CN113557752A - 具有改善线性度的扬声器电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电动扬声器的电机，包括绕电机轴线布置的磁路组件。磁路组件包括：外磁体、导磁顶板、导磁底板、中心极片和用于接收音圈的气隙。气隙由面向中心极片的轴向延伸的周壁部分的导磁顶板的轴向延伸的内壁形成，以限定气隙的宽度、底部、顶部和高度。磁路组件还包括向外突出的导磁构件，该导磁构件布置在气隙的顶部上方。中心极片包括磁性构件，该磁性构件至少从气隙的底部轴向延伸到导磁底部构件或导磁底板。磁性构件表现出小于10的相对交流磁导率，例如小于5或小于2，例如约1，其对应于自由空气的相对交流磁导率。

Description

具有改善线性度的扬声器电机

技术领域

本发明在一个方面涉及一种用于电动扬声器的电机，在另一个方面涉及一种包括该电机的电动扬声器。本发明在第一方面涉及一种用于电动扬声器的电机，该电机包括绕电机轴线布置的磁路组件。磁路组件包括：外磁体、导磁顶板、导磁底板、中心极片和用于接收音圈的气隙。磁路组件还包括向外突出的导磁构件，布置在气隙的顶部上方。中心极片包括磁性构件，该磁性构件至少从气隙的底部轴向延伸到导磁底部构件或导磁底板。磁性构件表现出小于10的相对交流磁导率，例如小于5或小于2，例如约1，其对应于自由空气的相对交流磁导率。

背景技术

电动扬声器具有将电能转换成机械运动的电机。最常见的工作原理是动圈，其中电输入或驱动电流在电动扬声器的音圈中流动。音圈悬浮在具有强径向分量的永久磁场中。通过音圈的驱动电流和径向磁场沿着音圈的轴产生所谓的洛伦兹力。音圈通常刚性地附接到电动扬声器的振动膜或隔膜上。因此，洛伦兹力以基于向外和向内的运动来移动振动膜，以产生声压。

振动膜上的洛伦兹力或驱动力是驱动电流I、气隙中的磁通密度B和径向磁场内的导线长度l的乘积。更准确地说，它是I乘以B的径向分量在音圈导线长度上的积分。

这个积分常被指定为电机的BL乘积或力因子。因此，电机在电域和机械域之间双向传递(转换)能量。因此，电机也起到发电机的作用，使机械运动产生电能。磁场在音圈中感应电压(EMF)，该电压与音圈和振动膜组件的速度成比例。比例因子又是力因子。实际上电动扬声器的电机具有几种明显的非线性机制，在所产生的声压中产生不希望的线性和非线性失真。

一种非线性失真机制是由BL乘积的位置/位移相关的变化引起的，使得B*L乘积随音圈在磁隙中的位置而变化。力因子从通常在音圈中驱动电流为零时音圈的静止位置处的最大值逐渐下降。该第一非线性失真机制是静态的，即仅取决于音圈的位置。

另一种动态非线性失真机制也存在。音圈中的驱动电流响应电流的流动而产生自己的磁场。音圈产生的磁场的一部分通过磁路循环，即，音圈表现为以磁路为核心的有芯电感器。由音圈电流产生的磁通量叠加在磁隙中的永磁磁通量上，使得磁隙中的磁通量以不希望的方式随线圈电流变化。

音圈和图上的力不再严格地与音圈电流(即，驱动电流)成比例，因为力因子本身已经变成取决于音圈电流。这种效应取决于音圈的位置，但非线性是由于两个磁场的叠加而存在的，而不是由于音圈的可移动性。根据问题的描述，力因子调制也称为位置相关电感、磁通量调制和磁阻力。在2016年9月29日至10月3日第141届对流大会上发表的AES论文《电动扬声器中的力因子调制》中对此进行了详细描述。

力因子调制引起以与音圈电流平方成比例的力分量形式的二阶非线性失真：

其中，L是AES论文中定义的线圈的位置相关广义电感，x是线圈位置，i是线圈电流。

换句话说，二阶非线性失真与音圈电流的平方和线圈电感的空间导数成比例。可变音圈电感还以另一种方式产生失真。音圈电感是音圈电阻抗的一部分，使得当其由电压源驱动时(在绝大多数情况下是这样)，音圈电流以位置依赖的方式依赖于所施加的驱动电压。在上述2016年AES论文中显示，力的非线性分量方程可以推广到包括音圈电感的频率依赖性。如前所述，磁路作为音圈的芯，这意味着当磁路的部分的磁导率与频率相关时，音圈电感变得与频率相关。

与频率相关的磁导率的原因是由于电流变化或线圈移动，当音圈磁通量变化时，涡流会流入磁路或系统的所有导电部件或构件，例如铁部件。涡流将以抵消磁通量变化(楞次定律)的方式流动-或者换句话说，涡流充当短路线圈匝，从而降低了音圈的电感。

由于涡流流动的材料的导电性是有限的，当线圈磁通量保持静止一段时间时，电流就会减弱，即在直流或0赫兹和非常低的频率下，没有涡流来抵消电感。因此，直流音圈电感完全由磁路材料的几何形状和磁导率确定。在更高的频率下，涡流变得更明显，从而使电感降低到低于直流时的水平。

某些现有技术的电动扬声器已经包括围绕极片和音圈的所谓短路环。这些环由导电但非磁性材料制成，例如铜或铝。目的是至少在较高频率下降低音圈电感。得益于铜或铝的电阻率比铁低，大多数涡流在短路环中流动，而不是在铁中流动。出于同样的原因，涡流也更大，因此更强烈地抵消音圈试图在磁路中感应或产生的磁场变化。这至少在较高的频率下降低了力因子调制。进一步的附带好处包括降低电感，这意味着对施加在音圈上的给定电压具有更高的灵敏度，以及降低由铁中磁滞引起的非线性电感。这并不意味着短路环，不管怎么放置，都将无条件地改善线性度。由于力因子调制等价于广义音圈电感的位置依赖性，因此，在升高的频率下，很有可能降低电感，同时提高该电感的空间梯度(每毫米运动的绝对变化)。在低频率下，现有技术的短路环没有效果。期望效果的频率越低，短接环的截面必须在较低的频率上越大，该截面对于实际扬声器的磁路内可用的空间量来说变得太大。

本发明人已经认识到，如果电动扬声器的电机和磁路被设计或配置为使得音圈电感与位移/位置无关，那么由于力因子调制引起的非线性失真和由于音圈电流调制引起的非线性失真都被消除。因此，理想的用于电动扬声器的电机具有不随音圈位移而变化的音圈电感，即，与位置无关。

因此，本发明的一个目标或目的是提供一种电动扬声器电机，与现有技术扬声器电机相比，该电动扬声器电机基本上消除了音圈电感的有害位移依赖性，或者至少显著降低了音圈电感的位移/位置依赖性。由于上述原因，这种减小将改善电机的线性度，并由此减小电动扬声器的几种类型的非线性失真。从而提高了扬声器的客观和主观音质。

发明内容

本发明的第一方面涉及一种用于电动扬声器的电机，包括：

绕电机轴线布置的磁路组件。磁路组件可以包括：外磁体、导磁顶板、导磁底板、中心极片和用于接收音圈的气隙。气隙由面向中心极片的轴向延伸的周壁部分的导磁顶板的轴向延伸的内壁形成，以限定气隙的宽度、底部、顶部和高度。磁路组件还包括向外突出的导磁构件，该导磁构件布置在气隙的顶部上方。中心极片包括磁性构件，该磁性构件至少从气隙的底部轴向延伸到导磁底部构件或导磁底板。磁性构件表现出小于10的相对交流磁导率，例如小于5或小于2，例如约1，其对应于自由空气的相对交流磁导率。

在本说明书中，磁性构件的术语“交流磁导率”是指在零音圈电流下，磁通密度B与磁场强度H的曲线/图的切线的斜率。术语“相对交流磁导率”μ_r是指表示为磁真空磁导率μ₀的倍数的“交流磁导率”。切线可以看作是围绕磁性构件的直流工作点的线性化小信号或交流模型。切线的斜率是磁性构件的小信号模型的磁导率，即，磁性构件的“交流磁导率”。在较大的磁场强度下，例如在1.5特斯拉以上，该B-H曲线变得更平坦，这意味着交流磁导率随着磁性构件的材料饱和而减小。永磁体本质上是高度磁饱和的，因此通常具有不比空气大多少的交流磁导率。钕磁体可以表现出低于1.5或低于1.1的相对交流磁导率。

因此，磁性构件的小交流磁导率与向外突出的导磁构件结合，通过显著减小音圈向内位移时音圈电感的增加，以及通过将向外突出的导磁构件布置在气隙顶部上方，另外补偿小剩余音圈电感的增加，提供了协同效应。该几何形状确保音圈电感在音圈向外位移时也以与音圈向内位移时电感增加几乎相同的比例增加，因此使得音圈电感的位移相关变化非常小，如下文参考附图进一步详细讨论的那样。

如上所述，中心极片的磁性构件可以包括永磁体，例如钕磁体或铁氧体磁体，其本质上是高度磁饱和的。可替代地，中心极片的磁性构件可以包括导磁材料，例如各向同性、高阻软磁复合(SMC)材料，该材料被永磁体和磁场线圈中的至少一个驱动进入直流磁饱和。

向外突出的导磁构件通常可以布置在由中心极片的轴向延伸的周壁部分所限定的向外突出的平面或表面的内部或外部，如下文参考附图(例如结合图2和图4的电机实施例)进一步详细讨论的那样。

在电机的一个实施例中，中心极片包括从气隙底部轴向延伸到气隙顶部的导磁顶部构件，从而形成或限定中心极片的轴向延伸的周壁部分。向外突出的导磁构件可以布置在导磁顶部构件的顶部上，并与其一体形成，或者作为单独的元件设置，结合或邻接于导磁顶部构件的顶表面，如下面参考附图进一步详细讨论的那样。导磁顶部构件和/或向外突出的导磁构件可由高导磁材料形成或包括高导磁材料，例如，铁磁性材料，例如AISI CR1010钢或各向同性、高阻软磁复合(SMC)材料，下面将参考附图进一步详细讨论。

根据电机的一个实施例，外磁体包括围绕以电机轴线为中心的圆柱形中心极片共轴布置的环形永磁体。

根据电机的另一实施例，向外突出的导磁构件的高度超过导磁顶板的高度，例如1.5倍于导磁顶板的高度。

根据电机的另一实施例，中心极片的磁性构件的高度大于音圈的高度和气隙的高度之间的差。

本发明的附加实施例在所附的从属专利权利要求中列出。

本发明的第二方面涉及一种电动扬声器，包括：

-框架，

-根据上述电机的任何实施例和/或下面结合附图描述的电机的任何实施例的电机。电动扬声器还包括可移动的振动膜或薄膜，该振动膜或薄膜附接在音圈上，其中，音圈布置在电机的气隙中，例如自由悬挂在气隙中。

电动扬声器的磁路组件优选地被配置为使得在31Hz处测量的在由向外位移极限和向内位移极限限定的音圈的预定位移范围内音圈的电感的变化小于10％，例如小于7.5％，或甚至小于5％；其中，位移范围对应于音圈高度与气隙高度之差的0.5倍。本领域技术人员将认识到，向外位移极限和向内位移极限可以是关于音圈的静止或中性位置对称的。电动扬声器的磁路组件优选地被配置为使得音圈的电感在预定位移范围内的变化在选自以下一组的一个或多个附加测试频率下也落在相同的百分比限制内：1Hz、100Hz、316Hz、1kHz和3.16kHz。

附图说明

下面结合附图进一步详细描述本发明的优选实施例，其中：

图1是现有技术电动扬声器的电机的示意性横截面图，

图2是根据本发明第一实施例的用于电动扬声器的电机的示意性轴向横截面图，

图3是根据本发明第二实施例的用于电动扬声器的电机的示意性轴向横截面图，

图4是根据本发明第三实施例的用于电动扬声器的电机的示意性轴向横截面图，

图5是根据本发明第四实施例的用于电动扬声器的电机的示意性轴向横截面图，

图6是根据本发明第五实施例的用于电动扬声器的电机的示意性轴向横截面图，

图7是根据本发明第六实施例的用于电动扬声器的电机的示意性轴向横截面图，

图8是根据本发明第七实施例的用于电动扬声器的电机的示意性轴向横截面图，

图9示出了结合了根据电机的上述实施例中的任何一个的电机的示例性电动扬声器的示意性轴向横截面图，

图10示出了通过有限元分析模拟的根据本发明的示例性电机设计或结构在1Hz处的音圈电感相对于向内位移和向外位移的曲线图，

图11示出了通过有限元分析模拟的根据本发明的示例性电机设计或结构在不同频率下的音圈电感相对于向内位移和向外位移的曲线图，

图12示出了通过有限元分析模拟的根据本发明的示例性电机设计或结构的B*L乘积相对于向内位移和向外位移的曲线图；以及

图13示出了通过有限元分析模拟的根据本发明的示例性实施例的电机设计或结构的磁路组件的气隙处的磁场线的曲线图。

具体实施方式

下面，参照附图描述用于电动扬声器的本发明电机的各种示例性实施例。本领域技术人员将理解，附图是示意性的，并且为了清晰而简化，因此仅示出了对理解本发明必不可少的细节，而省略了其他细节。在整个申请中，相似的附图标记指代相似的元件或部件。因此，相似的元件或部件不必针对每个图进行详细描述。还将理解，某些动作和/或步骤可以以特定的发生顺序来描述或描绘，而本领域技术人员将理解，实际上并不需要相对于所描述的顺序的这种特定性。

图1是现有技术电动扬声器的电机100的示意性横截面图。音圈电感与音圈的绕组的数量平方成正比，与磁路的磁阻成反比。绕组的数量是固定的，其中，磁路的磁阻可能随着音圈的位移而改变，并且因此，由于靠近音圈的比空气具有更高磁导率的材料数量的变化，附接到音圈位置的振动膜也会发生位移。另一种描述方式是：有效磁导率由音圈的位移调制。音圈围绕中心铁极片。当音圈朝向底板向内移动，即，从附图上所示的静止位置0从负X位置(-X)移动时，由于音圈内部的铁材料量增加，音圈电感高。音圈的这个位置增加了有效磁导率。相反，当音圈在电机的振动膜方向上向外移动时，即，如附图中所示的从静止位置0向外移动的正X(+X)位置时，音圈电感低，因为音圈在表现出低磁导率的自由空气中移动。

图2A示出了根据本发明第一实施例的用于电动扬声器(未示出)的电机200的示意性轴向横截面图。电动扬声器的尺寸可以是所谓的6.5英寸尺寸，振动膜直径约为120mm。本电机200及其磁路组件以及下面讨论的其他电机实施例被配置或设计为使得与现有技术扬声器电机相比，音圈的电感的位移相关变化被最小化或减小。因此，由于以上在本发明的背景部分中详细讨论的原因，由于力因子调制引起的非线性失真和由于音圈电流调制引起的非线性失真都被最小化。

电机200可以绕电机200的中心电机轴线205旋转对称。电机200包括磁路组件，该磁路组件被配置为在环形气隙220中产生径向定向的基本上静态的磁场。磁路组件包括外部环形永磁体240、例如形成为环形盘的导磁顶板235、导磁底板或磁轭230和中心极片245。气隙220被配置为接收环状或环形音圈225，其可形成电动扬声器的振动膜组件的一部分。环状或环形音圈225自由地悬挂在环形气隙220中，因此可沿中心电机轴线205向外远离磁路组件并绕音圈的静止位置0向内移动到磁路组件中。静止位置对应于环形音圈225中的直流零电流，并且优选地对应于环形音圈225在气隙220中的中心位置。环形音圈225的静止位置在附图中的“X”箭头上示意性地用“0”表示，而音圈225远离磁路组件的向外位移对应于X的正/+方向，而音圈225进入磁路组件的向内位移对应于X的负/-方向。

导磁顶板235可以由高导磁材料形成，例如，铁磁性材料(例如CR1010钢)，并且具有环形音圈225高度的六分之一至三分之二之间的高度。导磁底板或磁轭230可以由高导磁材料形成，例如，铁磁性材料(例如AISI CR1010钢)，并且根据电机200的外部尺寸，其具有4mm至16mm之间的高度或厚度。

中心极片或中心极组件包括从气隙220的底部220b延伸到导磁底部构件245的磁性构件250，导磁底部构件245可以形成为与导磁底板或磁轭230一体形成的向上突出的圆柱形突起245。导磁底部构件245物理地和磁性地耦合到磁性构件250的下表面。因此，电机200的本实施例中的磁性构件250布置在导磁极顶210(其可以是平盘)和导磁底部构件245之间。在磁路组件的其他实施例中，磁性构件250可以从气隙220的底部220b一直轴向地延伸到导磁底板或磁轭230。磁性构件250的高度优选至少是环形永磁体240高度的0.5倍，例如，超过环形永磁体240高度的0.7倍或0.9倍。可替代地或附加地，磁性构件250的高度大于音圈的高度和气隙220的高度之间的差。这些限制中的每一个通常将确保磁性构件250的高度足够大，以显著降低音圈在向内位移时的电感，这是因为音圈内的导磁材料的量减少。

导磁极顶210从气隙220的底部220b(见图2B))轴向延伸到气隙220的顶部220a，以限定中心极片245的轴向延伸的周壁部分236，该周壁部分形成气隙220的内壁(例如，圆形或椭圆形)或表面。气隙220的相对壁由导磁顶板235的轴向延伸的内壁(例如，圆形或椭圆形)242形成，其中，轴向延伸的壁242面对中心极片245的轴向延伸的周壁部分，以限定气隙220的宽度、底部220b、顶部220a和高度。本领域技术人员将理解，气隙220的高度和/或宽度可以根据电机200和音圈225的总体尺寸来缩放。导磁极顶210可以由高导磁材料形成，例如铁磁性材料，例如AISI CR1010钢。

导磁极顶210包括布置在气隙220的顶部220a上方，即，外部的向外突出部分或突起215或“帽”215。因此，在本实施例中，向外突出部分或突起215也布置在导磁顶部构件235的上平坦表面237的上方。向外突出的“帽”215布置在由中心极片245的轴向延伸的周壁部分217限定的向外突出的平面或表面(未示出)的内部，即，朝向中心电机轴线205。因此，允许音圈225不受限制的轴向位移。

因此，导磁极顶210可以包括限定气隙220的上述内壁(轴向延伸的周壁部分)236的第一圆柱形部分或段212。中心极片245的导磁极顶210还包括上述向外突出的突起215，在本实施例中，该突起215由导磁极顶210的第二圆柱形部分形成，布置在第一圆柱形部分212的顶部上，并且与其一体形成，或者作为与第一圆柱形部分212的顶表面结合或邻接的单独元件设置。本领域技术人员将理解，向外突出的突起215不必是圆柱形的。导磁极顶210的第一圆柱形部分212和第二圆柱形部分215可以分别一体形成--例如通过铣削或机加工适当成形的圆柱形铁氧体构件或其他高磁透性材料，例如AISI CR1010钢或各向同性、高阻软磁复合(SMC)材料，例如由

AB制造和销售的

材料，例如Somaloy1P、Somaloy3P或Somaloy5P。第二圆柱形部分215的横截面面积可以小于第一圆柱形部分或段212的横截面面积，以限定相对于导磁极顶210的内壁236的凹陷的上外圆形壁215A，该凹陷的上外圆形壁215A限定磁隙220的内表面或内壁236。换言之，向外突出的突起215在电机200的轴向方向205上向磁隙220上方向外延伸。

在某些替代实施例中，第一圆柱形部分212和第二圆柱形部分215分别可以具有相同的直径，以消除上外圆形壁215A的凹陷特性。

磁性构件250可以表现出小于10的相对交流磁导率，例如小于5或小于2。在某些实施例中，磁性构件250包括永磁体或由永磁体形成，例如钕磁体或铁氧体磁体。在电机200的其他实施例中，如下面进一步详细讨论的，磁性构件250包括导磁材料，例如各向同性、高阻软磁复合(SMC)材料，该材料被永磁体和磁场线圈中的至少一个驱动进入直流磁饱和。SMC材料可以包括上面讨论的

材料。

外部环形永磁体240和磁性构件250中的每一个被轴向磁化，如磁力线示意性地所示，磁力线用于驱动磁通量通过磁路组件并穿过气隙，气隙因此携带径向取向的磁场。外部环形永磁体240可包括铁氧体磁体或钕磁体。

导磁的向外突出的突起或帽215的布置增加了音圈225在向外位移时的电感，即音圈225的正“X”值，使得电感的增加有效地抵消或补偿了音圈225在其向内位移时增加的电感。

导磁帽215的减小的横截面积引导该磁路组件的DC磁通量，即静态DC磁通量在气隙220中流动。该特征确保DC磁通量集中在气隙220中，并且确保导磁帽215中的磁场强度低。该特征又确保导磁帽215不受磁饱和影响，从而导致高磁导率和更有效地补偿音圈225的位移相关电感L(x)。

相反，布置在气隙220的底部220b下面的磁性构件250，例如具有与气隙220的底部220b基本对齐的上端表面，优选地表现出或具有如上所述的小的相对交流磁导率，以减少音圈电感的位移依赖性。如下所述，小的交流相对磁导率可以通过几种方式来实现，例如借助于高直流或静态磁饱和，例如借助于使用永磁体或使用软磁性材料，例如由永磁体或磁场线圈驱动进入直流饱和的铁磁性材料。在这两种情况下，交流相对磁导率可能非常小，例如，低于10或低于5。

上述在音圈225向内位移处的音圈电感的增加一方面是由于从音圈225到包括向上突出的圆柱形凸起245的导磁底板或磁轭230的距离减小而引起的。在现有技术的电机设计中，在音圈225的向内位移处增加音圈电感的另一个显著贡献是中心极片的铁磁性材料的高磁导率。

本领域技术人员将理解，磁性构件250和导磁帽215的组合特性在很大程度上消除或至少显著地减小在本电机200的音圈225的向内位移处音圈电感的这种不期望的增加。磁性构件250的小的交流相对磁导率(其在一些实施例中可与自由空气相当，即μ_r＝1.0)至少减少了音圈225内部在向内位移处的导磁材料的存在。当音圈225完全向内拉时，音圈电感仍然处于其最大值，因为与自由空气相比，磁导顶部部件210和磁轭235仍然有助于缩短磁力线。然而，关键是，与靠近线圈的磁导中心极片的设计相比，音圈电感显著降低。

因此，磁性构件250和导磁帽215通过首先通过磁性构件250显著减小在音圈225向内位移处的音圈电感，并且另外通过将导磁帽215布置在气隙220的顶部上方来补偿在向内位移处的微小剩余音圈电感增加，从而在音圈225向外位移处音圈电感也增加，从而提供了协同效应。换句话说，得益于其低交流磁导率，将导磁帽215与中心极片245中的磁性构件250结合在一起，使其能够精确地达到此目的。

图3示出了根据本发明第二实施例的用于电动扬声器(未示出)的电机300的示意性轴向横截面图。向外突出的导磁构件315由布置在中心极片345的导磁极顶310的顶面和导磁帽315之间的非磁性间隔物343支撑。即使导磁帽315不直接物理地或磁性地耦合到中心极片，其高磁导率仍然补偿音圈325由于上述原因在向外位移或位置处的位移相关电感。

图4示出了根据本发明第三实施例的用于电动扬声器(未示出)的电机400的示意性轴向横截面图。磁路组件的导磁顶板435包括环形导磁盘状突起415。环形导磁盘415可以与导磁顶板435一体形成。环形导磁盘415的内圆形周壁415a布置在由导磁极顶410的内轴向延伸壁436限定的向外突出平面的外部。即使环形导磁帽415完全布置在由内轴向延伸壁436限定的向外突出平面的外部并且因此布置在音圈425的外部，由于上述原因，其接近度和高磁导率仍然补偿音圈425在向外位移或位置处的位移相关电感。

图5示出了根据本发明第四实施例的用于电动扬声器(未示出)的电机500的示意性轴向横截面图。电机500基本上与前面讨论的根据第一实施例的电机200相同，但另外包括第一导电环547，该第一导电环547布置在气隙520的底部下方并围绕中心极片。中心磁极包括磁性构件500和导磁极顶510和导磁底部构件545。电机500还可以包括第二导电环546，第二导电环546位于导磁极顶510的向外定向的表面上并围绕向外突出的导磁帽515。因此，第二导电环546布置在气隙520的顶部上方和由中心极片的轴向延伸的周壁部分517限定的向外突出的平面或表面的内部。第一导电环547和第二导电环546中的每一个用作所谓的短路环，并且优选地由导电但非导磁材料制成，例如铜或铝。由于上述原因，短路环547、546的优点是通过减少在磁路组件中流动的涡流来减少在较高频率(例如，10Hz以上)下音圈阻抗的增加。

图6示出了根据本发明第五实施例的用于电动扬声器(未示出)的电机600的示意性轴向横截面图。电机600的中心极片包括磁性构件650，磁性构件650从气隙620的顶部一直轴向地延伸到导磁底板或磁轭630。本磁路的中心极片645没有前面讨论的导磁极顶210、310、410、510。因此，在本电机实施例600中，磁性构件650的轴向延伸的周壁部分636形成中心极片的内部(例如，圆形或椭圆形)轴向延伸的周壁部分636。气隙620的相对壁由导磁顶板635的内部(例如，圆形或椭圆形)轴向延伸壁部分642形成，使得这两个轴向延伸壁部分共同限定气隙620的尺寸。磁性构件650优选地由前面讨论的直流磁饱和各向同性、高阻软磁复合(SMC)材料形成。外部环形磁体635通过产生适当的磁通量来驱动磁性构件650进入直流磁饱和，使得构件650的相对交流磁导率优选地小于5或小于2。电机600包括向外突出的导磁构件615，其由磁性构件650的上表面支撑并优选地结合到该上表面并布置在磁隙620的顶部上方。在本电机实施例600的一个变型中，磁性构件650包括轴向延伸的，即沿轴线605的贯穿开口或孔(未示出)，其用于将磁性构件650的有效横截面积减小例如超过30％或50％。磁性构件650的该轴向延伸的贯穿开口或孔可用于促进磁性构件650的材料(例如，先前讨论的SMC材料)的直流磁饱和。

图7示出了根据本发明第六实施例的用于电动扬声器(未示出)的电机700的示意性轴向横截面图。电机700的中心极片745包括围绕中心电机轴线705布置的环形圆柱形磁性构件750。环形圆柱形磁性构件750由导磁材料制成，优选由上面讨论的各向同性高阻软磁复合(SMC)材料制成。中心极片另外包括盘状永磁体750a，例如钕磁体，其从气隙720的底部向下延伸到环形圆柱形磁性构件750的顶表面。盘状永磁体750a被配置为驱动环形圆柱形磁性构件750进入直流磁饱和。环形圆柱形磁性构件750的直流磁饱和提供环形圆柱形磁性构件750的小的相对交流磁导率，例如小于5或小于2。环形圆柱形磁性构件750的轴向定向的通孔751减小了磁性构件750的有效横截面积，并因此有助于在磁性构件750中引起适当的直流磁饱和。

本磁路的中心极片另外包括导磁极顶710，其径向传导和引导磁通通过气隙725。导磁极顶710优选地与以与上述本发明第一实施例类似的方式布置在气隙720的顶部上方，即，外部的向外突出和凹陷的部分或突起715或“帽”一体形成。

图8示出了根据本发明第七实施例的用于电动扬声器(未示出)的电机800的示意性轴向横截面图。电机800的中心极片包括围绕中心电机轴线805布置的环形圆柱形磁性构件850。环形圆柱形磁性构件850由导磁材料制成，优选由上面讨论的各向同性高阻软磁复合(SMC)材料制成。环形圆柱形磁性构件850的上顶表面布置在气隙820的底部并轴向向下延伸到中心极片的底部构件845。中心极片的底部构件845可以与导磁底板或磁轭830一体形成。中心极片具有轴向定向的贯通孔或孔851，其延伸穿过底板或磁轭830、环形圆柱形磁性构件850并穿过导磁极顶810。电机800另外包括环状或环形磁场线圈850b，其至少在电机800的操作期间承载适当的直流电流，以通过磁路组件产生直流或静态磁场。由环形磁场线圈850b产生的磁场和磁通量被配置为驱动环形圆柱形磁性构件850进入直流磁饱和。因此，环形磁场线圈850b与前面讨论的本电机的第六实施例的盘状永磁体750a具有基本相同的目的。环形圆柱形磁性构件850的直流磁饱和提供环形圆柱形磁性构件850的小的相对交流磁导率，例如小于5或小于2。环形圆柱形磁性构件850的轴向定向的通孔851减小了其有效横截面积，并因此有助于在磁性构件850中引起适当的直流磁饱和。

图9示出了结合了根据电机200、300、400、500、600、700和800的上述实施例中的任何一个的电机的示例性电动扬声器979的示意性轴向横截面图。电动扬声器979或驱动器通常包括安装到电机900的框架971和振动膜975。振动膜975通过柔性环绕件976附接或连接到框架971，柔性环绕件976可以包括外边缘984，外边缘984被粘接或以其他方式固定附接到框架971的周边向上定向的圆形表面。这使得振动膜975根据音圈925的振动而振动。音圈925可以由空心的圆柱形成形器974支撑，成形器974也附接到星形件973上。星形件973是柔性的波纹支撑件，其将音圈925保持在电机900的气隙920的中心，同时允许音圈925在向上和向下方向上自由移动。星形件973可以通过不同的方式(例如粘合剂)连接到成形器974的外表面和位于框架971的内部部分上的星形件平台983。在本文描述的实施例中，框架971具有大致圆形的形状。然而，在其他实施例中，框架971和扬声器979的其他元件可以是不同的形式，例如矩形或椭圆形轮廓或形式。成形器974可以通过粘合剂或其它粘接机构固定地附接到振动膜975的内圆表面区域。振动膜975可以由任何具有足够刚性和重量的合适材料制成，例如织物、塑料、纸或轻质金属。框架971可以由任何合适的材料制成，例如金属或非金属材料。

图10示出了根据本发明第一实施例的电机设计200的有限元分析建模模拟的在1Hz处的音圈电感相对于向内位移和向外位移的曲线图。x轴以毫米为单位表示声音相对于其静止或中性位置的位移。y轴表示音圈在1Hz以mH为单位的电感。本电机结构包括音圈225，其直径为39毫米，高度为23.7毫米，绕组或匝为220。气隙220的高度为4毫米。

第一曲线图1010表示电机设计200的模拟电感，其包括布置在气隙220的顶部220a上方，即，外部的向外突出部分或突起215或“帽”215。第二曲线图1020表示相同电机设计200的模拟电感，但没有导磁“帽”215。

如第一曲线图1010所示，对于静止位置(x＝0)附近10mm的峰-峰位移范围，音圈225的电感变化仅约为0.06mH/2.45mH＝2.5％。此外，这种性能水平也可在更高的频率下实现，例如31Hz。对于本电机设计，10mm位移范围对应于音圈225的高度与气隙220的高度之间的差的约0.5倍。从没有“帽”的第二曲线图1020中可以明显看出，对于静止位置(X＝0)附近10mm的相同峰-峰位移范围，音圈的电感变化要大得多，约为0.25mH/2.2mH＝11％。

图11示出了通过根据本发明第四实施例的电机设计500的有限元分析建模模拟的示例性电机设计或结构在各种频率下的音圈电感相对于向内位移和向外位移的一系列五个单独的曲线图。该电机结构总体上类似于上述结合图10的电机结构，但另外包括第一导电短路环和第二导电短路环：由于上面讨论的原因，后一个环在较高频率(例如高于10Hz或31Hz)下导致音圈电感的有益降低。x轴以毫米为单位表示声音相对于其静止或中性位置的位移。y轴表示音圈在1Hz以mH为单位的电感。

音圈电感的系列图包括在31Hz下模拟的第一曲线图1110、在100Hz下模拟的第二曲线图1120、在316Hz下模拟的第三曲线图1130、在1kHz下模拟的第四曲线图1140和在3.16kHz下模拟的第五曲线图1150。从这些音圈电感图中的每一个可以明显看出，对于所有测试频率，音圈电感的变化非常小。例如，在31Hz处，对于音圈225关于静止位置(x＝0)的10mm的峰-峰位移范围，电感变化约为2％-3％。此外，在诸如316Hz、1kHz和3.16kHz的更高频率下也实现了基本类似的性能水平。

图12示出了通过根据本发明第一实施例的电机设计200的有限元分析建模模拟的B*L乘积相对于向内位移和向外位移的曲线图。x轴以毫米为单位表示声音相对于其静止或中性位置的位移。y轴表示力因子。第一曲线图1210表示电机设计200的模拟B*L乘积，其包括布置在气隙220的顶部220a上方，即，外部的向外突出部分或突起215或“帽”215。第二曲线图1220表示相同电机设计200的模拟B*L乘积，但没有导磁“帽”215。

图13示出了通过有限元分析模拟的根据本发明第一实施例的电机设计或结构200的磁路组件的气隙220处的AC磁场线的曲线图。为了避免涡流的影响，在非常低的频率(例如1μHz)下进行了仿真。该曲线图示出了穿过音圈220的AC场线(即，由音圈225而不是永磁体240产生的AC场线)在相反的方向上这样做两次。这些磁力线对音圈的洛伦兹力因此抵消。这种机制的结果是音圈电感L’(x)的导数非常接近于零。

Claims (15)

1.一种用于电动扬声器的电机，包括：

磁路组件，绕电机轴线布置，所述磁路组件包括：

外磁体、导磁顶板、导磁底板、中心极片和用于接收音圈的气隙；

其中，所述气隙由面向所述中心极片的轴向延伸的周壁部分的所述导磁顶板的轴向延伸的内壁形成，以限定所述气隙的宽度、底部、顶部和高度；

向外突出的导磁构件，布置在所述气隙的所述顶部上方；

所述中心极片包括磁性构件，所述磁性构件至少从所述气隙的所述底部轴向延伸到导磁底部构件或所述导磁底板；其中，

所述磁性构件表现出小于10的相对交流磁导率，例如小于5或小于2。

2.根据权利要求1所述的用于电动扬声器的电机，其中，所述中心极片的所述磁性构件包括永磁体，例如钕磁体或铁氧体磁体。

3.根据权利要求1所述的用于电动扬声器的电机，其中，所述中心极片的所述磁性构件包括导磁材料，例如各向同性、高阻软磁复合(SMC)材料，所述导磁材料被永磁体和磁场线圈中的至少一个驱动进入直流磁饱和。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于电动扬声器的电机，其中，所述中心极片的所述磁性构件向外延伸到所述气隙的所述顶部，以限定所述中心极片的所述轴向延伸的周壁部分。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的用于电动扬声器的电机，其中，所述中心极片包括导磁顶部构件；

所述导磁极顶从所述气隙的所述底部轴向延伸到所述气隙的所述顶部，以限定所述中心极片的所述轴向延伸的周壁部分。

6.根据前述权利要求中任一项所述的用于电动扬声器的电机，其中，所述向外突出的导磁构件布置在由所述中心极片的所述轴向延伸的周壁部分所限定的向外突出的平面或表面内。

7.根据权利要求5和6所述的用于电动扬声器的电机，其中，所述导磁极顶和所述向外突出的导磁构件由单片导磁材料一体形成，例如铁磁性材料，例如CR1010钢。

8.根据权利要求7所述的用于电动扬声器的电机，其中，所述导磁极顶包括圆盘或圆柱形元件，所述圆盘或圆柱形元件限定所述中心极片的所述轴向延伸的周壁部分和所述向外突出的导磁构件。

9.根据权利要求8所述的用于电动扬声器的电机，其中，所述向外突出的导磁构件相对于所述中心极片的所述轴向延伸的周壁部分限定凹陷的外壁。

10.根据权利要求6所述的用于电动扬声器的电机，还包括非磁性间隔件，所述非磁性间隔件布置在所述中心极片的顶部和所述向外突出的导磁构件之间。

11.根据权利要求1至6中任一项所述的用于电动扬声器的电机，其中，所述向外突出的导磁构件布置在由所述导磁顶板的所述轴向延伸的内壁限定的向外突出的平面的外部。

12.根据前述权利要求中任一项所述的用于电动扬声器的电机，其中，所述中心极片的所述磁性构件的高度至少是所述外磁体的高度的0.5倍，例如超过所述外磁体的所述高度的0.7倍或0.9倍。

13.根据前述权利要求中任一项所述的用于电动扬声器的电机，还包括以下至少一项：

-导电环，布置在所述气隙的所述底部下方并围绕所述中心极片；以及

-导电环，围绕所述向外突出的导磁构件，布置在所述气隙的所述顶部的上方和由所述中心极片的所述轴向延伸的周壁部分限定的所述向外突出的平面或表面的内部。

14.一种电动扬声器，包括：

-框架；

-根据前述权利要求中任一项所述的电机；

-附接在所述音圈上的可移动振动膜；所述音圈布置在所述电机的所述气隙中。

15.根据权利要求14所述的电动扬声器，其中，所述磁路组件被配置为使得在31Hz处测量的在由向外位移极限和向内位移极限限定的所述音圈的预定位移范围内所述音圈的电感的变化小于10％，例如小于7.5％，或甚至小于5％；

其中，所述位移范围对应于所述音圈的所述高度与所述气隙的所述高度之差的0.5倍。

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