CN112039309A

CN112039309A - 一种音圈电机磁路结构

Info

Publication number: CN112039309A
Application number: CN202011067003.9A
Authority: CN
Inventors: 胡博; 郭炳岐; 李斌; 郝志鹏; 田露; 卫莹; 方海玉; 刘畅
Original assignee: Xian Aerospace Propulsion Institute
Current assignee: Xian Aerospace Propulsion Institute
Priority date: 2020-10-04
Filing date: 2020-10-04
Publication date: 2020-12-04
Anticipated expiration: 2040-10-04
Also published as: CN112039309B

Abstract

本发明提出一种音圈电机磁路结构，包括定子和动子；定子由外铁芯、上线圈和下线圈组成；上线圈和下线圈分别固定在外铁芯的内壁面上；动子由主磁钢、上磁钢组合以及下磁钢组合组成；主磁钢的N极端面与上磁钢组合中的无缝隙的端面贴合固定，主磁钢的S极端面与下磁钢组合中的无缝隙的端面贴合固定。本发明对比于相同参数的现有技术音圈电机结构，磁场强度得到了有效提高；在相同电流条件下，性能得到有效提升，而在相同性能条件下，本发明体积减小，同时由于线圈分为两端，节省约1/3的铜线使用量；并且该种音圈电机磁路结构中，动子具有沿轴向双向运动的能力。

Description

一种音圈电机磁路结构

技术领域

本发明涉及音圈电机的结构及磁路设计技术领域，具体为一种音圈电机磁路结构。

背景技术

音圈电机(Voice Coil Motor，VCM)是新型控制微特电机的一种，它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。其工作原理为：通电线圈(导体)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。

现有音圈电机结构原理如图1所示，现有技术的音圈电机所使用的磁力线由环形磁钢N极出发，经底座-铁芯-线圈后进入环形磁钢S极，线圈单向通电产生安培力。由于现有技术的音圈电机本身结构限制，环形磁场本身无聚磁能力，存在的问题是聚磁效果不佳，通过线圈的磁场强度低，电机性能不佳。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，增加通过线圈的磁场强度，提升音圈电机性能，本发明提出一种音圈电机磁路结构，通过采用永磁体、线圈、铁芯组成的特殊空间排列，轴向磁路结合径向磁路，有效提升通过线圈的磁场强度，提升电机性能，同时取消了底座结构，可以实现音圈电机的轴向双向输出。

本发明的技术方案为：

所述一种音圈电机磁路结构，包括定子和动子；

所述定子由外铁芯、上线圈和下线圈组成；所述外铁芯为中空圆柱结构，上线圈和下线圈分别固定在外铁芯的内壁面上；

所述动子由主磁钢、上磁钢组合以及下磁钢组合组成；

所述主磁钢为沿轴向充磁的圆柱形磁钢；

所述上磁钢组合通过以下过程得到：

首先，通过第一副磁钢与第二副磁钢加工得到副磁钢组合件：

所述第二副磁钢为三棱锥台结构，且上顶面和下底面均为正三角形，三棱锥台结构中的两个侧面为直角梯形，另一侧面为等腰梯形；上顶面正三角形的高小于下底面正三角形的高，下底面正三角形的高等于主截面磁钢半径R；第二副磁钢的充磁方向为从正三角形下底面向等腰梯形侧面偏转45°方向；

所述第一副磁钢为具有四个侧面的五面体结构，其中底面为等腰梯形，并能够与第二副磁钢中的正三角形上顶面配合形成与第二副磁钢中的正三角形下底面相同大小的正三角形；第一副磁钢的四个侧面中，两个相对的侧面为四边形，两个相对的侧面为直角三角形，第一副磁钢底面等腰梯形中的下底对应的侧面为矩形，第一副磁钢底面等腰梯形中的上底对应的侧面为等腰梯形，且该等腰梯形侧面与第二副磁钢中的等腰梯形侧面大小形状尺寸相同；第一副磁钢的充磁方向为指向矩形侧面方向；

第一副磁钢的等腰梯形侧面与第二副磁钢的等腰梯形侧面紧密贴合固定后，第一副磁钢与第二副磁钢组成底面和顶面为相同大小正三角形的三棱柱；此时磁力线方向为由第一副磁钢的矩形侧面，经空气后回到第二副磁钢大正三角形底面而进入第二副磁钢，随后向第一副磁钢方向偏转45°后经两种磁钢贴合面进入第一副磁钢；

其次，将六组由第一副磁钢与第二副磁钢组成的副磁钢组合件紧密贴合固定成为六棱柱形状，其中六组三棱柱组合中有缝隙的一端应处于六棱柱的同一端；此时的磁力线方向为，由六棱柱外形6个矩形面出发，经空气后回到六棱柱无缝隙的端面，经内部方向偏转后回到6个矩形面；

之后，将六棱柱加工为半径为R的圆柱，得到上磁钢组合；

所述下磁钢组合的结构与上磁钢组合的结构相同，区别仅在于下磁钢组合中形状与第一副磁钢形状相同的第三副磁钢的充磁方向与第一副磁钢的充磁方向相反，下磁钢组合中形状与第二副磁钢形状相同的第四副磁钢的充磁方向与第二副磁钢的充磁方向相反；

所述主磁钢的N极端面与上磁钢组合中的无缝隙的端面贴合固定，所述主磁钢的S极端面与下磁钢组合中的无缝隙的端面贴合固定。

进一步的，所述第二副磁钢中，上顶面正三角形的高为下底面正三角形的高的一半。

进一步的，所述外铁芯两端具有顶盖结构，用于加强磁屏蔽效果。

进一步的，所述外铁芯两端顶盖的径向向内凸出尺寸等于上线圈以及下线圈的径向厚度。

进一步的，所述下线圈为利用上线圈引出线而进一步绕制的线圈，且下线圈与上线圈的绕制方向相反。

进一步的，所述上线圈以及下线圈的外径等于外铁芯内径；所述上线圈以及下线圈的内径对应等于上磁钢组合以及下磁钢组合的外径，并间隙配合；所述上线圈轴向长度等于上磁钢组合的轴向长度，所述下线圈轴向长度等于下磁钢组合的轴向长度。

有益效果

本发明提出的音圈电机磁路结构，对比于相同参数的现有技术音圈电机结构，磁场强度得到了有效提高；在相同电流条件下，性能得到有效提升，而在相同性能条件下，本发明体积减小，同时由于线圈分为两端，节省约1/3的铜线使用量；并且该种音圈电机磁路结构中，动子具有沿轴向双向运动的能力。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1传统音圈电机结构示意图；

图2本发明涉及的音圈电机结构示意图；

图3第一副磁钢示意图；

图4第二副磁钢示意图；

图5磁钢组合示意图；

图6动子示意图；

图7实施例中涉及的音圈电机结构图；

图8穿过线圈的磁场强度灰度图。

具体实施方式

本发明提出的音圈电机磁路结构，采用了特殊设计的动子形式，动子由主磁钢以及固定在主磁钢两端的组合副磁钢组成。

以主磁钢一端的组合副磁钢为例进行说明：

如图3及图4所示，第一副磁钢1与第二副磁钢2按照图示方向加工并充磁。

如图4所示，第二副磁钢为三棱锥台结构，且上顶面和下底面均为正三角形，三棱锥台结构中的两个侧面为直角梯形，另一侧面为等腰梯形；且优选上顶面正三角形的高为下底面正三角形的高的一半。下底面正三角形的高等于主截面磁钢半径R。第二副磁钢的充磁方向为从正三角形下底面向等腰梯形侧面偏转45°方向。

如图3所示，第一副磁钢为具有四个侧面的五面体结构，其中底面为等腰梯形，与第二副磁钢中的正三角形上顶面配合形成与第二副磁钢中的正三角形下底面相同大小的正三角形。第一副磁钢的四个侧面中，两个相对的侧面为四边形，两个相对的侧面为直角三角形，底面等腰梯形中的下底对应的侧面为矩形，底面等腰梯形中的上底对应的侧面为等腰梯形，且该等腰梯形侧面与第二副磁钢中的等腰梯形侧面大小形状尺寸相同。第一副磁钢的充磁方向为指向矩形侧面方向。

第一副磁钢的等腰梯形侧面与第二副磁钢的等腰梯形侧面紧密贴合固定(胶粘)后，第一副磁钢与第二副磁钢组成底面和顶面为相同大小正三角形的三棱柱。此时磁力线方向为由第一副磁钢的矩形侧面，经空气后回到第二副磁钢大正三角形底面而进入第二副磁钢，随后向第一副磁钢方向偏转45°后经两种磁钢贴合面进入第一副磁钢。

将六组由第一副磁钢与第二副磁钢组成的组合件紧密贴合固定(胶粘)成为六棱柱形状，其中注意六组三棱柱组合中有缝隙的一端应处于六棱柱的同一端。此时的磁力线方向为，由六棱柱外形6个矩形面出发，经空气后回到六棱柱无缝隙的端面，经内部方向偏转后回到6个矩形面。

接下来随后将图5所示磁钢组合加工为半径为R的圆柱，得到最终组合成动子的组合副磁钢，此时磁力线近似为由圆柱侧面出发，经空气后回到圆柱无横向缝隙端的端面，即N极向外。

对于主磁钢另一端的组合副磁钢，采用的也是上述的组合方法，区别在于副磁钢的充磁方向相反，最终形成的磁力线方向为由圆柱无横向缝隙端的端面出发，经空气后回到圆柱侧面，即S极向外。

将动子按照图6所示组合，主磁钢为沿轴向充磁的半径为R的圆柱形磁钢，注意将主磁钢N极端面与磁钢组合加工件中N极向外件的无横向缝隙端端面贴合，主磁钢S极端面与磁钢组合加工件中S极向外件的无横向缝隙端端面贴合，将动子装入图7所示的外铁芯及线圈中。此时磁力线方向为，磁力线由主磁钢N极出发，经动子N极向外侧圆柱面，通过上侧线圈后经外铁芯向下，通过下侧线圈后进入S极向外侧圆柱面并回到主磁钢S极。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例、是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图7所示，本实施例所涉及电机由第一副磁钢1、第二副磁钢2、第三副磁钢3、第四副磁钢4、主磁钢5、上线圈6、下线圈7、外铁芯8组成。第一副磁钢1为如图3所示的特殊形状永磁体，充磁方向如图3所示。第二副磁钢2为如图4所示的特殊形状永磁体，充磁方向如图4所示。第三副磁钢3为如图3所示的特殊形状永磁体，充磁方向与图3中所示相反。第四副磁钢4为如图4所示的特殊形状永磁体，充磁方向与图4中所示相反；其中R为6mm，L为10mm。主磁钢5为直径12mm，高度10mm的永磁体，轴向充磁，N极向上。上线圈6为用直径0.2mm的漆包线绕制290匝到300匝的线圈，内径为12mm，外径为16mm，高度为10mm，绕制方向为顺时针；下线圈7为用上线圈6引出的漆包线绕制290匝到300匝的线圈，内径为12mm，外径为16mm，高度为10mm，绕制方向为逆时针。外铁芯8为外径21mm，内径16mm，高度34mm的钢质筒体，筒体轴向两侧顶端有2mm厚的顶盖结构，用于加强磁屏蔽效果。将6件第一副磁钢1与6件第二副磁钢2使用粘接剂按图5所示形成上磁钢组合，将6件第三副磁钢3与6件第四副磁钢4使用粘接剂按图5所示形成下磁钢组合。将上磁钢组合的底面同轴粘接在主磁钢5的N极表面，将下磁钢组合的底面同轴粘接在主磁钢5的S极表面。将粘接形成后的组件按照12mm外径进行机械加工，形成如图6所示动子。上线圈6使用胶粘剂粘接在外铁芯8的内侧上部，下线圈7使用胶粘剂粘接在外铁芯8的内侧下部，形成定子。将动子按照主磁钢N极向上置入定子空腔内，形成电机能够工作的磁路结构。动子与定子之间形成气隙中的磁场平行于径向，磁场强度强于单独永磁体。

此时对上线圈6和下线圈7两端施加电压，电流在上线圈6内顺时针流动，上线圈6处于沿径向向外的磁场内，根据安培力定则，上线圈6受到沿轴向向下的安培力，动子受到沿轴向向上的反作用力；同时电流在下线圈7内逆时针流动，下线圈7处于沿径向向内的磁场内，根据安培力定则，下线圈7受到沿轴向向下的安培力，动子同样受到沿轴向向上的反作用力；此时动子具有向上运动的趋势。反之，对线圈施加方向相反的电压使其产生方向相反的电流时，动子的运动趋势亦相反。

如图8所示，通过线圈的磁场强度为0.3-0.5T，体积平均值为0.37T，对比于相同参数的现有技术音圈电机结构通过线圈的磁场强度体积平均值为0.18T，本实施例磁场强度提高100％以上。将本实施例与相同参数的现有技术音圈电机机构对比，在相同电流条件下，性能提升约156％；在最大电流条件下，性能提升约88％。在相同性能条件下，本实施例所使用的体积减小，同时由于线圈分为两端，节省约1/3的铜线使用量。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种音圈电机磁路结构，包括定子和动子；其特征在于：

所述动子由主磁钢、上磁钢组合以及下磁钢组合组成；

所述主磁钢为沿轴向充磁的圆柱形磁钢；

所述上磁钢组合通过以下过程得到：

之后，将六棱柱加工为半径为R的圆柱，得到上磁钢组合；

2.根据权利要求1所述一种音圈电机磁路结构，其特征在于：所述第二副磁钢中，上顶面正三角形的高为下底面正三角形的高的一半。

3.根据权利要求1所述一种音圈电机磁路结构，其特征在于：所述外铁芯两端具有顶盖结构，用于加强磁屏蔽效果。

4.根据权利要求3所述一种音圈电机磁路结构，其特征在于：所述外铁芯两端顶盖的径向向内凸出尺寸等于上线圈以及下线圈的径向厚度。

5.根据权利要求1所述一种音圈电机磁路结构，其特征在于：所述下线圈为利用上线圈引出线而进一步绕制的线圈，且下线圈与上线圈的绕制方向相反。

6.根据权利要求1所述一种音圈电机磁路结构，其特征在于：所述上线圈以及下线圈的外径等于外铁芯内径；所述上线圈以及下线圈的内径对应等于上磁钢组合以及下磁钢组合的外径，并间隙配合；所述上线圈轴向长度等于上磁钢组合的轴向长度，所述下线圈轴向长度等于下磁钢组合的轴向长度。