CN211209558U - 一种圆筒型音圈电机磁性重力补偿器及音圈电机及其组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了音圈电机相关技术领域的一种圆筒型音圈电机磁性重力补偿器及音圈电机及其组件，其中，磁性重力补偿器包括动子和定子；动子包括动子支架和动子永磁体，动子支架的纵截面为U字形，动子永磁体设置于U字形的开口处；定子包括定子铁芯、定子磁体组件和定子轴；定子的纵截面为E字形，定子铁芯设置于E字形外侧的两条相互平行的边上，定子轴设置于E字形中心的轴上，定子磁体组件包括相互重叠设置的定子永磁体与定子导磁块，定子磁体组件套接于定子轴外围，定子永磁体位于定子导磁块与E字形底部之间；U字形的两条平行的边与E字形三条平行的边形成的两个间隙相适配；具有制造简单、易于与音圈电机结合、刚度特性好、温升低等特性。

Description

一种圆筒型音圈电机磁性重力补偿器及音圈电机及其组件

技术领域

本实用新型涉及音圈电机相关技术领域，特别涉及一种圆筒型音圈电机磁性重力补偿器及音圈电机及其组件。

背景技术

圆筒型音圈电机是一种将电能转化为机械能的直线运动执行器。跟传统的伺服电机与滚珠丝杆配合的传统系统不同，音圈电机可以直接驱动负载。因此，圆筒型音圈电机具有结构简单、免维护、高响应和高精度等优点，被广泛应用在半导体和工业自动化等场合。

但是，现有技术中的圆筒型音圈电机普遍存在一个问题，这就是当电机固定不动时，需要时刻通电，才能克服电机本身和负载的重力，这就会造成能量损耗。这部分损耗的电能会转化为热量散发到周围环境中。这种额外的热量产生，会因在设备中产生热膨胀效应，而这种热膨胀效应对于高精度设备而言会产生难以克服的技术缺陷，例如在光刻机等高精度的应用场合中则是不被允许的。

为了解决上述问题，行业中提出了利用磁性重力补偿器抵消重力的技术方案。利用永磁材料产生的磁场力抵消负载的重力，不需要再额外供电。除此之外，与机械耦合相比，磁性耦合具有更低的刚性，从而可以作为隔振器使用。

HEIDENHAIN公司在专利WO2011/131462中提出了一种负刚度的磁性重力补偿器结构，该结构的主要部分由两组轴向充磁的环形永磁体和一组轴向充磁的锥形永磁体构成。ORACLE公司在专利US6194796中提出了一种经典的圆筒型音圈电机结构，但不具备重力补偿功能。ETEL公司在专利US9172291中提出了一种具有磁性重力补偿器功能的圆筒型音圈电机，其线圈绕在一个锥形铁芯上。ASML公司在专利US6791443中提出了一种集成磁性重力补偿功能的音圈电机，具有平面和圆筒两种形式。在圆筒型结构中，具有若干组径向充磁的永磁体。SMEE公司在专利CN105281530和专利CN103034065中提出了两种具有磁性重力补偿器补偿功能的圆筒型音圈电机。

然而，虽然这一技术问题已受到现有技术的广泛关注，但是现有技术的磁性重力补偿器仍然存在难以与音圈电机进行结合行程紧凑设计；需要径向充磁的永磁环，结构复杂，成本较高等技术问题。

实用新型内容

针对现有技术存在的难以与音圈电机进行结合行程紧凑设计；需要径向充磁的永磁环，结构复杂，成本较高的技术问题，本实用新型提供一种圆筒型音圈电机磁性重力补偿器及音圈电机及其组件。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：

一种圆筒型音圈电机磁性重力补偿器，包括动子和定子；所述动子包括动子支架和动子永磁体，所述动子支架的纵截面为U字形，所述动子永磁体设置于所述U字形的开口处；所述定子包括定子铁芯、定子磁体组件和定子轴；所述定子的纵截面为E字形，所述定子铁芯设置于所述E字形外侧的两条相互平行的边上，所述定子轴设置于所述E字形中心的轴上，所述定子磁体组件包括相互重叠设置的定子永磁体与定子导磁块，所述定子磁体组件套接于所述定子轴的外围，所述定子永磁体位于所述定子导磁块与所述E字形底部之间；所述U字形的两条平行的边与所述E字形三条平行的边形成的两个间隙相适配。

进一步的，所述动子永磁体有若干组。

一种音圈电机，在上述任一项圆筒型音圈电机磁性重力补偿器的基础上，所述动子还包括线缆和线圈绕组，所述线圈绕组设置于所述动子永磁体与所述U字形底部之间的外壁上，所述线圈绕组通过所述线缆与外部连接。

进一步的，所述线圈绕组有若干组。

进一步的，所述定子磁体组件的数量与所述动子永磁体与所述线圈绕组的数量之和相等。

进一步的，所述动子永磁体和/或所述定子永磁体的材质为高磁能级的稀土永磁体。

优选的，所述高磁能级的稀土永磁体为钕铁硼永磁体、钐钴永磁体、铝镍钴永磁体或铁氧体永磁体。

优选的，所述定子铁芯和/或所述定子导磁块的材质为高导磁材料。

优选的，所述动子支架和/或所述定子轴的材质为高分子材料或者表面绝缘的铝或非导磁不锈钢。

一种磁性重力补偿式圆筒型音圈电机组件，包括底座、直线导轨、弹簧以及如前述任一项所述的磁性重力补偿式圆筒型音圈电机，所述定子与所述底座固定连接，所述动子通过滑块与所述直线导轨连接，所述弹簧的一端与所述动子固定连接另一端与所述直线导轨固定连接。

本实用新型的突出优点和有益效果如下：

1.制造简单：与现有的技术方案相比，本实用新型的技术方案中的永磁体充磁方向均为轴向充磁，可以很容易地使用一整块永磁体，结构和装配更加简单，降低了生产成本；

2.易于与音圈电机结合：本实用新型公布的重力补偿器结构可以与圆筒型音圈电机结构实现无缝衔接，构成具有重力补偿模块的音圈电机；

3.刚度特性好：与同体积的弹簧相比，该重力补偿器的刚度系数很低，适合作为隔振器使用；此外，该补偿器的刚度特性为负，可以与具有相同绝对值刚度系数的弹簧结合使用，实现近似零刚度的重力补偿。

4.温升低：由于重力补偿结构抵消了重力，安培力只需要提供动态调整所需要的力，因此大大降低了电流和发热，避免受热膨胀带来的精度误差，非常适合于半导体等高精度应用场合。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型中的音圈电机的总体立体结构示意图；

图2为实施例1中的圆筒型音圈电机磁性重力补偿器的纵截面结构示意图；

图3为实施例2中的圆筒型音圈电机磁性重力补偿器的纵截面结构示意图；

图4为实施例3中的音圈电机的纵截面结构示意图；

图5为实施例4和5中的音圈电机的纵截面结构示意图；

图6为实施例4中的音圈电机的动子立体结构示意图；

图7为实施例5中的音圈电机的定子的爆炸视图；

图8为实施例4中的音圈电机的动子在不同位置时的磁场分布图；

图9为实施例4中的磁性重力补偿器的悬浮力与动子位置的关系；

图10为实施例4中的音圈电机部分的安培力与动子位置的关系；

图11为实施例7中磁性重力补偿式圆筒型音圈电机组件的结构示意图；

图中：1-动子；2-定子；3-线缆；4-动子支架；5-线圈绕组；6-动子永磁体；7-定子铁芯；8-定子永磁体；9-定子导磁块；10-定子轴；11-直线导轨；12-弹簧；13-负载；14-底座。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示对本实用新型结构的说明，仅是为了便于描述本实用新型的简便，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制；具体实施时，附图中的结构的上下位置关系可以对调。

另外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个结构内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据本实用新型的总体思路，联系本方案上下文具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例1

如图1和图2所示，一种圆筒型音圈电机磁性重力补偿器，包括动子1和定子2；动子1包括动子支架4和动子永磁体6，动子支架4的纵截面为U字形，动子永磁体6设置于U字形的开口处，也就是动子支架4的立体结构为一个带底部的筒状结构，动子永磁体6设置于这一筒状结构开口一端的边沿，或者整个筒状结构的筒体侧壁均有动子永磁体6构成，或者筒体侧壁的外围包裹着这一动子永磁体6；定子2包括定子铁芯7、定子磁体组件和定子轴10；定子2的纵截面为E字形，也就是定子2的立体结构为一个带底部的中间设有立柱的筒状结构，定子铁芯7设置于E字形外侧的两条相互平行的边上，定子轴10设置于E字形中心的轴上，也就是定子铁芯7的位置位于设有立柱的筒状结构的筒体侧壁，而定子轴10设置于中间立柱的位置，其中，定子轴10可以为实心圆柱体的轴，也可以是空心的圆筒结构；定子磁体组件包括相互重叠设置的定子永磁体8与定子导磁块9，定子磁体组件套接于定子轴10的外围，具体实施时，也可以仅有定子磁体组件，中间不设置定子轴10，定子永磁体8位于定子导磁块9与E字形底部之间；U字形的两条平行的边与E字形三条平行的边形成的两个间隙相适配，用立体结构来表述，也就是动子1总体上是一个带底部的筒状结构，而定子2总体上也是一个带底部的筒状结构，只不过定子2的筒状结构中心设置有一个立柱状结构，动子1与定子2配合在一起就是，动子1的筒状结构的筒壁内径与定子2中立柱状结构的直径相当，动子1的筒状结构的筒壁外径与定子2筒状结构的筒壁内径相当，并且两个筒状结构的深度相当，这样动子1与定子2能够实现间隙配合。

动子1和定子2同心装配，动子1可以相对定子2做垂直方向的相对运动，毋庸多言，动子永磁体6与定子磁体组件的磁极方向相同，这两个磁体的磁极之间通过同性相斥实现磁性重力补偿，避免通电产生热量，可应用于高精密仪器中。

以上为本实用新型实施例的基本型，为了改进技术效果，还可对本实施的基本型做如下改进，以下改进没有矛盾的地方均可相互结合，该结构可以单独作为重力补偿器使用，或者与外置音圈电机配合使用。

实施例2

如图3所示，本圆筒型音圈电机磁性重力补偿器中，动子永磁体6有若干组，这若干组动子永磁体6设置方式相同，能够提供的悬浮力更大，适合负载更重的应用场合。

实施例3

一种音圈电机，在上述圆筒型音圈电机磁性重力补偿器的实施例中，动子1还包括线缆3和线圈绕组5，线圈绕组5设置于动子永磁体6与U字形底部之间的外壁上，也就是动子永磁体6设置于动子支架4中下部的外壁上，线圈绕组5设置于动子支架4中上部的外壁上，线圈绕组5通过线缆3与外部连接；其中线圈绕组5通常由铜芯或铝芯漆包线环绕制成，线圈绕组5通过胶粘等方式固定在动子支架4上。

如图4所示，动子1中有一组线圈绕组5和一组动子永磁体6，其特点是动子1的长度较短，动子1的质量较轻，但安培力较小。

实施例4

如图5和图6所示，本音圈电机中，线圈绕组5有若干组，提供较大的安培力。

如图5所示，动子1具有两组线圈绕组5和一组动子永磁体6，在实际应用过程中，两组线圈绕组5与定子永磁体8构成音圈电机，可以实现对运动的动态调节。

动子永磁体6的磁场与定子永磁体8的磁场相互作用，构成磁性重力补偿器，提供一个与负载13重力方向相反的悬浮力。当线圈绕组5未通电时，悬浮力与动子1位置的关系如图9所示，由图可知，在3mm的行程范围内，该重力补偿器提供一个近似“负弹簧”的特性。在该优选的实施例中，悬浮力F与动子1位置x的关系可以表示为：F＝k·x+F0。

当与刚度系数与之匹配的弹簧12相配合，可以实现零刚度的重力补偿，因此非常适合应用在需要隔振的场合。

图10是该优选实施例中音圈电机部分的工作特性，当线圈绕组5通以适当的直流电时，如图8所示，按图8中的a、b、c的顺序，定子1在动子2中的深度越浅，动子在不同位置时的磁场分布，将在定子永磁体8的磁场中产生安培力，当电流恒定时，该出力与位置相关，当位置固定时，该电机出力与电流大小成正比，因此可以通过调节电流的大小实现对工件运动状态的动态调整。

图9和图10分别表示了将磁性重力补偿和音圈电机两个部分解耦分析的工作特性，将两者结合起来可以实现对负载13工件带重力补偿的运动调整。

实施例5

如图5和图7所示，本音圈电机中，定子磁体组件的数量与动子永磁体6与线圈绕组5的数量之和相等。

实施例6

本实施例中的音圈电机中，动子永磁体6和/或定子永磁体8的材质为高磁能级的稀土永磁体，具体实施时，高磁能级的稀土永磁体为钕铁硼永磁体、钐钴永磁体、铝镍钴永磁体或铁氧体永磁体；需要解释的是，本技术方案中用“和/或”连接的，表示的情况包括这一连接词中任意一个是这一属性，也包括任意几个是这一属性，还包括所有都是这一属性，以本段中的为例，就包括了仅有动子永磁体6的材质为高磁能级的稀土永磁体，或者仅有定子永磁体8的材质为高磁能级的稀土永磁体，或者动子永磁体6以及定子永磁体8的材质均为高磁能级的稀土永磁体的情形，其他用“和/或”的地方与此相同，不再赘述。

此外，定子铁芯7和/或定子导磁块9的材质为高导磁材料。

此外，动子支架4和/或定子轴10的材质为不导磁的材料，例如可以是高分子材料或者表面绝缘的铝或表面做过绝缘处理的非导磁不锈钢。

实施例7

如图11所示，一种磁性重力补偿式圆筒型音圈电机组件，包括底座14、直线导轨11、弹簧12以及上述所有实施例任一项中的音圈电机，其中，定子2与底座14固定连接，动子1通过滑块与直线导轨11连接，弹簧12的一端与动子1固定连接另一端与直线导轨11固定连接；通过直线导轨11保证同心安装，弹簧12用来提供与磁性重力补偿器相反的刚度特性，以获得近似零刚度的重力补偿，共同补偿负载13的重力。在实际应用中，还可以采用多个如图11所示的模块并联使用，同步控制更重的负载13。

以上结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但本实用新型不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本实用新型原理和精神的情况下，在没有做出创造性劳动前提下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种圆筒型音圈电机磁性重力补偿器，其特征在于：包括动子和定子；所述动子包括动子支架和动子永磁体，所述动子支架的纵截面为U字形，所述动子永磁体设置于所述U字形的开口处；所述定子包括定子铁芯、定子磁体组件和定子轴；所述定子的纵截面为E字形，所述定子铁芯设置于所述E字形外侧的两条相互平行的边上，所述定子轴设置于所述E字形中心的轴上，所述定子磁体组件包括相互重叠设置的定子永磁体与定子导磁块，所述定子磁体组件套接于所述定子轴的外围，所述定子永磁体位于所述定子导磁块与所述E字形底部之间；所述U字形的两条平行的边与所述E字形三条平行的边形成的两个间隙相适配。

2.根据权利要求1所述的圆筒型音圈电机磁性重力补偿器，其特征在于：所述动子永磁体有若干组。

3.一种音圈电机，其特征在于：包括如权利要求1或2所述的圆筒型音圈电机磁性重力补偿器，所述动子还包括线缆和线圈绕组，所述线圈绕组设置于所述动子永磁体与所述U字形底部之间的外壁上，所述线圈绕组通过所述线缆与外部连接。

4.根据权利要求3所述的音圈电机，其特征在于：所述线圈绕组有若干组。

5.根据权利要求3或4所述的音圈电机，其特征在于：所述定子磁体组件的数量与所述动子永磁体与所述线圈绕组的数量之和相等。

6.根据权利要求5所述的音圈电机，其特征在于：所述动子永磁体和/或所述定子永磁体的材质为高磁能级的稀土永磁体。

7.根据权利要求6所述的音圈电机，其特征在于：所述高磁能级的稀土永磁体为钕铁硼永磁体、钐钴永磁体、铝镍钴永磁体或铁氧体永磁体。

8.根据权利要求5所述的音圈电机，其特征在于：所述定子铁芯和/或所述定子导磁块的材质为高导磁材料。

9.根据权利要求5所述的音圈电机，其特征在于：所述动子支架和/或所述定子轴的材质为高分子材料或者表面绝缘的铝或非导磁不锈钢。

10.一种磁性重力补偿式圆筒型音圈电机组件，其特征在于：包括底座、直线导轨、弹簧以及如权利要求3～9任一项所述的音圈电机，所述定子与所述底座固定连接，所述动子通过滑块与所述直线导轨连接，所述弹簧的一端与所述动子固定连接另一端与所述直线导轨固定连接。

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