CN101404438A - 大推力短行程音圈电机 - Google Patents
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Abstract
大推力短行程音圈电机，本发明涉及电机领域，它解决了现有音圈电机推力小、推力波动相对较大等缺点。它的定子的二个定子附加线圈位于三个定子线圈的两侧并通过定位键固定在线圈架的沟道内，五个线圈串联连接；其动子的磁钢采用双边串联永磁体结构，磁钢由三种长度的磁钢组成，以中间的第一个第三种长度的磁钢为对称轴依次向两侧排布有第一种、第三种和第二种长度的磁钢；充磁方向的分布为Halbach阵列结构；磁钢和线圈的长度关系满足：s1＝l2+2d，s2＝l1+2d－s1，s3＝l3－2d。本发明主要用于精确定位伺服***，它提高了音圈电机单位体积的推力，并且减小了推力波动，减小了电机本身对外界环境的热辐射，提高了电机的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及电机领域，具体涉及精确定位音圈电机。
背景技术
音圈电机是一种短行程的直流直线电机，其特点是结构简单、体积小、推力波动小、高加速度、响应快等。与旋转电机相比较，无需中间转换环节(滚珠丝杠)便可实现直线运动，降低成本、且提高定位精度；与传统交流直线电机相比较，无齿槽效应，能实现更好的定位效果。
基于以上特点音圈电机主要用于精确定位伺服***，如镜头调平调焦、计算机硬盘磁头定位和光刻机宏、微定位***等。但随着科技的发展，对音圈电机的技术要求更为苛刻。例如：在IC装备业中，要求加工的晶片尺寸愈来愈大，而加工精度却愈来愈高，这样就要求音圈电机的推力增大、定位精度更高。而对于这种高精度加工的***来说，环境的温度恒定要求同样很高。因此，需要一种大推力、小推力波动、低温升的音圈电机。
发明内容
本发明为了解决现有音圈电机推力小、推力波动相对较大等缺点，而提出了一种大推力短行程音圈电机。
本发明由定子、动子、电机底座、定子支架、导轨和滑块组成；定子支架的下台面上设置有导轨，与所述导轨连接的滑块设置在动子的下底面，定子置于动子的U型槽内，两个定子支架的一端分别固定在定子的两端上，两个定子支架的另一端固定在电机底座的立板的两端；定子包括定子线圈架、三个定子线圈、两个定子附加线圈和定子线圈定位键；三个定子线圈和二个定子附加线圈通过定子线圈定位键固定在定子线圈架的沟道内，二个定子附加线圈位于三个定子线圈的两侧，五个线圈串联连接；动子由动子轭板、动子磁钢安装座和动子磁钢组成；动子的动子磁钢采用双边串联永磁体结构，动子磁钢固定在动子轭板上，动子轭板固定在动子磁钢安装座上，动子磁钢由三种长度的磁钢组成，以中间的第一个第三种长度的磁钢为对称轴依次向两侧排布有第一种长度的磁钢、第三种长度的磁钢和第二种长度的磁钢；动子磁钢的充磁方向的分布为Halbach阵列结构；第一种长度的磁钢的运动方向有效长度为l1，第二种长度的磁钢的运动方向有效长度为l2，第三种长度的磁钢的运动方向有效长度为l3，定子线圈由大线圈和小线圈组成，定子线圈的小线圈和定子附加线圈的半线圈在动子运动方向上的有效长度为s1，定子线圈的大线圈的半线圈在动子运动方向上的有效长度为s2，定子线圈定位键的长度为s3，动子运动最大行程的二分之一为d，其中长度关系满足：s1＝l2+2d，s2＝l1+2d-s1，s3＝l3-2d。
在本发明中，音圈电机的动子采用双边、串联、Halbach阵列的永磁体结构。磁钢采用双边结构可以避免单边结构产生的单边磁拉力。磁钢采用串联结构减小单块永磁体的体积，使得单磁路路径缩短，从而增大气隙磁密、减小轭部磁密；对磁钢采用Halbach结构可以进一步提高音圈电机的气隙磁密，减小轭部磁密，并提高其平均推力；由于减小了音圈电机轭部体积，降低运动部分的质量。音圈电机采用单极结构，确保相邻同通方向电流线圈在同一极下的永磁体做直线运动，从而保证同一时刻不同线圈受电磁力的方向保持一致。音圈电机的速度和加速度较大，且频繁的进行往复运动，若采用动线圈结构，线圈的电源连接线易折断、损坏，可能会成为安全隐患因此采用了固定线圈的结构，即动磁钢结构，使得线圈的电源连接线固定不动，保证了电机的可靠性。为了避免电机的线圈对外部环境辐射热量，定子设置了定子线圈架，起到对线圈进行支撑定位及冷却槽的作用。音圈电机定子线圈采用了醇溶型自粘性漆包线，缠绕线圈时涂抹90％浓度的酒精，放入电烤箱中进行加温定型，再通过线圈定位键直接固定在线圈支架中，直接浸泡在冷却液中。由于动子端部漏磁通较大，会引起一定的推力波动，为了减小电机的推力波动，在电机的两侧增添了附加线圈，使得线圈位移发生变化时，切割永磁体有效磁通的线圈导体数基本保持不变。
本发明中的有益效果：提高了音圈电机单位体积的推力，并且减小了推力波动，减小了电机本身对外界环境的热辐射，提高了电机的可靠性。
附图说明
图1为本发明的音圈电机的整体结构示意图；图2为图1的A-A剖视图；图3为图1的B-B剖视图；图4为图1的C-C剖视图；图5为发明的音圈电机的定子结构示意图；图6为图5的D-D剖视图；图7为图5的E-E剖视图；图8为本发明的音圈电机的动子结构示意图；图9为图8的F-F剖视图；图10为图8的G-G剖视图；图11为图8的H-H剖视图；图12为本发明的音圈电机动子磁钢23的Halbach阵列分布图，其中所标出的箭头为动子磁钢23充磁方向。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图12说明本实施方式，本实施方式由定子10、动子20、电机底座30、定子支架40、导轨50和滑块60组成。
定子支架40的下台面上设置有导轨50，与所述导轨50连接的滑块60设置在动子20的下底面，定子10置于动子20的U型槽内，两个定子支架40的一端分别固定在定子10的两端上，两个定子支架40的另一端固定在电机底座30的立板的两端，定子10是通过固定在电机底座30上的定子支架40得到支撑的，动子20是通过固定在电机底座30的导轨50上的2个滑块60得到支撑的。当定子10中的线圈通电时，受动子20磁钢的电磁力，其反作用力作用于磁钢，使动子20运动。
定子10由定子线圈架11、三个定子线圈13、两个定子附加线圈14和定子线圈定位键15组成；三个定子线圈13和二个定子附加线圈14通过定子线圈定位键15固定在定子线圈架11的沟道内，二个定子附加线圈14位于三个定子线圈13的两侧，五个线圈串联连接；定子线圈定位键15不仅起到定位连接固定的作用，又起到了线圈骨架的作用。
动子20由动子轭板21、动子磁钢安装座22和动子磁钢23组成；动子20的动子磁钢23采用双边串联永磁体结构，可以避免由永磁体单边结构所产生的单边磁拉力。动子磁钢23固定在动子轭板21上，动子轭板21固定在动子磁钢安装座22上，动子磁钢23的充磁方向的分布为Halbach阵列结构；通过采用Halbach阵列结构和磁路串联形式使得音圈电机的轭部变薄，减小电机的动子20的体积及质量。对动子磁钢23进行充磁后，再对其表面进行精加工，粘贴在表面光滑的动子轭板21上，采用环氧树脂对其进行封装。
动子磁钢23由三种长度的磁钢组成，以中间的第一个第三种长度的磁钢为对称轴依次向两侧排布有第一种长度的磁钢、第三种长度的磁钢和第二种长度的磁钢；第一种长度的磁钢的运动方向有效长度为l1，第二种长度的磁钢的运动方向有效长度为l2，第三种长度的磁钢的运动方向有效长度为l3，定子线圈13由大线圈和小线圈组成，定子线圈13的小线圈和定子附加线圈14的半线圈在动子运动方向上的有效长度为s1，定子线圈13的大线圈的半线圈在动子运动方向上的有效长度为s2，定子线圈定位键15的长度为s3，动子20运动最大行程的二分之一为d，其中长度关系满足：s1＝l2+2d，s2＝l1+2d-s1，s3＝l3-2d。
具体实施方式二：结合图5至图7说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于定子10还包括定子下盖板12、定子上盖板密封垫16、定子上盖板17、出水口18和进水口19；定子下盖板12、定子上盖板密封垫16、定子上盖板17、出水口18和进水口19设置在定子线圈架11上，放置定子线圈的定子线圈架11的沟道之间连通，定子下盖板12设置在定子线圈架11的沟道底部与定子线圈架11密闭连接，定子上盖板密封垫16和定子上盖板17设置在定子线圈架11的沟道顶部与定子线圈架11密闭连接，通过定子下盖板12、定子上盖板密封垫16和定子上盖板17形成密封的冷却腔；进水口19的出水口与沟槽的一侧连通，出水口18的进水口与沟槽的另一侧连通；定子线圈架11、定子下盖板12、定子上盖板密封垫16、定子上盖板17、出水口18和进水口19组成密封的定子线圈冷却机构。出水口18和进水口19设置在定子线圈架11的同侧，定子上盖板17上设置有回水管道，定子上盖板密封垫16设置在定子上盖板17的回水管道和定子线圈架11的沟道之间，使回水管道和沟道分割成两个独立的空间，回水管道的进水口与沟槽的另一侧连通，回水管道的出水口与出水口18的进水口连通，沟槽的另一侧冷却液通过回水管道连通到出水口18上，冷却液通过进水口19流入，流经定子线圈架11的沟道和定子上盖板17回水管道，从出水口18流出，将定子线圈直接浸泡在冷却液中，出水口18和进水口19设置在定子线圈架11的同侧，使冷却液循环更为方便。所述放置定子线圈的定子线圈架11的沟道为内凹圆弧沟道，内凹圆弧沟道可使冷却液充分流经每个线圈表面，起到更好的冷却作用。由于内凹圆弧沟道，会使得已经很薄的定子线圈架11内壁变得更薄，这样定子线圈架11的机械强度很难保证，定子线圈架11连接定子上盖板17和定子下盖板12的位置进行加厚，从而提高机械强度。所述定子线圈架11起到两个作用：1、支撑固定定子线圈13和定子附加线圈14；2、通冷却液，对定子线圈13和定子附加线圈14进行冷却。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同点在于定子线圈13和定子附加线圈14采用了醇溶型自粘性漆包线，缠绕线圈时涂抹浓度为90％的酒精，放入电烤箱中进行加温定型，减小了线圈骨架的体积。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
本发明的音圈电机的基本原理：
当线圈通直流电时受到动子磁钢23的电磁力，此电磁力又反作用于动子20，使得动子20运动，而通过对定子线圈13和定子附加线圈14所通的直流电的方向来实现动子20的加、减速和正、反方向的运动。
音圈电机为短程直线电机，采用单极结构，运动范围如图所示，这样确保同一线圈在同一极下的永磁体做直线运动，从而保证同一时刻不同线圈受电磁力的方向保持一致。
直线电机的端部漏感十分明显，音圈电机也不例外，所以在动子20移动时，导线切割端部有效磁通是实时发生变化的，会引起音圈电机的推力波动，通过添加的定子附加线圈14来实现导线切割端部有效磁通是实时变化减小，从而降低推力波动。定子线圈13和定子附加线圈14导线的电流方向为：a1、a2、a3、a4和a5的通电方向保持一致；b1、b2、b3、b4和b5的通电方向保持一致，即相邻线圈所通电流方向保持一致，通过定子线圈定位键15相隔的线圈所通电流方向相反。由于同轴线圈厚度相等，因此an长度等于bn长度(n＝1，2，3，4，5)。图12中一旦l1、l2、l3、d的长度确定下来，便可求出s1、s2、s3的长度，公式如下：s1＝l2+2d，s2＝l1+2d-s1，s3＝l3-2d。从而保证同电流方向的线圈长度为其所正对磁钢的长度加上音圈电机的最大行程(即2s)。定子附加线圈14大小与定子线圈13中的小线圈的尺寸相同，这样便于加工。
Claims (6)
1、大推力短行程音圈电机，它由定子(10)、动子(20)、电机底座(30)、定子支架(40)、导轨(50)和滑块(60)组成；定子支架(40)的下台面上设置有导轨(50)，与所述导轨(50)连接的滑块(60)设置在动子(20)的下底面，定子(10)置于动子(20)的U型槽内，两个定子支架(40)的一端分别固定在定子(10)的两端上，两个定子支架(40)的另一端固定在电机底座(30)的立板的两端；其特征在于定子(10)包括定子线圈架(11)、三个定子线圈(13)、两个定子附加线圈(14)和定子线圈定位键(15)；三个定子线圈(13)和二个定子附加线圈(14)通过定子线圈定位键(15)固定在定子线圈架(11)的沟道内，二个定子附加线圈(14)位于三个定子线圈(13)的两侧，五个线圈串联连接；动子(20)由动子轭板(21)、动子磁钢安装座(22)和动子磁钢(23)组成；动子(20)的动子磁钢(23)采用双边串联永磁体结构，动子磁钢(23)固定在动子轭板(21)上，动子轭板(21)固定在动子磁钢安装座(22)上，动子磁钢(23)由三种长度的磁钢组成，以中间的第一个第三种长度的磁钢为对称轴依次向两侧排布有第一种长度的磁钢、第三种长度的磁钢和第二种长度的磁钢；动子磁钢(23)的充磁方向的分布为Halbach阵列结构；第一种长度的磁钢的运动方向有效长度为l1，第二种长度的磁钢的运动方向有效长度为l2，第三种长度的磁钢的运动方向有效长度为l3，定子线圈(13)由大线圈和小线圈组成，定子线圈(13)的小线圈和定子附加线圈(14)的半线圈在动子运动方向上的有效长度为s1，定子线圈(13)的大线圈的半线圈在动子运动方向上的有效长度为s2，定子线圈定位键(15)的长度为s3，动子(20)运动最大行程的二分之一为d，其中长度关系满足：s1＝l2+2d，s2＝l1+2d-s1，s3＝l3-2d。
2、根据权利要求1所述的大推力短行程音圈电机，其特征在于定子(10)还包括定子下盖板(12)、定子上盖板密封垫(16)、定子上盖板(17)、出水口(18)和进水口(19)；定子下盖板(12)、定子上盖板密封垫(16)、定子上盖板(17)、出水口(18)和进水口(19)设置在定子线圈架(11)上，放置定子线圈的定子线圈架(11)的沟道之间连通，并通过定子下盖板(12)、定子上盖板密封垫(16)和定子上盖板(17)形成密封的冷却腔；进水口(19)的出水口与沟槽的一侧连通，出水口(18)的进水口与沟槽的另一侧连通；定子线圈架(11)、定子下盖板(12)、定子上盖板密封垫(16)、定子上盖板(17)、出水口(18)和进水口(19)组成密封的定子线圈冷却机构。
3、根据权利要求2所述的大推力短行程音圈电机，其特征在于出水口(18)和进水口(19)设置在定子线圈架(11)的同侧，定子上盖板(17)上设置有回水管道，定子上盖板密封垫(16)设置在定子上盖板(17)的回水管道和定子线圈架(11)的沟道之间，沟槽的另一侧冷却液通过回水管道连通到出水口(18)上。
4、根据权利要求3所述的大推力短行程音圈电机，其特征在于所述放置定子线圈的定子线圈架(11)的沟道为内凹圆弧沟道。
5、根据权利要求4所述的大推力短行程音圈电机，其特征在于定子线圈架(11)连接定子上盖板(17)和定子下盖板(12)的位置进行加厚。
6、根据权利要求1或5所述的大推力短行程音圈电机，其特征在于定子线圈(13)和定子附加线圈(14)采用了醇溶型自粘性漆包线。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |