CN116472723A - 具有内部永磁体的扬声器马达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电动式扬声器的马达以及包括该马达的电动式扬声器。该马达包括围绕马达轴线布置的磁路组件，该磁路组件包括：可导磁顶板；可导磁底板；可导磁构件，布置在可导磁顶板和可导磁底板之间并磁性地联接到可导磁顶板和可导磁底板；中央极片；以及气隙，用于容纳音圈，该马达还包括布置在气隙的顶部上方的向外伸出可导磁构件或帽状部。中央极片包括至少从气隙的底部轴向延伸到可导磁底部构件或可导磁底板的永磁体，该永磁体诸如为钕磁体或铁氧体磁体。

Description

具有内部永磁体的扬声器马达

本发明一方面涉及一种用于电动式扬声器的马达以及包括该马达的电动式扬声器。该马达包括围绕马达轴线布置的磁路组件，该磁路组件包括：可导磁顶板；可导磁底板；可导磁构件，布置在可导磁顶板和可导磁底板之间并磁性地联接到可导磁顶板和可导磁底板；中央极片；以及气隙，用于容纳音圈。该马达还包括布置在气隙的顶部上方的向外伸出可导磁构件或帽状部。中央极片包括至少从气隙的底部轴向延伸到可导磁底部构件或可导磁底板的永磁体，该永磁体诸如为钕磁体或铁氧体磁体。

背景技术

电动式扬声器具有将电能转化为机械运动的马达。最常见的操作原理是使线圈移动，其中，电输入或驱动电流在电动式扬声器的音圈中流动。音圈悬置在具有强径向分量的永磁场中。通过音圈的驱动电流和径向磁场产生沿着音圈的轴线的所谓的洛伦兹力。音圈通常刚性地附接到电动式扬声器的隔膜或膜。因此，洛伦兹力使隔膜基于运动以向外和向内的方式移位，以产生声压。

隔膜上的洛伦兹力或驱动力是驱动电流I、气隙中的通量密度B和径向磁场内部的线缆的长度l的乘积。更准确地说，它是B的径向分量在音圈的线缆的长度上的积分的I倍。

该积分通常被指定为马达的Bl乘积或力因子。在电气领域和机械领域之中，马达相应地沿两个方向转换(转化)能量。因此，马达也起到发电机的作用，使得机械运动产生电能。磁场在音圈中产生的电压(EMF)与音圈和隔膜组件的速度成比例。比例因子也是力因子。电动式扬声器的实际马达具有多种明显的非线性机制，这在产生的声压中产生不希望的线性和非线性失真。

一个非线性失真机制是由马达的Bl乘积的位置/位移相关变化使得B*l乘积随着音圈在磁隙中的位置不同而引起的。在音圈中的零驱动电流下，力因子从通常在音圈的静止位置处出现的最大值逐渐下降。该第一非线性失真机构是静态的，即仅取决于音圈的位置。

还存在另一个动态非线性失真机制。音圈中的驱动电流响应于电流的流动而形成其自身的磁场。由音圈产生的磁场的一部分在磁路中循环，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久性磁通量上，使得磁隙中的磁通量以不希望的方式随着线圈电流变化，从而形成非线性失真。

由于力因子自身已经变得依赖于音圈电流，音圈和隔膜上的力不再与音圈电流(即驱动电流)完全成比例。这种影响取决于音圈的位置，但是非线性的存在是由于两个磁场的叠加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、通量调制和磁阻力。这种力因子调制在2016年9月29日–10月3日举行的第141届会议上发表的AES论文“电动式扬声器中的力因子调制”中详细描述。

力因子调制导致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是主题AES论文中定义的线圈的位置相关广义电感，x是线圈位置并且i是线圈电流。

换句话说，二阶非线性失真与音圈电流平方和线圈电感的空间导数成比例。可变音圈电感也以另一种方式产生失真。音圈电感是音圈的电阻抗的一部分，使得当它由电压源驱动(在绝大多数情况下)，音圈电流变得以位置相关的方式取决于所施加的驱动电压。上面描述的2016AES论文中表明，力的非线性分量的方程可以推广为包括音圈电感的频率相关性。如前所述，磁路充当音圈的核心，这意味着当磁路的一部分的磁导率频率相关时，音圈电感变得频率相关。

频率相关磁导率的原因是涡流的引入，当音圈磁通量变化时，由于电流变化或由于线圈移动，涡流在磁路或系统的导电的所有部件或构件(诸如铁质部件)中流动。涡流流动将抵消磁通量中的变化(楞次定律)，或者说替代地，涡流充当短路线圈匝数，从而降低音圈的电感。

因为这些涡流在其中流动的材料的传导性是有限的，当线圈通量在一段时间内保持静态时，电流将衰减，即在直流或0Hz或非常低的频率下，没有涡流来抵消电感。因此，在直流下的音圈电感仅由磁路的材料的几何形状和磁导率决定。在较高的频率下，涡流变得更加明显，以便使电感降低到低于直流下出现的电感。

某些现有技术电动式扬声器已经包括极片和音圈周围的所谓的短路环。这些环由导电但非磁性的材料(诸如铜或铝)制成。其目的是减小音圈电感，至少在较高的频率下减小音圈电感。由于铜或铝的电阻率比铁低，大部分涡流在短路环而不是铁中流动。出于相同的原因，涡流更大且因此更强烈地抵消音圈试图在磁路引起或形成的磁场变化。这减小了力因子调节，至少较高的频率下减小了力因子调节。另一个优点是包括降低电感，这意味着对于施加在音圈上的给定电压具有较高的灵敏度，并且减小了由铁中的磁滞引起的非线性电感。这不意味着短路环(无论如何放置)将无条件地提高线性度。由于力因子调制相当于广义音圈电感的位置相关性，在高的频率下，很有可能降低电感，同时提高电感(每毫米运动的绝对变化)的空间梯度。在低的频率下，现有技术短路环没有效果。期望产生效果的频率越低，在较低的频率下短路环的截面必须变得越大，该截面对于实际扬声器的磁路内部的可用空间的量来说太大。

本发明人已经意识到如果电动式扬声器的马达和磁路设计成或配置成使得音圈电感是位移/位置相关的，则由于力因子调制而产生的非线性失真以及由于音圈电流调制而产生的非线性失真均被消除。因此，用于电动式扬声器的理想马达呈现出恒定的音圈电感，即音圈电感不随音圈的位移而变化并因此是位置相关的。

因此，本发明的一个目的或目标是提供一种这样的电动式扬声器马达，与现有技术扬声器马达相比，该电动式扬声器马达基本上消除音圈电感的有害位移相关性或至少显著降低音圈电感的位移/位置相关性。出于以上原因，这种降低将提高马达的线性度，从而降低结合本扬声器马达的相应的电动式扬声器的多种类型的非线性失真。因此，例如通过减小谐波和互调失真来提高对应的电动式扬声器的客观性能以及对应的电动式扬声器的主观音质。

发明内容

本发明的第一方面涉及一种用于电动式扬声器的马达，该马达包括围绕马达轴线布置的磁路组件。该磁路组件包括：可导磁顶板；可导磁底板；可导磁构件，布置在可导磁底板和可导磁顶板之间并磁性地联接到可导磁底板和可导磁顶板；中央极片；以及气隙，用于容纳音圈；其中，气隙通过可导磁顶板的内侧轴向延伸壁形成，所述内侧轴向延伸壁面向中央极片的轴向延伸周缘壁区段以限定气隙的宽度、底部、顶部和高度。该马达还包括向外伸出可导磁构件或帽状部，其布置在气隙的顶部上方。该中央极片包括至少从气隙的底部轴向延伸到可导磁底部构件或可导磁底板的永磁体，该永磁体诸如为钕磁体或铁氧体磁体。本领域技术人员应理解，可导磁构件和可导磁底板在一些实施方式中可以形成为机械地结合在一起的单独的部件，或者替代地形成为单个一体形成的元件或部件。后一实施方式使得马达的组装时间减少并因此降低成本。

该马达的一个明显的优点是可导磁构件的材料布置在中央极片外。与图1的现有技术马达中描述的将可导磁构件的材料布置在音圈内相比，这种布置减小音圈相对于相应的空气音圈的电感增加。该马达的另一个优点是与用对应的铁氧体构件替换可导磁构件的对应的马达相比，外直径减小。

在本说明书中，磁性构件(诸如中央极片的永磁体)的术语“交流磁导率”是指在零音圈电流下，通量密度B与磁场强度H的曲线/关系的切线的斜率。术语“相对交流磁导率”μ_r是指用真空磁导率μ₀的倍数表示的“交流磁导率”。切线可以视为磁性构件的直流操作点周围的线性化小信号模型或交流模型。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”。在大磁场强度(例如大于1.5特斯拉)下，该BH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降低。永磁体本质上是高度磁饱和的并因此通常具有比空气大不太多的交流磁导率。可以形成该马达的永磁体的钕磁体可以呈现出低于1.5或低于1.1的相对交流磁导率。因此，中央极片的永磁体可以呈现出低于2或1.5或者甚至低于1.1的相对交流磁导率。

因此，中央极片的与向外伸出可导磁构件组合的永磁体的小交流磁导率通过显著减小音圈电感在音圈向内移位时的增加量来提供协同效应，并且此外通过将向外伸出可导磁构件布置在气隙的顶部上方来补偿少量残留音圈电感增加。这种几何形状确保音圈电感也在音圈向外移位时以与在音圈向内移位时的电感增加几乎相同的比例增加，因此使得音圈的电感的位移相关变化非常小，如下面结合所附附图进一步详细讨论的。

向外伸出可导磁构件可以大体上布置在由中央极片的轴向延伸周缘壁区段限定的向外伸出平面或表面的内侧或外侧，如下面结合所附附图进一步详细讨论的，例如结合图2、图4和图8的马达实施方式。

在马达的一个实施方式中，中央极片包括可导磁顶部构件，该可导磁顶部构件从气隙的底部轴向延伸到气隙的顶部，从而形成或限定中央极片的轴向延伸周缘壁区段。向外伸出可导磁构件或可导磁帽状部可以布置在可导磁顶部构件的顶部上并且或者与可导磁顶部构件的上表面一体地形成或者设置为结合或邻接到可导磁顶部构件的上表面的单独的元件，如下面结合所附附图进一步详细讨论的。可导磁顶部构件和/或向外伸出可导磁构件可以包括或由例如铁磁材料(诸如AISI CR1010钢)的高导磁率材料或各向同性的、高电阻的软磁复合(SMC)材料制成，如下面结合所附附图进一步详细讨论的。同样，可导磁构件可以包括或由例如铁磁材料(诸如AISI CR1010钢)的高导磁率材料或各向同性的、高电阻的软磁复合(SMC)材料制成。

根据马达的另一实施方式，向外伸出可导磁构件的高度超过可导磁顶板的高度，例如为可导磁顶板的高度的1.5倍。

根据马达的另一实施方式，中央极片的磁性构件的高度大于音圈的高度与气隙的高度之间的差。

本发明的附加实施方式在所附的从属权利要求中进行阐述。

本发明的第二方面涉及一种对应的电动式扬声器，即结合马达的电动式扬声器，并且该电动式扬声器包括：

-框架，

-根据以上所述的马达的多个实施方式中的任一个实施方式和/或根据下面结合所附附图描述的马达的多个实施方式中的任一个实施方式的马达。电动式扬声器还包括附接到音圈的可移位隔膜或膜，其中所述音圈布置在马达的气隙中，例如自由地悬置在气隙中。

电动式扬声器的磁路组件优选地配置成使得在31Hz下测量时，在由向外位移限制和向内位移限制限定的预定的位移范围内，音圈的电感的变化小于10％，诸如小于7.5％，或者甚至小于5％；其中，所述位移范围对应于音圈的高度和气隙的高度之差的0.5倍。本领域技术人员应理解，向外位移限制和向内位移限制可以围绕音圈的静止位置或中立位置对称。电动式扬声器的磁路组件优选地配置成使得在从1Hz、100Hz、316Hz、1kHz和3.16kHz构成的组选择的一个或多个附加测试频率下，在预定的位移范围内，音圈的电感的变化落入相同的比例限制内。

附图说明

下面参考附图进一步详细地描述本发明的优选实施方式，在附图中：

图1是电动式扬声器的现有技术马达的示意性截面图，

图2是根据本发明的第一实施方式的用于电动式扬声器的马达的示意性轴向截面图，

图3是根据本发明的第二实施方式的用于电动式扬声器的马达的示意性轴向截面图，

图4是根据本发明的第三实施方式的用于电动式扬声器的马达的示意性轴向截面图，

图5是根据本发明的第四实施方式的用于电动式扬声器的马达的示意性轴向截面图，

图6是根据本发明的第五实施方式的用于电动式扬声器的马达的示意性轴向截面图，

图7是根据本发明的第六实施方式的用于电动式扬声器的马达的示意性轴向截面图，

图8A是根据本发明的第七实施方式的用于电动式扬声器的马达的示意性轴向截面图，

图8B是根据本发明的第八实施方式的用于电动式扬声器的马达的示意性轴向截面图，

图9示出了结合根据本发明的上述实施方式中的任一实施方式的马达的相应的示例性电动式扬声器的示意性轴向截面图，

图10示出了通过有限元分析模拟的根据本发明的第八实施方式的示例性马达设计或结构与不具有可导磁“帽状部”215的对应的马达设计在1Hz下音圈电感与音圈的向内位移和向外位移的对比的曲线图；并且

图11示出了通过有限元分析模拟的根据本发明的第八实施方式的示例性马达设计或结构与不具有可导磁“帽状部”215的对应的马达设计的力因子(即B*l乘积)与音圈的向内位移和向外位移的对比的曲线图。

具体实施方式

在下文中，参考所附附图来描述用于电动式扬声器的此马达的多个示例性实施方式。本领域技术人员应理解，这些附图是示意性的且为了清楚起见而进行了简化，并且因此仅示出了对理解本发明是重要的细节，而省略了其他细节。在整个申请中，相同的参考标记指代相同的元件或部件。因此，不必针对每幅图详细描述类似的元件或部件。还应理解，某些动作和/或步骤可以以特定的发生顺序进行描述或描绘，而本领域技术人员应理解，实际上并不需要与所描述的顺序相关的这种特定性。

图1是电动式扬声器的现有技术马达100的示意性截面图。音圈电感与音圈的绕组数的平方成正比并且与磁路的磁阻成反比。绕组数是固定的，其中，磁路的磁阻可以随着音圈的位移而变化，并因此也随着附接到音圈位置的隔膜的位移而变化，这是由于靠近音圈的磁导率比空气高的材料的变化量。另一种描述方式是有效磁导率由音圈的位移进行调节。音圈围绕中央铁极片。当音圈朝向底板向内移位时(即如图所示，从静止位置0朝向负X位置(-X)移位时)，音圈电感由于音圈内的铁材料的量增加而较高。音圈的这一位置增加了有效磁导率。相反，当音圈沿马达的隔膜的方向向外移位时(即如图所示，从静止位置0朝向正X(+X)位置移位时)，音圈电感较低，这是因为音圈在磁导率较低的自由空气中向外移动。

图2A示出了根据本发明的第一实施方式的用于电动式扬声器(未示出)的马达200的示意性轴向截面图。该电动式扬声器的大小可以是所谓的6.5英寸尺寸，其中隔膜直径为约120mm。与现有技术扬声器马达相比，该马达200及其磁路组件以及下面描述的其他马达实施方式配置成或设计成使得音圈的电感的位移相关的变化最小化或减小。因此，出于以上在本发明的背景技术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均最小化。

马达200可以围绕马达200的中央马达轴线205旋转对称。马达200包括磁路组件，该磁路组件配置成在环状气隙220中产生径向定向的基本上静态的磁场。磁路组件包括可导磁构件240、可导磁顶板235(例如形成为环形的盘)、可导磁底板或磁轭230和中央极片245。气隙220成形为且大小设置为或配置为接收匹配的环状的或环形的音圈225，该音圈可以形成电动式扬声器的隔膜组件的一部分。环形或环状音圈225自由地悬置在环状气隙220中，并因此可以相对于音圈的静止位置0沿着中央马达轴线205远离磁路组件向外移位和通向磁路组件向内移位。静止位置对应于环状音圈225中的直流零电流，并且优选地对应于环状音圈225在气隙220中的中央位置。环状音圈225的静止位置示意性地用附图的“X”箭头上的“0”表示，而音圈225远离磁路组件的向外移位对应于X的正/+方向，并且音圈225通向磁路组件的向内移位对应于X的负/-方向。可导磁构件240可以具有环形形状并形成马达200的外周缘。可导磁构件240可以与可导磁顶板235和可导磁磁轭230磁性地互相连接或联接，并且不具有永磁体或任何其他类型的磁体。

本领域技术人员应理解，图2A和图3至图7上的马达实施方式的示意性附图示出了可导磁构件240、340、440、540、640和740的与沿着马达的中央轴线的平面垂直的总截面面积，该总截面面积比对应的中央极片的截面面积大。该截面面积比可以应用于本马达的多个实施方式。然而，图2A和图3至图7上描述的替代马达实施方式的可导磁构件240、340、440、540、640和740的相应的截面面积可以小于对应的中央极片的截面面积的66.6％，或者更优选地为约50％或更小。

可导磁顶板235可以由例如铁磁材料(诸如CR1010钢)的高导磁率材料制成，并且其高度为环状音圈225的高度的六分之一至三分之二之间。可导磁底板或磁轭230可以由例如铁磁材料(诸如AISI CR1010钢)的高导磁率材料制成，并且根据马达200的外部尺寸，其高度或厚度在4mm至16mm之间。

中央极片或中央极组件包括磁性构件250，该磁性构件从气隙220的底部220b延伸到可导磁底部构件245，该可导磁底部构件可以形成为与可导磁底板或磁轭230一体地形成的向上伸出的柱状突出部245。可导磁底部构件245物理地且磁性地联接到磁性构件250的下表面。因此，在马达200的该实施方式中，磁性构件250布置在可导磁极顶部210和可导磁底部构件245之间，其中可导磁极顶部可以成形为扁平的盘。在磁路组件的其他实施方式中，磁性构件250可以从气隙220的底部220b一直轴向延伸到可导磁底板或磁轭230。磁性构件250的高度优选地为外部环形的可导磁构件240的高度的至少0.5倍，例如大于外部环形的可导磁构件240的高度的0.7倍或0.9倍。替代地或另外地，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。这些限制中的每个限制通常将确保磁性构件250的高度足够大以由于音圈内的可导磁材料的量的减小而显著减小音圈在向内移位时的电感。

可导磁极顶部210从气隙220的底部220b(参考图2B))轴向延伸到气隙220的顶部220a以限定中央极片245的轴向延伸周缘壁区段236，该轴向延伸周缘壁区段形成气隙220内(例如圆形的或椭圆形)的壁或表面。气隙220的另一壁由可导磁顶板235的内侧的(例如圆形的或椭圆形的)轴向延伸壁242形成，其中，轴向延伸壁242面向中央极片245的轴向延伸周缘壁区段以限定气隙220的宽度、底部220b、顶部220a和高度。本领域技术人员应理解，气隙220的高度和/或宽度可以根据马达200和音圈225的总体尺寸进行缩放。可导磁极顶部210可以由例如铁磁材料(诸如AISI CR1010钢)的高导磁率材料制成。

可导磁极顶部210包括布置在气隙220的顶部220a上方(即气隙的顶部的外部)的向外伸出部分或突出部215或“帽状部”215。因此，在该实施方式中，向外伸出部分或突出部215也布置在可导磁顶部构件235的平坦的上表面237上方。向外伸出的“帽状部”215布置在由中央极片245的轴向延伸周缘壁区段217限定的向外伸出的平面或表面(未示出)内侧，即朝向中央马达轴线205。因此，允许音圈225不受限制地轴向移位。

因此，可导磁极顶部210可以包括限定以上讨论的气隙220的内壁(轴向延伸周缘壁区段)236的第一柱状部分或区段212。中央极片245的可导磁极顶部210还包括以上描述的向外伸出的突出部215，该向外伸出的突出部在该实施方式中由可导磁极顶部210的第二柱状部分形成，该第二柱状部分布置在第一柱状部分212的顶部并且与第一柱状部分212的顶表面一体地形成或者设置为结合到或邻接到第一柱状部分的顶表面的单独的元件。本领域技术人员应理解，向外伸出的突出部215不一定是柱形的。例如通过铣削或机加工适当形状的柱状铁氧体构件或其他高导磁率材料(诸如AISI CR1010钢)或者各向同性的、高电阻的软磁复合(SMC)材料(如材料)，诸如由/>AB制造并销售的Somaloy1P、Somaloy 3P或Somaloy 5P，可导磁极顶部210的第一柱状部分和第二柱状部分212、215可以分别制成一体的。第二柱状部分215的截面面积可以比第一柱状部分或区段212的截面面积小以相对于可导磁极顶部210的内壁236限定凹入的上外部圆形壁215a，从而限定磁隙220的内表面或内壁236。换句话说，向外伸出的突出部215沿马达200的轴向方向205在磁隙220的上方向外延伸。

在一些替代实施方式中，第一柱状部分和第二柱状部分212、215分别可以具有同一直径以消除上外部圆形壁215a的凹入特性。

磁性构件250可以呈现出小于10(诸如小于5或小于2)的相对交流磁导率。在一些实施方式中，磁性构件250包括永磁体或由永磁体制成，该永磁体诸如钕磁体或铁氧体磁体。在下面进一步详细描述的马达200的其他实施方式中，磁性构件250包含可导磁材料(例如各向同性的、高电阻的软磁复合(SMC)材料)，该材料由永磁体和磁场线圈中的至少一者驱动到直流磁饱和。SMC材料可以包括以上所讨论的材料。

如图中示意性所示，磁性构件250由磁场线轴向地磁化，这些磁场线用于驱动磁通量通过磁路组件并穿过气隙，因此该气隙承受径向定向的磁场。外部环形的可导磁构件240可以包括高导磁率材料或各向同性的、高电阻的软磁复合(SMC)材料或者由高导磁率材料或各向同性的、高电阻的软磁复合材料制成，该高导磁率材料例如铁磁材料，诸如AISICR1010钢，该软磁复合材料包括铁氧体磁体或钕磁体。

可导磁的向外伸出的突出部或帽状部215的布置增加了音圈225在音圈225向外移位(即正“X”值)时的电感，使得电感的增加有效地抵消或补偿了音圈225在其向内移位时增加的电感。

可导磁帽状部215的减小的截面面积引导磁路组件的直流磁通量(即静态的直流磁通量)在气隙220中流动。这一特征确保了直流磁通量集中在气隙220中并且可导磁帽状部215中的磁场强度低。这一特征进而确保了可导磁帽状部215保持在磁饱和之外，从而引起较高的磁导率和更有效补偿音圈225的位移相关电感L(x)。

相反，布置在气隙220的底部220b下方的磁极构件250(例如该磁极构件的上端表面与气隙220的底部220b基本上对准)优选地呈现出或具有如上所述的小相对交流磁导率，以便减小音圈电感的位移相关性。小交流相对磁导率可以以多种方式实现，例如通过高直流或静态的磁饱和，例如通过使用永磁体或使用由永磁体或磁场线圈驱动到直流饱和的软磁性材料(诸如铁磁材料)，如下所述。在这两种情况下，交流相对磁导率可以是非常小的，例如小于10或小于5。

如上所述的音圈电感在音圈225向内移位时增加一方面是由于音圈225距包括向上伸出的柱状突出部245的可导磁底板或磁轭230的距离减小而引起的。对现有技术马达设计中的音圈电感在音圈225向内移位时增加的另一个重要贡献是中央极片的铁磁材料的高磁导率。

本领域技术人员应理解，磁性构件250和可导磁帽状部215的组合特性大大地消除了或者至少显著地减小了音圈电感在该马达200的音圈225向内移位时的这一期望增加。磁性构件250的小交流相对磁导率(在一些实施方式中可以与自由空气相当，即μ_r＝1.0)至少在向内移位时减少了音圈225内可导磁材料的存在。因为与自由空气相比，可导磁顶部构件210和磁轭235仍然有助于缩短磁场线，因此当音圈225被完全拉入内部时，音圈电感仍然可能处于其最大值。重要的是，与具有靠近线圈的可导磁中央极片的设计相比，音圈电感显著减小。

因此，磁极构件250和可导磁帽状部215通过首先经由磁极构件250显著降低在音圈225向内移位时音圈电感来提供协同效应，并且此外通过将可导磁帽状部215布置在气隙220的顶部上方来补偿在向内移位时增加的少量残留音圈电感，使得音圈电感在音圈225向外移位时也增加。换句话说，将可导磁帽状部215与布置在中央极片245中的磁极构件250进行组合，该组合由于磁极构件的小交流磁导率而使得其恰好适合于该目的。

图3示出了根据本发明的第二实施方式的用于电动式扬声器(未示出)的马达300的示意性轴向截面图。向外伸出的可导磁构件315由设置在中央极片345的可导磁极顶部310的顶表面和可导磁帽状部315之间的非磁性间隔件343支撑。虽然可导磁帽状部315未直接物理地或磁性地联接到中央极片，但是出于以上原因，其较高的磁导率仍然补偿音圈325在向外移位时或向外移位位置处的位移相关电感。

图4示出了根据本发明的第三实施方式的用于电动式扬声器(未示出)的马达400的示意性轴向截面图。磁路组件的可导磁顶板435包括环形的可导磁盘状突出部415。环形的可导磁盘415可以与可导磁顶板435一体地形成。环形的可导磁盘415的内侧圆形周缘壁415a布置在由可导磁极顶部410的内侧的轴向延伸壁436限定的向外伸出的平面外侧。虽然环形的可导磁帽状部415完全布置在由内侧的轴向延伸壁436限定的向外伸出的平面外侧，并因此布置在音圈425外侧，但是出于以上原因，其接近性和高磁导率仍然补偿音圈425在向外移位时或向外移位位置处的位移相关电感。

图5示出了根据本发明的第四实施方式的用于电动式扬声器(未示出)的马达500的示意性轴向截面图。马达500与前面讨论的根据第一实施方式的马达200大体相同，但是另外包括布置在气隙520的底部下方并围绕中央极片545的第一导电环547。中央极包括磁性构件500、可导磁极顶部510和可导磁底部构件545。马达500还可以包括抵靠可导磁极顶部510的向外定向的表面并围绕向外伸出的可导磁帽状部515的第二导电环546。因此，第二导电环546布置在气隙520的顶部的上方并且在由中央极片的轴向延伸周缘壁区段517限定的向外伸出的平面或表面内侧。第一导电环和第二导电环547、546中的每者均作为所谓的短路环操作并且优选地包含导电的但不可导磁的材料(诸如铜或铝)。出于以上原因，短路环547、546的优点是通过减小磁路组件中流动的涡流而减小音圈阻抗在较高的频率(例如大于10Hz)下的增加。

图6示出了根据本发明的第五实施方式的用于电动式扬声器(未示出)的马达600的示意性轴向截面图。马达600的中央极片包括磁极构件650，该磁极构件从气隙620的顶部一直轴向延伸到可导磁底板或磁轭630。该磁路的中央极片645缺少前面描述的可导磁极顶部210、310、410、510。因此，在该实施方式的马达600中，磁性构件650的轴向延伸周缘壁区段636形成中央极片的内侧(例如圆形的或椭圆形的)的轴向延伸周缘壁区段636。气隙620的另一壁由可导磁顶板635的内部(例如圆形的或椭圆形的)的轴向延伸的壁区段642形成，使得这两个轴向延伸的壁区段共同限定气隙620的尺寸。磁性构件650可以包括永磁体或者可以形成在饱和软磁性材料(诸如铁磁材料)中，例如前面讨论的各向同性的、高电阻的软磁复合(SMC)材料。磁性构件650可以由永磁体(未示出)或者内部或外部磁场线圈(未示出)驱动到直流饱和。磁性构件650通过适当的磁通量驱动到直流磁饱和，使得磁极构件650的相对交流磁导率优选地小于5或小于2。马达600包括向外伸出的可导磁构件615，该向外伸出的可导磁构件由磁性构件650的上表面支撑且优选地结合到磁性构件的上表面并且布置在磁隙620的顶部上方。在该实施方式的马达600的一个变型中，磁性构件650包括轴向延伸(即沿着轴线605)的贯穿开口或孔口(未示出)，该轴向延伸的贯穿开口或孔口用于使磁性构件650的有效截面面积减小例如30％或50％以上。磁性构件650的该轴向延伸的贯穿开口或孔口可以用于促进磁性构件650的材料(诸如前面讨论的SMC材料)的直流磁饱和。可导磁构件640可以具有环形的形状并提供马达600的外周缘。可导磁构件640可以与可导磁顶板635和可导磁磁轭630磁性地互相连接或联接。

图7示出了根据本发明的第六实施方式的用于电动式扬声器(未示出)的马达700的示意性轴向截面图。马达700的中央极片745包括布置成围绕中央马达轴线705的环形柱状磁性构件750。环形柱状磁性构件750以可导磁材料制成，该可导磁材料优选地为以上讨论的各向同性的、高电阻的软磁复合(SMC)材料。中央极片745还包括盘形永磁体750a(例如钕磁体)，该盘形永磁体从气隙720的底部向下延伸到环形柱状磁性构件750的上表面。盘形永磁体750a配置成驱动环形柱状磁性构件750到直流磁饱和。环形柱状磁性构件750的直流磁饱和使得环形柱状磁性构件750的相对交流磁导率小(诸如小于5或小于2)。环形柱状磁性构件750的轴向定向的贯穿孔口751减小了磁性构件750的有效截面面积，并且因此有助于引起磁性构件750中的适当的直流磁饱和。

该磁路的中央极片还包括可导磁极顶部710，该可导磁极顶部传导磁通量并引导磁通量径向通过气隙725。可导磁极顶部710优选地以与以上讨论的本发明的第一实施方式类似的方式与布置在气隙720的顶部的上方(即气隙的顶部的外部)的向外伸出的和凹入的部分或突出部715或“帽状部”一体地形成。

图8A示出了根据本发明的第七实施方式的用于电动式扬声器(未示出)的马达800的示意性轴向截面图。马达800包括可导磁构件835，该可导磁构件设置在可导磁顶板835和可导磁底板830之间并磁性地联接到可导磁顶板和可导磁底板以提供闭合回路，其中磁通量穿过磁路组件。马达800的磁路组件围绕马达轴线805布置并包括：可导磁顶板835、可导磁底板830、一个或多个可导磁构件833、中央极片和用于容纳音圈825的气隙。

该马达800可以围绕马达800的中央马达轴线805旋转对称。磁路组件优选地配置成在基本上环状气隙820中产生径向定向的基本上静态的磁场。气隙820构造成用于接收环状的或环形的音圈825，该音圈可以形成图9中示意性描述的电动式扬声器的隔膜组件的一部分。环形或环状音圈825自由地悬置在环状气隙820中，并且因此可以在图2中示意性示出的音圈的静止位置0周围沿着中央马达轴线805远离磁路组件向外移位和通向磁路组件向内移位。静止位置对应于环状音圈825中的直流零电流，并且优选地对应于环状音圈825在气隙820中的中心位置。

可导磁顶板835可以由例如铁磁材料(诸如CR1010钢)的高导磁率材料制成并且其高度在环状音圈825的高度的六分之一至三分之二之间。可导磁底板或磁轭830可以由例如铁磁材料(诸如AISI CR1010钢)的高导磁率材料制成并且根据马达800的外部尺寸，其高度或厚度在4mm至16mm之间。可导磁构件833同样可以包含或由例如铁磁材料(诸如AISICR1010钢)的高导磁率材料制成。可导磁构件833可以形成为单个的柱状构件。本领域技术人员应理解，可导磁构件833可以与可导磁顶板835和可导磁底板830中的一者或二者一体地形成，如图示意性所示。这可以通过将这些机加工或制造为可导磁材料的单个相干物品来实现。替代地，可导磁顶板835、可导磁底板830和可导磁构件833可以是单独的物品，它们利用合适的试剂结合在一起以形成单个构件之间的物理结合和磁性联接或连接。

中央极片或中央极组件包括诸如钕磁体或铁氧体磁体的永磁体850(即中央极磁体)并且优选地从气隙820的底部b延伸到可导磁底部构件845，该可导磁底部构件可以形成为与可导磁底板或磁轭830一体地形成的向上伸出的柱状突出部845。优选地，可导磁底部构件845物理地且磁性地联接到永磁体850的下表面。因此，马达800的永磁体850布置在可导磁极顶部810和可导磁底部构件845之间，该可导磁极顶部可以是扁平的盘。在磁路组件的其他实施方式中，永磁体850可以从气隙220的底部一直轴向延伸到可导磁底板或磁轭830。永磁体850的高度可以大于音圈825的高度和气隙的高度820之间的差。这些限制中的每个限制通常将确保永磁体850的高度足够大以由于音圈内可导磁材料的量的减小而显著减小音圈825在向内移位时的电感。

可导磁极顶部810可以以例如铁磁材料(诸如AISI CR1010钢)的高导磁率材料制成或由该高导磁率材料形成。可导磁极顶部810包括布置在气隙820的顶部上方(即气隙的顶部的外部)向外伸出的部分或突出部815或“帽状部”815。因此，帽状部815也布置在磁路组件的可导磁顶部构件835的平坦的上表面837的上方。向外伸出的“帽状部”815可以布置在由中央极片的轴向延伸周缘壁区段817限定的向外伸出的平面或表面(未示出)内侧，即朝向中央马达轴线805。因此，允许音圈825不受限制地轴向移位。帽状部815的高度优选地是可导磁顶板835的高度或厚度的至少1.5倍，诸如至少1.75或2.0倍。可导磁顶板835的高度或厚度取决于马达800的尺寸，但是可以位于3mm至10mm之间。

可导磁极顶部810可以包括第一柱状部分或区段，该第一柱状部分或区段限定以上所讨论的气隙820的内壁(轴向延伸周缘壁区段)836。中央极片的可导磁极顶部810可以包括以上所述的一体形成的向外伸出的帽状部815，该向外伸出的帽状部在该马达800中由可导磁极顶部810的第二柱状部分形成并布置在第一柱状部分的顶部上，并且例如通过铣削或机加工与第一柱状部分的上表面一体地形成或者设置为结合或邻接到第一柱状部分的上表面的单独的元件。本领域技术人员应理解，向外伸出的突出部815可以具有除柱形之外的其他形状。可导磁极顶部810和帽状部815中的每者均可以包括高导磁率材料(诸如AISI CR1010钢)或各向同性的、高电阻的软磁复合(SMC)材料，如材料，诸如由AB制造并销售的Somaloy 1P、Somaloy 3P或Somaloy 5P。帽状部815的截面面积可以小于可导磁极顶部810的截面面积以相对于可导磁极顶部810的限定磁隙820的内表面或内壁836的内壁836限定凹入上外部圆形壁815a。换句话说，向外伸出的突出部815沿马达800的轴向方向805在磁隙820的上方向外延伸。

在一些替代实施方式中，第一柱状部分和第二柱状部分810、815分别可以具有相同的截面面积(例如直径)以消除上外部圆形壁815a的凹入特性。如图中示意性所示，永磁体850优选地由磁场线轴向磁化以便驱动直流磁通量通过磁路组件并穿过气隙820，该气隙由此承受径向定向的磁场。

向外伸出的帽状部815的布置增加了音圈825在音圈825向外移位时(即图2a上所示的正“X”值)的电感，使得电感的增加有效地抵消或补偿音圈825在向内移位时的电感的增加。可导磁帽状部815的减小的截面面积引导磁路组件的直流磁通量(即静态的直流磁通量)在气隙820中流动。该特征确保了直流磁通量集中在气隙820中以及帽状部815中的磁场强度较低。该特征进而确保了可导磁帽状部815保持在磁饱和之外，从而引起较高的磁导率和更有效补偿音圈825的位移相关电感L(x)。

相反，布置在气隙820的底部下方的永磁体850(例如该永磁体的上端表面与气隙820的底部基本上对准)优选地呈现出或具有如上所述的小相对交流磁导率以便减小音圈电感的位移相关性。永磁体850的交流相对磁导率可以是非常小的，例如小于10或小于5。以上提及的音圈电感在音圈825的向内移位时增加一方面是由于从音圈825到包括向上伸出的柱状突出部845的可导磁底板或磁轭830的距离减小而引起的。对现有技术马达设计中的音圈电感在音圈825向内移位时增加的另一个重要贡献是中央极片的铁磁材料的高磁导率。

本领域技术人员应理解，永磁体850和帽状部815的组合特性大大地消除了或至少显著减小了音圈电感在该马达800的音圈825向内移位时的这一期望增加。在向内移位时，永磁体850的小交流相对磁导率(在一些实施方式中可以与自由空气相当，即μ_r＝1.0)至少减少了音圈825内可导磁材料的存在。因为与自由空气相比，可导磁顶部构件810和磁轭835仍然有助于缩短磁场线，因此当音圈825被完全拉入内部时，音圈电感仍然可能达到其最大值。重要的是，与具有布置成靠近音圈的可导磁中央极片的设计相比，音圈电感显著减小。

因此，磁性构件850和帽状部815通过首先经由磁极构件850显著降低在音圈825向内移位时的音圈电感来提供协同效应。此外，通过将帽状部215布置在气隙820的顶部上方来补偿在向内移位时增加的少量残留音圈电感，使得音圈电感在音圈825的向外移位时也增加。换句话说，将帽状部815与中央极片内的永磁体850进行组合，该组合由于永磁体的小交流磁导率而使得其恰好适合于该目的。

图8B示出了用于电动式扬声器(未示出)的马达800的第八实施方式的示意性轴向截面图。本领域技术人员应理解，在材料和尺寸方面，该马达可以与以上描述的第七实施方式的马达800大体相同，除了可导磁顶板835的细节。马达800的第八实施方式和第七实施方式之间的区别是可导磁顶板835可以视为整合在可导磁构件840中，使得可导磁构件的顶部部分向上延伸到气隙820的顶部。这意味着环状气隙820的外周缘壁由可导磁构件840的最上部区段形成。替代地，本领域技术人员可以将该第八实施方式视为不具有任何可导磁顶板的马达设计。本领域技术人员应理解，以上所述的马达的多个实施方式中的至少一些实施方式可以具有相应的可导磁顶板和可导磁构件的类似整合。

图9示出了结合根据以上所述的马达200、300、400、500、600、700和800的实施方式中的任一个实施方式的马达的示例性电动式扬声器979的示意性轴向截面图。电动式扬声器979或驱动器总体上包括安装到马达900的框架971和隔膜975。隔膜975通过柔性环绕部976附接到或联接到框架971，该柔性环绕部可以包括粘合到或以其他方式固定地附接到框架971的周缘向上定向的圆形表面的外边缘984。这使得隔膜975根据音圈925的振动而振动。音圈925可以由中空柱状的成形件974支撑，该成形件也附接到音圈定位器(spider)973。音圈定位器973是将音圈925保持在马达900的气隙920的中心同时允许音圈925沿向上方向和向下方向自由移动的柔性的波纹状支撑件。音圈定位器973可以通过不同的手段(诸如粘合剂)连接到成形件974的外表面和位于框架971的内部部分上的音圈定位器坪983。在本文中描述的实施方式中，框架971具有大体上圆形的形状。然而，在其他实施方式中，框架971和扬声器979的其他元件可以是不同的形式，例如矩形的或椭圆形的轮廓或形式。成形件974可以通过粘合剂或其他结合机构固定地附接到隔膜975的内圆形表面区域。隔膜975可以由具有足够刚性和重量的任何合适的材料(诸如织物、塑料、纸张或轻质金属)制成。框架971可以由任何合适的材料(诸如金属或非金属材料)制成。

图10示出了通过对根据本发明的第八实施方式的马达设计800以及不具有可导磁“帽状部”215的相应的马达设计进行有限元分析建模而模拟的1Hz下的音圈电感与音圈的向内位移和向外位移的对比的曲线图。x轴表示相对于其静止位置或中立位置的声音位移，以毫米为单位。y轴表示1Hz时的音圈的电感，以mH为单位。用实线绘制的曲线表示根据第八实施方式的马达的包括可导磁的向外伸出的突出部或“帽状部”的马达设计的模拟电感。用虚线绘制的曲线表示相同但不具有可导磁“帽状部”215的马达设计的模拟电感。从第一曲线1010明显看出，在音圈处于静止位置(x＝0)周围10mm的峰-峰位移范围的情况下，第八实施方式的马达实施方式的音圈的电感变化仅为约0.1mH。从不具有“帽状部”的第二虚线曲线明显看出，在音圈处于静止位置(X＝0)周围10mm的同一峰-峰位移范围的情况下，音圈的电感变化要大得多并且为约0.32mH。

图11示出了通过有限元分析模拟的根据本发明的第八实施方式的示例性马达设计或结构的力因子(即B*l乘积)与音圈的向内位移和向外位移的曲线图。x轴表示相对于其静止位置或中立位置的声音位移，以毫米为单位。y轴表示力因子。第一曲线1110表示包括布置在气隙的顶部上方(即气隙的顶部的外部)的可导磁的向外伸出的突出部或“帽状部”的马达设计的模拟B*l乘积。第二曲线1120表示相同但是不具有可导磁“帽状部”215的马达设计的模拟B*l乘积。

Claims (15)

1.一种用于电动式扬声器的马达，所述马达包括：

磁路组件，围绕马达轴线布置，所述磁路组件包括：可导磁顶板；可导磁底板；可导磁构件，设置在可导磁顶部构件和所述可导磁底板之间并磁性地联接到所述可导磁顶部构件和所述可导磁底板；

中央极片；以及气隙，用于容纳音圈；

其中，所述气隙通过所述可导磁顶板的内侧轴向延伸壁形成，所述内侧轴向延伸壁面向所述中央极片的轴向延伸周缘壁区段以限定所述气隙的宽度、底部、顶部和高度；

向外伸出可导磁构件或帽状部，布置在所述气隙的顶部上方；

所述中央极片包括至少从所述气隙的底部轴向延伸到可导磁底部构件或所述可导磁底板的永磁体，所述永磁体诸如为钕磁体或铁氧体磁体。

2.根据权利要求1所述的用于电动式扬声器的马达，其中，所述中央极片的所述永磁体向外延伸到所述气隙的顶部，以限定所述中央极片的所述轴向延伸周缘壁区段。

3.根据权利要求1所述的用于电动式扬声器的马达，其中，所述中央极片包括可导磁顶部构件；

所述可导磁顶部构件从所述气隙的底部轴向延伸到所述气隙的顶部，以限定所述中央极片的所述轴向延伸周缘壁区段。

4.根据前述权利要求中任一项所述的用于电动式扬声器的马达，其中，所述向外伸出可导磁构件布置在由所述中央极片的所述轴向延伸周缘壁区段限定的向外伸出平面或表面内侧。

5.根据权利要求3或4所述的用于电动式扬声器的马达，其中，可导磁极顶部和所述向外伸出可导磁构件通过单件的可导磁材料一体地形成，所述可导磁材料诸如为铁磁材料，所述铁磁材料诸如为CR1010钢。

6.根据权利要求5所述的用于电动式扬声器的马达，其中，所述可导磁顶部构件包括限定所述中央极片的所述轴向延伸周缘壁区段和所述向外伸出可导磁构件的盘状或柱状元件。

7.根据前述权利要求中任一项所述的用于电动式扬声器的马达，其中，所述向外伸出可导磁构件限定相对于所述中央极片的所述轴向延伸周缘壁区段的凹入外壁。

8.根据权利要求6或7所述的用于电动式扬声器的马达，还包括设置在所述中央极片的顶部和所述向外伸出可导磁构件之间的非磁性间隔件。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的用于电动式扬声器的马达，其中，所述向外伸出可导磁构件设置在由所述可导磁顶板的所述内侧轴向延伸壁限定的向外伸出平面外侧。

10.根据前述权利要求中任一项所述的用于电动式扬声器的马达，还包括以下项中的至少一者：

-布置在所述气隙的底部下方并围绕所述中央极片的导电环；以及

-布置在所述气隙的顶部上方并围绕所述向外伸出可导磁构件的导电环，该导电环在由所述中央极片的所述轴向延伸周缘壁区段限定的所述向外伸出平面或表面内侧。

11.根据前述权利要求中任一项所述的用于电动式扬声器的马达，其中，所述向外伸出可导磁构件或帽状部的高度是所述可导磁顶板的高度的至少1.5倍。

12.根据前述权利要求中任一项所述的用于电动式扬声器的马达，其中，在垂直于中央马达轴线的平面下测定时，所述可导磁构件的截面面积小于所述中央极片的截面面积的一半，诸如所述可导磁构件的截面面积小于所述中央极片的截面面积的三分之一。

13.根据前述权利要求中任一项所述的用于电动式扬声器的马达，其中，所述可导磁顶板和所述可导磁底板中的至少一者与所述可导磁构件一体地形成。

14.一种电动式扬声器，包括：

-框架；

-根据前述权利要求中任一项所述的马达；

-可移位隔膜，附接到所述音圈，所述音圈布置在所述马达的气隙中。

15.根据权利要求14所述的电动式扬声器，其中，所述磁路组件配置成使得在31Hz下测量时，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的位移范围内，所述音圈的电感的变化小于10％，诸如小于7.5％，或者甚至小于5％，

其中，所述位移范围对应于所述音圈的高度和所述气隙的高度之差的0.5倍。