CN112117879B - 一种基于柔性导向的直线振动音圈电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于柔性导向的直线振动音圈电机，包括定子、动子，所述的定子包括外轭、永磁体、导磁块，所述的动子包括线架和线圈；所述的线架两端分别设有柔性导向机构，所述的柔性导向机构包括外圈、片簧和内圈，所述的外圈与外轭固定，所述的内圈与线架固定，实现径向连接，并在轴向对线架进行弹性支撑。本发明通过柔性导向机构提供了电机往复运动的回复力，使电机振荡过程中的零点位置保持恒定，消除了电机动子往复运动过程中的摩擦力，提高电机的运动可靠性。

Description

一种基于柔性导向的直线振动音圈电机
技术领域
本发明涉及电机领域，特别是涉及一种基于柔性导向的直线振动音圈电机。
背景技术
直线振动类电机是一种将电磁能转换为机械往复运动输出的装置，在振动测试、医疗装备、消费电子和精密定位等领域具有非常广泛的应用。具有结构简单、体积小、响应快、推力线性度好等特性，非常适用于小范围高速直线运动的场合。
其中直线振动音圈电机采用定子与动子分离结构。传统的直线振动音圈电机振动系统中需要安装直线导轨或直线轴承等导向装置，以保证音圈电机可以输出直线往复运动。直线导轨或直线轴承在其传动过程中不可避免的存在间隙、摩擦和磨损，使得电机在高频往复运动的过程中产生较高的温升，影响系统的可靠性。同时传动过程中的摩擦也降低了音圈电机的工作效率和精度。
公开号为CN 110086319 A的说明书公开了一种直线音圈电机，包括音圈电机外定子、音圈电机动子线圈、导向圆轴和直线轴承，所述音圈电机定子中轴线处开设有圆形通孔，且该圆形通孔上方开设有大于圆形通孔直径的沉孔，该沉孔内固定安装有圆形的直线轴承，该音圈电机定子内开设有音圈电机动子固定槽，该音圈动子固定槽内滑动安装有音圈电机动子线圈，该音圈电机动子线圈中轴线上端处开设有导向固定通孔，该导向固定通孔内固定安装有导向圆轴，该导向圆轴穿过导向固定通孔与直线轴承设有的中心通孔及音圈电机定子设有圆形通孔滑动连接。
该发明根据音圈电机产品结构形状加大音圈电机外定子的中心孔，在中心孔里面压入圆柱状的直线轴承，同时在配套的音圈电机动子的线圈中心固定好直线轴承导向圆轴，起到定中心的作用，其次导向圆轴与直线轴承配合，实现了动子线圈的往复运动。因其使用了轴承作为导向装置，故仍无法避免导向组件中的摩擦。
公开号为CN 105763021 A的说明书公开了一种直线音圈电机，包括电机外壳、磁铁、轭铁、线圈架、线圈、片簧和压簧，所述片簧包括在径向上分布的内簧圈、外簧圈以及连接所述内簧圈和所述外簧圈的簧丝，所述外簧圈耦合到所述轭铁，所述内簧圈耦合到所述线圈架，所述线圈架和所述轭铁通过所述片簧实现径向连接，所述压簧设置在所述线圈架下，在轴向上对所述线圈架形成弹性支撑，所述线圈固定在所述线圈架上，所述线圈在通电时可沿轴向与所述磁铁和所述轭铁发生相对运动。该电机采用的片簧尽管消除了电机往复运动过程中的摩擦，但是片簧的结构采用径向分布的簧丝进行设计，结构的相对刚度比低，外载荷作用下，电机动子易发生倾斜，进而影响电机的运动精度。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种提高运动精度和运行效率、结构紧凑的直线振动音圈电机。
一种基于柔性导向的直线振动音圈电机，包括定子、动子，所述的定子包括外轭、永磁体、导磁块，所述的动子包括线架和线圈；所述的线架两端分别设有柔性导向机构，所述的柔性导向机构包括外圈、片簧和内圈，所述的外圈与外轭固定，所述的内圈与线架固定，实现径向连接，并在轴向对线架进行弹性支撑。
所述的线圈在通交变电流时，与所述定子相互作用产生同步电磁吸引力，带动线架沿轴向与定子发生相对运动。此时固定在线架两端的柔性导向机构的片簧受力发生相同的弹性形变，在轴向上对动子进行弹性支持，提高了动子的抗扭转能力，使电机输出零点位置保持恒定的直线振动。
所述的片簧由与内圈、外圈一体成型的沿圆周方向均布的若干个复合扇形模块组成。
所述的复合扇形模块包含若干个扇形单元，扇形单元包括若干个轴线沿柔性导向机构的径向方向布置的簧片。其中，每个复合扇形模块的簧片包括与外圈相连的外圈簧片、与内圈相连的内圈簧片、不与内圈或外圈直接固定的连接簧片。
所述的复合扇形模块之间设有端面连接片，相邻复合扇形模块并联于同一块端面连接片；所述的扇形单元之间设有弧形连接片，所述的扇形单元通过簧片和端面连接片、弧形连接片串联构成复合扇形模块。通过扇形单元之间的串联可以提高柔性导向机构的运动范围；整个柔性导向机构由若干个复合扇形模块并联而成，因此导向机构的具有较大的支撑刚度。
优选地，所述的片簧有8个复合扇形模块；复合扇形模块由3个扇形单元串联而成，包括6个簧片。其中3个扇形单元分别为：内圈簧片与弧形连接片构成的一个扇形单元；外圈簧片与所述的外圈构成的一个扇形单元；连接簧片与弧形连接片构成的一个扇形单元。
所述的柔性导向机构采用具有高弹性的铍青铜或钛合金的圆形金属片；通过线切割或激光切割工艺，在圆形金属片上沿圆周方向均布切割出若干个复合扇形模块加工而成。
所述的柔性导向机构的刚度与音圈电机的动子质量相匹配，当输入指令信号的频率与直线电机的固有频率一致时，电机的振动效率提高。
设定直线电机往复振荡的工作频率为f0，柔性导向机构的刚度与音圈电机的动子质量要进行匹配设计，使得电机的谐振频率
Figure 670247DEST_PATH_IMAGE001
与设定的工作频率f0相等，其中k为柔性导向机构的刚度，m为电机的动子质量。此时电机处于谐振状态，往复振荡的工作效率提高，系统的能耗降低。
所述的外轭两端设有端盖，所述的柔性导向机构的外圈固定在端盖和外轭之间。
所述线架主体为空心圆环，中心设有输出轴，所述的输出轴穿过柔性导向机构的内圈中心孔，所述的空心圆环面上开有切割面和凹槽用于安装线圈和走线。
所述的永磁体包括两块充磁方向相反的圆柱形磁钢，轴向充磁，所述的导磁块为导磁铁芯，所述的永磁体与导磁铁芯构成永磁-软磁复合阵列，使得磁力线均匀地聚集于气隙的特定区域。
通过增加导磁块可有效调制气隙磁密，形成期望的磁力线环路，提高了永磁体的利用率。
采用精密磁场调制，一方面提高气隙总磁通和电机出力，降低动子线圈的体积，提高动态性能和材料利用率；另一方面，提高电机出力的线性度，降低电机的推力波动。
优选地，音圈电机定子中的永磁体采用钕铁硼材料，外轭、导磁铁芯均为Q235碳钢，永磁体支架采用不导磁的304不锈钢材质。
所述的动子的线圈采用漆包铜线绕制，线架采用不导磁不导电的玻璃纤维材料加工而成，以此降低线圈往复运动的阻尼损耗，提高电机的效率。
本发明设计了基于柔性导向的结构方案，利用柔性导向结构替代传统音圈电机振动系统中的导轨，结构紧凑，同时彻底消除电机动子往复运动过程中的摩擦力，提高电机的运动可靠性；柔性导向机构也提供了电机往复运动的回复力，使电机振荡过程中的零点位置保持恒定；通过对音圈电机的动子质量和导向机构的刚度进行匹配设计，使音圈电机的固有频率与设定的振动工作频率保持接近，电机工作在谐振状态可以进一步提高系统的运行效率，降低音圈电机长时间运行的温升。
本发明基于柔性导向的直线振动音圈电机通过引入柔性导向机构消除了电机往复运动过程中的摩擦，提高了电机运行的可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例直线振动音圈电机的整体结构示意图；
图2是图1所示的柔性导向机构结构示意图；
图3为图2所示柔性导向机构的A-A局部放大图；
图4是本发明实施例直线振动音圈电机电磁拓扑结构示意图；
图5是图1所示的线架结构示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示，基于柔性导向的直线振动音圈电机包括第一端盖1、第一柔性导向机构2、线架3、线圈4、第二柔性导向机构5、第二端盖6、永磁体支架7、上部铁芯8、第一永磁体9、中部铁芯10、第二永磁体11及外轭12。
第一柔性导向机构2由外圈13、片簧14和内圈15组成，第一柔性导向机构2的外圈13固定于外轭12与第一端盖1之间，第一柔性导向机构2的内圈15固定于线架3一端实现径向连接。第二柔性导向机构5固定于外轭12与第二端盖6之间，其组成与连接方式与第一柔性导向机构2相同。
第一柔性导向机构2、第二柔性导向机构5在轴向上对动子进行弹性支撑，线圈4固定在线架3上，线圈4带动线架3在通电时可沿轴向与定子发生相对运动。
如图2、图3所示，第一柔性导向机构2采用具有高弹性的铍青铜圆形金属片通过激光切割工艺，在圆形金属片上沿圆周方向均布切割出8个复合扇形模块16；所述每个复合扇形模块16包含6个簧片，包括2个与外圈13相连的外圈簧片23、2个与内圈15相连的内圈簧片21、2个不与内圈15或外圈13直接固定的连接簧片22，且所有簧片的轴线均沿导向机构的径向方向。
复合扇形模块16之间设有端面连接片24，相邻复合扇形模块16并联于同一块端面连接片24；扇形单元之间设有弧形连接片25，所述的扇形单元通过连接簧片22和端面连接片24、弧形连接片25串联构成复合扇形模块16。
复合扇形模块16由3个扇形单元串联而成，其中3个扇形单元分别为：内圈簧片21与弧形连接片25构成的一个扇形单元；外圈簧片23与外圈13构成的一个扇形单元；连接簧片22与弧形连接片25构成的一个扇形单元。
相邻的复合扇形模块的连接簧片22和外圈簧片23并联于同一块端面连接片24。通过3个扇形单元的串联可以提高柔性导向机构的运动范围。第一柔性导向机构2由8个复合扇形模块16并联而成，因此导向机构具有较大的支撑刚度。
第二柔性导向机构5的结构组成与第一柔性导向机构2相同。
柔性导向机构在运动方向的刚度低，变形容易；而在支撑方向（非运动方向）的刚度高，不易变形。因此利用柔性导向机构的特性，音圈电机仅能产生期望的轴向运动，无法产生其他的方向的寄生运动。
第一柔性导向机构2、第二柔性导向机构5的刚度与音圈电机的动子质量要进行匹配设计，使系统的工作频率与电机的谐振频率一致。
设定直线电机往复振荡的工作频率为f0，柔性导向机构的刚度与音圈电机的动子质量要进行匹配设计，使得电机的谐振频率
Figure 65457DEST_PATH_IMAGE002
与期望的工作频率f0相等，其中k为柔性导向机构的刚度，m为电机的动子质量。此时电机处于谐振状态，往复振荡的工作效率高，系统能耗低。
如图1、图4所示，上部铁芯8、第一永磁体9、中部铁芯10和第二永磁体11依次组装于永磁体支架7处，形成永磁-软磁复合阵列，通过上部铁芯8、中部铁芯10及外轭12组合的导磁铁芯结构，可有效调制气隙磁密，形成期望的磁力线环路，提高了永磁体的利用率。
本实施例电机内的磁力线环路示意如图3所示，第一永磁体9和第二永磁体11为两块充磁方向相反的圆柱形磁钢，其与上部铁芯8、中部铁芯10及外轭12配合组装，形成两个循环方向相反的磁力线环路。一方面提高气隙总磁通和电机出力，降低动子线圈的体积，提高动态性能和材料利用率；另一方面，提高电机出力的线性度，降低电机的推力波动。
如图5，线架3主体为空心圆环31，中心设有输出轴32，所述的输出轴32与空心圆环结构32之间设有第一凸台33，第一柔性导向机构2的内圈15通过螺栓连接固定在第一凸台33上，输出轴32一端从第一柔性导向机构2的中心孔穿出。输出轴32另一端设有第二凸台36，第二柔性导向机构5的内圈通过螺栓连接固定在第二凸台36上。靠近第二凸台36的空心圆环31的环面上开有切割面35，用于安装线圈4；靠近第一凸台33的空心圆环31的环面及第一凸台33上开有凹槽34，用于走线。
在基于柔性导向的直线振动音圈电机的线圈4上通入设定的工作频率f0的指令信号，线圈4受到电磁力带动线架3在电机内部产生轴向相对运动；使固定在定子和动子之间的第一柔性导向机构2、第二柔性导向机构5发生形变，产生弹性拉力，定子在电磁力和弹性拉力的共同作用下，往复振荡，输出机械往复运动。

Claims (7)

1.一种基于柔性导向的直线振动音圈电机，包括定子、动子，所述的定子包括外轭、永磁体、导磁块，所述的动子包括线架和线圈，其特征在于：所述的线架两端分别设有柔性导向机构，所述的柔性导向机构包括外圈、片簧和内圈，所述的外圈与外轭固定，所述的内圈与线架固定，实现径向连接，并在轴向对线架进行弹性支撑；
所述的片簧由与内圈、外圈一体成型的沿圆周方向均布的若干个复合扇形模块组成；
所述的复合扇形模块包含若干个扇形单元，扇形单元包括若干个轴线沿柔性导向机构的径向方向布置的簧片；
所述的复合扇形模块之间设有端面连接片，相邻复合扇形模块并联于同一块端面连接片；所述的扇形单元之间设有弧形连接片，所述的扇形单元通过簧片和端面连接片、弧形连接片串联构成复合扇形模块。
2.根据权利要求1所述的基于柔性导向的直线振动音圈电机，其特征在于：所述的片簧有8个复合扇形模块；复合扇形模块由3个扇形单元串联而成，包含6个簧片。
3.根据权利要求1所述的基于柔性导向的直线振动音圈电机，其特征在于：所述的柔性导向机构采用具有弹性的铍青铜或钛合金通过线切割或激光切割工艺加工而成。
4.根据权利要求1所述的基于柔性导向的直线振动音圈电机，其特征在于：所述的柔性导向机构的刚度与音圈电机的动子质量相匹配，使系统的工作频率与电机的谐振频率一致。
5.根据权利要求1所述的基于柔性导向的直线振动音圈电机，其特征在于：所述的外轭两端设有端盖，所述的柔性导向机构的外圈固定在端盖和外轭之间。
6.根据权利要求1所述的基于柔性导向的直线振动音圈电机，其特征在于：所述线架的主体为空心圆环，中心设有输出轴，所述的输出轴穿过柔性导向机构的内圈中心孔，所述的空心圆环的环面上开有切割面和凹槽用于安装线圈和走线。
7.根据权利要求1所述的基于柔性导向的直线振动音圈电机，其特征在于：所述的永磁体包括两块充磁方向相反的圆柱形磁钢，轴向充磁，所述的导磁块为导磁铁芯，所述的永磁体与导磁铁芯构成永磁-软磁复合阵列。
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