CN112072890A - 一种超小体积的音圈电机结构 - Google Patents

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郭炳岐
田露
郗珂庆
胡昊
李敏哲
曹莎
胡俊
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Abstract

本发明提出一种超小体积的音圈电机结构，包括定子和动子；定子由上线圈、下线圈和外铁芯组成；外铁芯为钢质筒体，内侧面靠近两端的位置加工有一圈环形凸起；上下线圈固定在外铁芯内侧环形凸起；动子由上铁芯、下铁芯以及永磁体组成；永磁体为轴向充磁永磁体；上铁芯与下铁芯均为钢质圆柱体；上下铁芯同轴固定在永磁体的上下端面；将动子置入定子空腔内，动子的中心轴与定子中心轴重合；当在上线圈及下线圈中通入设定方向的电流，可使动子产生动力。本发明使用了轴向磁路结合径向磁路的方法，采用动铁方式，将聚磁、导磁等电机结构功能在简单的回转体上实现，易于机械加工和实现，同时取消了底座结构，使得电机能够实现双向输出。

Description

一种超小体积的音圈电机结构
技术领域
本申请涉及音圈电机的结构设计技术领域，具体为一种超小体积的音圈电机结构。
背景技术
音圈电机(Voice Coil Motor，VCM)是新型控制微特电机的一种，它是一种特殊形式的直接驱动电机，因为原理与扬声器类似而得名。其工作原理为：通电线圈(导体)在磁场中会产生力，力的大小与施加在线圈上的电流成比例。
现有音圈电机结构原理如图1所示，音圈电机所使用的磁力线由环形磁钢N极出发，经底座-铁芯-线圈后进入环形磁钢S极，线圈单向通电产生安培力。线圈在磁场内的磁通有效面积利用较充分，电机性能较好。
在一些新的应用场景中，如卫星通信用激光***，其光路调整装置要求体积小，重量轻，可高精度控制；其中的光路调整机构外径仅5mm，而其中实现光路调整的驱动机构设计是外径2.5mm、高度3mm的音圈电机，通过4台四角安装的音圈电机之间作动方式的配合，实现外径5mm的镜片的偏摆动作；而且从可靠性角度出发，对于该音圈电机提出了双向运动的需求，即当其中电机失效时对角安装的另一台电机可以推动或拉动镜片，保证光路调整机构不失效，提高可靠性。
在上述应用场景中，现有的音圈电机存在的问题包括：
1、结构加工较为复杂，底座、铁芯、外壳之间的空腔形状不易加工；
2、在外包络体积很小情况下，如≦Ф2.5mm×3mm时，现有技术下的音圈电机所依赖的结构加工工艺性极差，包括永磁体无法环形充磁、底座机械加工时无法夹持等；
3、由于底座的存在，现有音圈电机结构仅可单向输出力，另一方向会被底座遮挡。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种能够在微小尺度下实现的的音圈电机结构，使用了轴向磁路结合径向磁路的方法，采用动铁方式，将聚磁、导磁等电机结构功能在简单的回转体上实现，易于机械加工，在外包络尺寸很小情况下容易实现，同时取消了底座结构，使得电机能够实现双向输出。
本发明的技术方案为：
所述一种超小体积的音圈电机结构，包括定子和动子；
所述定子由上线圈、下线圈和外铁芯组成；
所述外铁芯为外径2.5mm，内径2.2mm，高度3mm的钢质筒体，内侧面靠近两端的位置加工有一圈单边厚度0.15mm，高度1mm环形凸起，用于加强聚磁效果；
所述上线圈内径为1.5mm，外径为1.9mm，高度为1mm，绕制方向为顺时针；所述下线圈为用上线圈引出的漆包线绕制的线圈内径为1.5mm，外径为1.9mm，高度为1mm，绕制方向为逆时针；所述上线圈固定在外铁芯内侧上部的环形凸起中，所述下线圈固定在外铁芯内侧下部的环形凸起中；
所述动子由上铁芯、下铁芯以及永磁体组成；
所述永磁体为直径1.2mm，高度1mm的轴向充磁永磁体；上铁芯与下铁芯均为直径1.2mm，高度1mm的钢质圆柱体；上铁芯同轴固定在永磁体的上端面，下铁芯同轴固定在永磁体的下端面，形成动子；
将动子置入定子空腔内，并调节动子的中心轴使其与定子中心轴重合；动子与动子间形成的气隙中的磁场平行于径向；
当在上线圈及下线圈中通入设定方向的电流，即可使动子产生动力。
进一步的，所述上线圈为用直径0.04mm的漆包线绕制220匝到230匝的线圈；所述下线圈为用上线圈引出的漆包线绕制220匝到230匝的线圈。
进一步的，所述永磁体为钕铁硼永磁体。
进一步的，上铁芯使用粘接剂同轴粘接在永磁体的上端面，下铁芯使用胶粘剂同轴粘接在永磁体的下端面，形成动子；上线圈使用胶粘剂粘接在外铁芯的内侧上部环形凸起中，下线圈使用胶粘剂粘接在外铁芯的内侧下部环形凸起中，形成定子。
有益效果
本发明提出的音圈电机结构使用了轴向加径向磁路技术，零件结构简单，易于加工，能够解决微小尺寸下的电机工艺实现问题，并取消了现有技术下音圈电机的底座结构，使得动子能够双向运动，实现双向输出。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1：传统音圈电机结构示意图；
图2：本发明音圈电机剖视图；
图3：本发明音圈电机俯视图；
图4：本发明音圈电机磁力线示意图；
图5：本发明音圈电机与一元硬币大小对比图；
图6：本发明音圈电机实物图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图2所示，本发明所涉及电机由上线圈1、下线圈2、上铁芯3、下铁芯4、永磁体5、外铁芯6组成。上线圈1为用直径0.04mm的漆包线绕制220匝到230匝的线圈，内径为1.5mm，外径为1.9mm，高度为1mm，绕制方向为顺时针；下线圈2为用上线圈1引出的漆包线绕制220匝到230匝的线圈，内径为1.5mm，外径为1.9mm，高度为1mm，绕制方向为逆时针。上铁芯3与下铁芯4均为直径1.2mm，高度1mm的钢质圆柱体。永磁体5为直径1.2mm，高度1mm的钕铁硼永磁体，充磁方向为轴向充磁。外铁芯6为外径2.5mm，内径2.2mm，高度3mm的钢质筒体，内部还加工有单边厚度0.15mm，高度1mm的环形凸起，用于加强聚磁效果。上铁芯3使用粘接剂同轴粘接在永磁体5的上表面，下铁芯4使用胶粘剂同轴粘接在永磁体5的下表面，形成动子。上线圈1使用胶粘剂粘接在外铁芯6的内侧上部，下线圈2使用胶粘剂粘接在外铁芯6的内侧下部，形成定子。
将上铁芯3、下铁芯4、永磁体5粘接形成的动子置入上线圈1、下线圈2、外铁芯6粘接形成的定子空腔内。调节动子的中心轴使其与定子中心轴重合。此时，定子与动子间形成的空隙称为气隙。
结合图3所示，图3显示了该结构音圈电机内的磁力线分布情况。假定永磁体5上部为N极，下部为S极。在定子与动子的组合状态下，根据磁阻最小原则，永磁体发出的磁力线将由N极出发后，经过上铁芯3后，大部分沿径向向外穿过气隙，然后穿过上线圈1；后沿外铁芯6到音圈电机下部，大部分沿径向向内穿过下线圈2，然后穿过气隙，经过下铁芯4回到永磁体S极，形成闭环。图3中可以看出采用该结构时，气隙及线圈中磁力线方向均沿径向，完全垂直于线圈中电流方向，空间利用率高；同时铁芯附近磁力线密集，该结构具有一定的聚磁效果，磁力线大多数通过气隙，磁能利用率高。
此时对上线圈1和下线圈2两端施加电压，电流在上线圈1内顺时针流动，上线圈1处于沿径向向外的磁场内，根据安培力定则，上线圈1受到沿轴向向下的安培力，动子受到沿轴向向上的反作用力；同时电流在下线圈2内逆时针流动，下线圈2处于沿径向向内的磁场内，根据安培力定则，下线圈2受到沿轴向向下的安培力，动子同样受到沿轴向向上的反作用力；此时动子具有向上运动的趋势。反之，对线圈施加方向相反的电压使其产生方向相反的电流时，动子的运动趋势亦相反。
本实施例通过设计线圈与磁场方向之间的结构关系，使得动子在简单的圆柱结构下具有较好的电机性能，且具有沿轴向双向运动的能力；而且将电机的零件均设计为圆柱体或筒体，易于加工，适用于外径Ф5mm以下的音圈电机结构设计实现。具有实际应用意义。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种超小体积的音圈电机结构，包括定子和动子；其特征在于：
所述定子由上线圈、下线圈和外铁芯组成；
所述外铁芯为外径2.5mm，内径2.2mm，高度3mm的钢质筒体，内侧面靠近两端的位置加工有一圈单边厚度0.15mm，高度1mm环形凸起，用于加强聚磁效果；
所述上线圈内径为1.5mm，外径为1.9mm，高度为1mm，绕制方向为顺时针；所述下线圈为用上线圈引出的漆包线绕制的线圈内径为1.5mm，外径为1.9mm，高度为1mm，绕制方向为逆时针；所述上线圈固定在外铁芯内侧上部的环形凸起中，所述下线圈固定在外铁芯内侧下部的环形凸起中；
所述动子由上铁芯、下铁芯以及永磁体组成；
所述永磁体为直径1.2mm，高度1mm的轴向充磁永磁体；上铁芯与下铁芯均为直径1.2mm，高度1mm的钢质圆柱体；上铁芯同轴固定在永磁体的上端面，下铁芯同轴固定在永磁体的下端面，形成动子；
将动子置入定子空腔内，并调节动子的中心轴使其与定子中心轴重合；动子与动子间形成的气隙中的磁场平行于径向；
当在上线圈及下线圈中通入设定方向的电流，即可使动子产生动力。
2.根据权利要求1所述一种超小体积的音圈电机结构，其特征在于：所述上线圈为用直径0.04mm的漆包线绕制220匝到230匝的线圈；所述下线圈为用上线圈引出的漆包线绕制220匝到230匝的线圈。
3.根据权利要求1所述一种超小体积的音圈电机结构，其特征在于：所述永磁体为钕铁硼永磁体。
4.根据权利要求1所述一种超小体积的音圈电机结构，其特征在于：上铁芯使用粘接剂同轴粘接在永磁体的上端面，下铁芯使用胶粘剂同轴粘接在永磁体的下端面，形成动子；上线圈使用胶粘剂粘接在外铁芯的内侧上部环形凸起中，下线圈使用胶粘剂粘接在外铁芯的内侧下部环形凸起中，形成定子。
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