动套装在动子上；所述动子是由圆筒型骨架以及至少一组动磁铁组件组成；所述定子是由圆筒型铁芯以及至少一组定磁铁组件组成，本发明通过刚度可调的磁性重力补偿器方案，并且可以与圆筒型音圈电机直接集成，节约设计空间，使结构更加紧凑；通过与机械弹簧或柔性铰链联合使用，可以实现恒定的补偿力。
Description
技术领域
本发明涉及一种音圈电机，具体涉及一种可变刚性的磁性重力补偿器的音圈电机。
背景技术
与传统伺服电机加丝杆传动的系统相比，音圈电机直驱系统无机械传动环节，具有高效率和高可靠性的同时，还可以达到丝杆系统难以达到的高响应速度和高精度。因此在半导体、医疗等领域获得越来越广泛的应用。
音圈电机用作垂直运动轴时，由于需要克服动子和负载的重力，需要额外的电流。而当负载较重的时候，需要的电流也相应增加，根据焦耳定律，电机的发热量与电流的平方成正比，因此会产生较大的热量，引起系统温度上升。根据材料的热膨胀系数，过高的温度会引起较大的形变量，从而降低系统的精度。这在需要极高精度的应用领域尤其明显，需要在设计时加以考虑。
一种克服系统重力的方法是利用机械弹簧或柔性铰链，缺点是根据胡克定律，弹簧的拉力或推力与形变量成正比，因此补偿力也随着系统的上下运动而改变，无法做到恒定的补偿力。磁性重力补偿器可以做到“负刚度”或“负弹簧”的补偿特性，如果设计得当，可以与机械弹簧或柔性铰链的“正刚度”特性相抵消，从而实现恒定的补偿力，如图9所示。音圈电机本身只需要提供运动所需要的加速度，可以实现系统的高动态响应，以及极低的温升。
现有专利公告号为WO2011/131462、US9172291、US6791443、CN105281530、CN103034065的的专利中提出了几种磁性重力补偿器的结构，但往往需要锥形永磁体或径向充磁的永磁体，成本较高，且不易与圆筒型音圈电机集成。
现有专利公告号为CN110855118A的专利公开了一种具有磁性重力补偿功能的圆筒型音圈电机，该方案的优点是无须径向充磁的永磁体，并且结构简单，有利于生产；缺点是一旦电机电磁结构固定，刚度可以调节的范围非常小，并且悬浮力与刚度成正相关，如果要降低悬浮力，刚度也随之改变，比较难以与机械弹簧或柔性铰链的刚度范围匹配；另外一个缺点是补偿器的线性度不好。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种刚度可调的磁性重力补偿器方案，并且可以与圆筒型音圈电机直接集成，节约设计空间，使结构更加紧凑；通过与机械弹簧或柔性铰链联合使用，可以实现恒定的补偿力。
技术方案：本发明所述的一种可变刚性的磁性重力补偿器的音圈电机，是由动子和定子组成，所述动子和定子的形状均为圆筒形；所述定子滑动套装在动子上；
所述动子是由圆筒型骨架以及至少一组动磁铁组件组成；所述圆筒型骨架的侧壁上设有与动磁铁组件对应的动组件安装槽，所述动磁铁组件安装在动组件安装槽中，所述动磁铁组件是由至少两个动子磁铁组成，动磁铁组件中的动子磁铁由下至上宽度逐渐减少，呈阶梯状分布，所述同一动磁铁组件中的动子磁铁的磁极方向相同；
所述定子是由圆筒型铁芯以及至少一组定磁铁组件组成，所述圆筒型铁芯中心设有立柱，所述定磁铁组件套装在立柱中，所述定磁铁组件是由定子磁铁和导磁块组成，所述定子磁铁和导磁块套装在立柱上，导磁块设置在定子磁铁上方；所述设置定磁铁组件的数量与设置动磁铁组件的数量相同。
进一步的，所述动子磁铁、定子磁铁均为环形磁铁。
进一步的，所述当动子中设有一组动磁铁组件，定子中设有一组定磁铁组件时，所述动子磁铁的磁极方向与定子方向的磁极方向相同。
进一步的，所述当动子中设有至少两组动磁铁组件，定子中设有至少两组定磁铁组件时，所述相邻的定磁铁组件中的定子磁铁的磁极方向相反，所述相邻的动磁铁动子中的动子磁铁的磁极方向相同。
进一步的，所述动子中还设有动子线圈，对应圆筒型骨架的侧壁上设有对应的线圈安装槽，所述动组件安装槽设置在线圈安装槽的最下方。
进一步的，所述动子中还设有动子线圈，对应圆筒型骨架的侧壁上设有对应的线圈安装槽，所述动组件安装槽设置在线圈安装槽的最下方，所述动磁铁组件中的动子磁铁与安装在最下方的定子磁铁的磁极方向相同。
有益效果：本发明一种可变刚性的磁性重力补偿器和音圈电机的设计方案。与现有技术相比，它具有如下优点。
（1）不包含径向充磁的磁环，结构简单，生产成本低，并且可以方便地与圆筒型音圈电机集成；
（2）可以通过调整磁铁的段数和材料，方便地改变悬浮力的大小和刚度；
（3）可以与圆筒型音圈电机直接集成，节约设计空间，使结构更加紧凑；
（4）可以实现恒定的补偿力，重力补偿线性度好，刚度大，调整范围宽，机械弹簧或柔性铰链的选型更方便；
（5）机械弹簧或柔性铰链和磁性重力补偿器两者刚度绝对值相同，方向相反，从而相互叠加形成与位置无关的恒定悬浮力。当动子线圈通过外部电源或驱动器供电时，无需克服负载的重力，只需要提供运动所需的加速度即可，因此电流消耗小，温升低，系统形变量小，达到提高动态响应和精度的目的。
附图说明
图1为本使用新型的结构示意图；
图2为是实例1结构示意图；
图3为是实例2结构示意图；
图4为是实例3结构示意图；
图5为是实例4结构示意图；
图6为是实例5结构示意图；
图7为磁性悬浮力与动子位置的关系图；
图8不同结构的悬浮刚度图；
图9 磁性悬浮力与机械弹簧力的合成图；
1、动子；2、定子；3、圆筒型骨架；4、动子线圈；5、动子磁铁；6、圆筒型铁芯；61、立柱；7、定子磁铁；8、导磁块。
具体实施方式
实施例1
如图1-2所示，一种可变刚性的磁性重力补偿器的音圈电机，是由动子1和定子2组成，所述动子1和定子2的形状均为圆筒形；所述定子2滑动套装在动子1上；所述动子1是由圆筒型骨架3以及一组动磁铁组件组成；所述圆筒型骨架3的侧壁上设有与动磁铁组件对应的动组件安装槽，所述动磁铁组件安装在动组件安装槽中，所述动磁铁组件是由两个动子磁铁5组成，动磁铁组件中的动子磁铁5由下至上宽度逐渐减少，呈阶梯状分布，所述同一动磁铁组件中的动子磁铁5的磁极方向相同；
所述定子2是由圆筒型铁芯6以及一组定磁铁组件组成，所述圆筒型铁芯6中心设有立柱61，所述定磁铁组件套装在立柱61中，所述定磁铁组件是由一个定子磁铁7和一个导磁块8组成，所述定子磁铁7和导磁块8套装在立柱61上，导磁块8设置在定子磁铁7上方。
所述动子磁铁5、定子磁铁7均为环形磁铁，对应的动组件安装槽和定组件安装槽为环形凹槽；所述动子磁铁5的磁极方向与定子2方向的磁极方向相同。
实施例2
如图1、3所示，一种可变刚性的磁性重力补偿器的音圈电机，是由动子1和定子2组成，所述动子1和定子2的形状均为圆筒形；所述定子2滑动套装在动子1上；所述动子1是由圆筒型骨架3以及一组动磁铁组件组成；所述圆筒型骨架3的侧壁上设有与动磁铁组件对应的动组件安装槽，所述动磁铁组件安装在动组件安装槽中，所述动磁铁组件是由三个动子磁铁5组成，动磁铁组件中的动子磁铁5由下至上宽度逐渐减少，呈阶梯状分布，所述同一动磁铁组件中的动子磁铁5的磁极方向相同；
所述定子2是由圆筒型铁芯6以及一组定磁铁组件组成，所述圆筒型铁芯6中心设有立柱61，所述定磁铁组件套装在立柱61中，所述定磁铁组件是由一个定子磁铁7和一个导磁块8组成，所述定子磁铁7和导磁块8套装在立柱61上，导磁块8设置在定子磁铁7上方。
所述动子磁铁5、定子磁铁7均为环形磁铁，对应的动组件安装槽和定组件安装槽为环形凹槽；所述动子磁铁5的磁极方向与定子2方向的磁极方向相同。
实施例3
如图1、4所示，一种可变刚性的磁性重力补偿器的音圈电机，是由动子1和定子2组成，所述动子1和定子2的形状均为圆筒形；所述定子2滑动套装在动子1上；所述动子1是由圆筒型骨架3以及两组动磁铁组件组成；所述圆筒型骨架3的侧壁上设有与动磁铁组件对应的动组件安装槽，所述动磁铁组件安装在动组件安装槽中，所述动磁铁组件是由两个动子磁铁5组成，动磁铁组件中的动子磁铁5由下至上宽度逐渐减少，呈阶梯状分布，所述同一动磁铁组件中的动子磁铁5的磁极方向相同；
所述定子2是由圆筒型铁芯6以及两组定磁铁组件组成，所述圆筒型铁芯6中心设有立柱61，所述定磁铁组件套装在立柱61中，所述定磁铁组件是由一个定子磁铁7和一个导磁块8组成，所述定子磁铁7和导磁块8套装在立柱61上，导磁块8设置在定子磁铁7上方。
所述动子磁铁5、定子磁铁7均为环形磁铁，对应的动组件安装槽和定组件安装槽为环形凹槽；所述动子磁铁5的磁极方向与定子2方向的磁极方向相同。
实施例4
如图1、5所示一种可变刚性的磁性重力补偿器的音圈电机，是由动子1和定子2组成，所述动子1和定子2的形状均为圆筒形；所述定子2滑动套装在动子1上；所述动子1是由圆筒型骨架3、一组动磁铁组件、一组动子线圈4组成； 所述圆筒型骨架3的侧壁一个动组件安装槽以及一个线圈安装槽，所述动子线圈4安装在线圈安装槽中； 所述动磁铁组件安装在动组件安装槽中，所述动组件安装槽设置在线圈安装槽下方；所述动磁铁组件是由两个动子磁铁5组成，动磁铁组件中的动子磁铁5由下至上宽度逐渐减少，呈阶梯状分布，所述同一动磁铁组件中的动子磁铁5的磁极方向相同；
所述定子2是由圆筒型铁芯6以及两组定磁铁组件组成，所述圆筒型铁芯6中心设有立柱61，所述定磁铁组件套装在立柱61中，所述定磁铁组件是由一个定子磁铁7和一个导磁块8组成，所述定子磁铁7和导磁块8套装在立柱61上，导磁块8设置在定子磁铁7上方。
所述动子磁铁5、定子磁铁7均为环形磁铁，对应的动组件安装槽和定组件安装槽为环形凹槽；所述动磁铁组件中的动子磁铁5与安装在最下方的定子磁铁7的磁极方向相同。
实施例5
如图1、6所示，一种可变刚性的磁性重力补偿器的音圈电机，是由动子1和定子2组成，所述动子1和定子2的形状均为圆筒形；所述定子2滑动套装在动子1上；所述动子1是由圆筒型骨架3、一组动磁铁组件、两组动子线圈4组成； 所述圆筒型骨架3的侧壁一个动组件安装槽以及两个线圈安装槽，所述动子线圈4安装在线圈安装槽中； 所述动磁铁组件安装在动组件安装槽中，所述动组件安装槽设置在两个线圈安装槽的下方；所述动磁铁组件是由两个动子磁铁5组成，动磁铁组件中的动子磁铁5由下至上宽度逐渐减少，呈阶梯状分布，所述同一动磁铁组件中的动子磁铁5的磁极方向相同；
所述定子2是由圆筒型铁芯6以及三组定磁铁组件组成，所述圆筒型铁芯6中心设有立柱61，所述定磁铁组件套装在立柱61中，所述定磁铁组件是由一个定子磁铁7和一个导磁块8组成，所述定子磁铁7和导磁块8套装在立柱61上，导磁块8设置在定子磁铁7上方。
所述动子磁铁5、定子磁铁7均为环形磁铁，对应的动组件安装槽和定组件安装槽为环形凹槽；所述动磁铁组件中的动子磁铁5与安装在最下方的定子磁铁7的磁极方向相同。
实例1至5中，动子线圈4采用良导体绕制而成，通常是铜线，也可采用铝线，线材需要具有绝缘表层，动子线圈4通过外部电源或驱动器供电；动子线圈4绕制在动子1骨架上，动子1骨架需要做绝缘处理；动子磁铁5和定子磁铁7是由永磁材料制成，如铁氧体或稀土永磁材料，充磁方向为轴向充磁，可以是一段或多段，通过调整不同磁铁段的内外径、高度和材料，可以灵活地调整磁性重力补偿的刚度值；定子2铁芯采用高磁导率的软磁材料制成，如低碳钢；定子磁铁7通过胶水粘在定子2铁芯上；导磁块8由高磁导率的软磁材料制成，如低碳钢，其作用是导磁并和定子2铁芯一起形成闭合磁路。
如图8所示，为实例1、3、4结构的悬浮刚度图。
通过动子磁铁5和定子磁铁7相互作用，行成一个与重力方向相反的悬浮力，该悬浮力具有“负弹簧”的特性如图7所示。通过调整动磁铁组件中动子磁铁5的段数、尺寸和材料，可以灵活地改变悬浮力的大小和刚度，从而与机械弹簧和柔性铰链匹配；如图9所示；在理想条件下，机械弹簧或柔性铰链和磁性重力补偿器两者刚度绝对值相同，方向相反，从而相互叠加形成与位置无关的恒定悬浮力。当动子线圈通过外部电源或驱动器供电时，无需克服负载的重力，只需要提供运动所需的加速度即可，因此电流消耗小，温升低，系统形变量小，达到提高动态响应和精度的目的。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (5)
1.一种可变刚性的磁性重力补偿器的音圈电机，是由动子和定子组成，所述动子和定子的形状均为圆筒形；所述定子滑动套装在动子上；其特征在于：
所述动子是由圆筒型骨架以及至少一组动磁铁组件组成；所述圆筒型骨架的侧壁上设有与动磁铁组件对应的动组件安装槽，所述动磁铁组件安装在动组件安装槽中，所述动磁铁组件是由至少两个动子磁铁组成，动磁铁组件中的动子磁铁由下至上宽度逐渐减少，呈阶梯状分布，所述同一动磁铁组件中的动子磁铁的磁极方向相同；
所述定子是由圆筒型铁芯以及至少一组定磁铁组件组成，所述圆筒型铁芯中心设有立柱，所述定磁铁组件套装在立柱中，所述定磁铁组件是由定子磁铁和导磁块组成，所述定子磁铁和导磁块套装在立柱上，导磁块设置在定子磁铁上方；所述设置定磁铁组件的数量与设置动磁铁组件的数量相同。
2.根据权利要求1所述的一种可变刚性的磁性重力补偿器的音圈电机，其特征在于：所述动子磁铁、定子磁铁均为环形磁铁。
3.根据权利要求2所述的一种可变刚性的磁性重力补偿器的音圈电机，其特征在于：所述当动子中设有一组动磁铁组件，定子中设有一组定磁铁组件时，所述动子磁铁的磁极方向与定子方向的磁极方向相同。
4.根据权利要求2所述的一种可变刚性的磁性重力补偿器的音圈电机，其特征在于：所述当动子中设有至少两组动磁铁组件，定子中设有至少两组定磁铁组件时，所述相邻的定磁铁组件中的定子磁铁的磁极方向相反，所述相邻的动磁铁动子中的动子磁铁的磁极方向相同。
5.根据权利要求2所述的一种可变刚性的磁性重力补偿器的音圈电机，其特征在于：所述动子中还设有动子线圈，对应圆筒型骨架的侧壁上设有对应的线圈安装槽，所述动组件安装槽设置在线圈安装槽的最下方，所述动磁铁组件中的动子磁铁与安装在最下方的定子磁铁的磁极方向相同。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20200901 |
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |