一种高动态响应低推力波动的音圈电机

技术领域

本发明涉及一种高动态响应低推力波动的音圈电机，属于电机技术领域。

背景技术

目前高精密阀门类开关器件的性能不断提高，对执行机构的稳定性、响应性和使用寿命提出了更好的要求。因此需要提供与之相配套的高性能执行机构来保证高精密阀门类开关器件的正常运行。由于音圈电机具有结构简单、体积小、可控性好等特性，在高精密仪器领域中逐渐被应用。传统的音圈电机主要关注往复直线运行的高速性能，对电机推力稳定性、高可靠性等特性关注度较小，因此在高精密阀门类开关器件领域的应用受到限制。

急需要具有高动态响应、低推力波动、可靠性高、加工工艺好的新型音圈电机以满足高精密阀门类开关器件的应用需求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种高动态响应低推力波动的音圈电机，具有高动态响应、低推力波动、可靠性高、加工工艺好的特点。

本发明的技术解决方案是：

本发明公开了一种高动态响应低推力波动的音圈电机，包括定子100、动子200和直线轴承套组件301；其中，直线轴承套组件301设置在定子100和动子200之间，用以减小两者运动过程中的摩擦阻力；

定子100包括定子壳101、磁钢102、定子端盖103；其中，定子壳101与定子端盖103相连接形成磁钢环形腔室104，磁钢102安装在磁钢环形腔室104内，定子壳101中心位置设有中心通孔106，用于安装直线轴承套组件301；

动子200包括线圈组件201、轴承连杆202、动子端面205和柔性引出线210，其中，轴承连杆202安装在线圈组件201的中心位置并与动子端面205固定；线圈组件201包括漆包线204，柔性引出线210的一端焊接到漆包线204的引出端，并从动子端面205引出，柔性引出线210的另一端穿过定子端盖103与外界相连；通过柔性引出线210为线圈组件201通电，线圈组件201在磁钢102的作用下产生电磁力，驱动轴承连杆202在直线轴承套组件301的支撑下进行直线运动，轴承连杆202运动的方向和输出的推力大小由漆包线204内的电流的方向和大小决定。

进一步地，在上述音圈电机中，所述直线轴承套组件301包括轴承套302和保持架303；其中，轴承套302的外表面固定在中心通孔106的内表面；轴承套302与中心通孔106过盈配合或间隙配合，轴承套302的轴向长度与中心通孔106的轴向长度相同；保持架303安装在轴承套302和轴承连杆202之间。

进一步地，在上述音圈电机中，所述直线轴承套组件301还包括若干钢珠304；其中，保持架303设有安装钢珠304的球室，钢珠304沿圆周方向和轴向均匀分布在保持架303的球室内，保证钢珠304在保持架303内自由转动；钢珠304的直径大于保持架303侧壁的厚度，钢珠304的内端面和外端面分别伸出保持架303内表面和外表面，钢珠304的外端面与轴承套302的内表面滚动接触；钢珠304的内端面与轴承连杆202的外表面滚动接触。

进一步地，在上述音圈电机中，所述定子壳101内设有直线轴承安装部位和磁钢安装部位，直线轴承安装部位与直线轴承套组件301相连接，定子壳101为一体加工成型，所述磁钢安装部位沿轴向为阶梯型结构，所述阶梯型结构产生不同磁路，与磁钢102的结构相配合，形成可变磁密结构。

进一步地，在上述音圈电机中，所述磁钢102，包括若干环形磁钢，各环形磁钢的外环直径不同，内环直径相同，每个环形磁钢由多个弧形磁钢拼接而成，各环形磁钢沿轴向依次粘接，若干粘接的环形磁钢的轴向截面构成阶梯形状，阶梯数大于或等于2；每个环形磁钢的外端面与定子壳101的内壁粘接固定。

进一步地，在上述音圈电机中，所述阶梯数等于2时，相连接的两个环形磁钢的轴向长度分别为x和y，x：y＝0.8～1.2。

进一步地，在上述音圈电机中，所述线圈组件201，还包括线圈骨架203；其中，线圈骨架203设有圆柱形的开槽，在开槽内沿圆周方向和轴向均匀绕制漆包线204；漆包线204和线圈骨架203为组合加工成型，漆包线204和线圈骨架203通过真空灌胶加固，线圈骨架203材料选取非金属材料；所述线圈组件201的端部设有若干通孔。

进一步地，在上述音圈电机中，所述线圈骨架203的轴向长度大于磁钢102的轴向长度；所述线圈组件201的外圈表面和磁钢102的内圈表面之间的间距小于或等于1mm。

进一步地，在上述音圈电机中，所述柔性引出线210包括螺旋环和直线延伸部，所述螺旋环的一侧固定在定子端盖103内，所述直线延伸部穿过定子端盖103延伸至电机的外侧，所述螺旋环的中心位置与漆包线204焊接在一起，动子200运动过程中，所述螺旋环的轴向长度随着动子组件的直线运动而变化。

进一步地，在上述音圈电机中，所述定子端盖103沿圆周方向设有限位槽，用于防止动子200在运动过程中发生圆周方向的偏转。

本发明与现有技术的有益效果在于：

(1)本发明音圈电机的结构紧凑，加工工艺好；其中定子壳可以作为导磁轭，使得磁钢的磁场强度分布均匀，磁路顺畅，尽可能地减少漏磁，使得气隙磁场的利用率最大；

(2)本发明设计的定子中心位置的轴承可以减小动子轴承连杆与定子之间运动过程中的摩擦阻力，从而提高音圈电机的响应速度。

(3)本发明采用的直线轴承可极大程度上减小运动过程中动子与和定子之间的摩擦阻力，使得音圈电机具有很快的响应速度。

(4)本发明采用的柔性引出线在电机内部螺旋环的轴向长度可根据动子组件的直线运动而变化，而不会损坏螺旋结构，确保稳定和可靠的通电。

附图说明

图1是本发明音圈电机的轴向剖示图；

图2是本发明音圈电机的定子三视图；

图3是本发明音圈电机的定子端盖两视图；

图4是本发明音圈电机的动子三视图；

图5是本发明柔性引出线的平面视图；

图6是本发明固定环的两视图；

图7是本发明音圈电机的磁钢三视图。

具体实施方式

为了使得本发明的技术方案的目的、方案和优点更加清楚，下文中将结合本发明的具体实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。除非另有说明，否则本文所使用的术语具有本领域通常的含义。附图中相同的附图标记代表相同的部件。

为便于描述结构关系，在本文中，沿着音圈电机的轴承连杆的延伸方向被称为“轴向”；与电机轴承连杆相交且垂直于其延伸方向的方向被称为“径向”。

如图1所示，本发明公开了一种高动态响应低推力波动的音圈电机，包括定子100、动子200和直线轴承套组件301；其中，直线轴承套组件301设置在定子100和动子200之间，用以减小两者运动过程中的摩擦阻力；

定子100包括定子壳101、磁钢102、定子端盖103；其中，定子壳101与定子端盖103相连接形成磁钢环形腔室104，磁钢102安装在磁钢环形腔室104内，定子壳101中心位置设有中心通孔106，用于安装直线轴承套组件301；磁钢环形腔室104和中心通孔106，二者同心布置，中心通孔106设置在磁钢环形腔室104的内侧。磁钢环形腔室104在安装完磁钢102后还会存在一定的空间，该空间为动子200的运动空间。

动子200包括线圈组件201、轴承连杆202、动子端面205和柔性引出线210，其中，轴承连杆202安装在线圈组件201的中心位置并与动子端面205固定；线圈组件201包括漆包线204，柔性引出线210的一端焊接到漆包线204的引出端，并从动子端面205引出，柔性引出线210的另一端穿过定子端盖103与外界相连；通过柔性引出线210为线圈组件201通电，线圈组件201在磁钢102的作用下产生电磁力，驱动轴承连杆202在直线轴承套组件301的支撑下进行直线运动，轴承连杆202运动的方向和输出的推力大小由漆包线204内的电流的方向和大小决定。

如图1所示，直线轴承套组件301包括轴承套302和保持架303；其中，轴承套302的外表面固定在中心通孔106的内表面；轴承套302与中心通孔106过盈配合或间隙配合，间隙配合时，轴承套302和中心通孔106通过环氧树脂胶粘接固定，轴承套302的轴向长度与中心通孔106的轴向长度相同，二者的两个端部分别对齐；保持架303安装在轴承套302和轴承连杆202之间。直线轴承套组件301还包括若干钢珠304；其中，保持架303设有安装钢珠304的球室，钢珠304沿圆周方向和轴向均匀分布在保持架303的球室内，保证钢珠304在保持架303内自由转动；钢珠304的直径大于保持架303侧壁的厚度，钢珠304的内端面和外端面分别伸出保持架303内表面和外表面，钢珠304的外端面与轴承套302的内表面滚动接触；钢珠304的内端面与轴承连杆202的外表面滚动接触。由此，多个钢珠304在轴承套302和轴承连杆202之间提供低摩擦力的滚动支承，使得轴承连杆202在直线运动时的摩擦力最小化，从而实现音圈电机动子200运动的快速响应。

如图2所示，中心通孔106设有限位孔107，用来阻止直线轴承套组件301在动子200运动过程中保持架303从定子壳端部105滑出。动子200的轴承连杆202在运动过程从中心通孔限位孔107中穿过。

如图2所示，定子壳101内设有直线轴承安装部位和磁钢安装部位，直线轴承安装部位与直线轴承套组件301相连接，定子壳101为一体加工成型，磁钢安装部位沿轴向为阶梯型结构，阶梯型结构产生不同磁路，与磁钢102的结构相配合，形成可变磁密结构。定子壳端部105上设置有多个安装孔108，用于将音圈电机整体安装于其他设备上。图2的定子径向视图中示出了3个安装孔108，其沿圆周方向均匀布置。

如图1所示，为保证动子200运行期间能够提供低波动的推力，磁钢102采用的是阶梯状结构，此阶梯状能够保证在定子100内磁钢环形腔室104内磁密分布不均匀，越向右侧开口处磁密越大，因此在动子200向图1右侧运行时，线圈组件201等效在磁场内的匝数越少，但是气隙磁密越大，反之向左侧运行线圈组件201等效在磁场内的匝数越多，但是气隙磁密越小，综合而言在整个往复运行过程中，电磁推力等于等效匝数、气隙磁密、单个线圈平均周长和电流大小的乘积，该四个参数的的乘积近似相等，从而实现低推力波动。

如图2所示，磁钢102，包括若干环形磁钢，各环形磁钢的外环直径不同，内环直径相同，每个环形磁钢由多个弧形磁钢拼接而成，各环形磁钢沿轴向依次粘接，若干粘接的环形磁钢的轴向截面构成阶梯形状，阶梯数大于或等于2；每个环形磁钢的外端面与定子壳101的内壁粘接固定。阶梯数等于2时，相连接的两个环形磁钢的轴向长度分别为x和y，x：y＝0.8～1.2，如图7所示。如图2定子径向左视图所示，本实施例中，磁钢102沿着圆周方向由6块彼此独立的磁钢部件拼接而成，这些磁钢部件沿圆周方向彼此间隔开且均布，最终形成环形的磁钢102。磁钢102的材质选用烧结钕铁硼材料，例如N48H。定子壳101采用导磁性能优异的切削加工材料制成，例如电工纯铁DT4C，加工完毕后需要对定子壳101进行镀镍处理，防止生锈。由此，磁钢环形腔室104的外壁、定子壳端部105和中心通孔106的外壁作为磁轭，使得磁钢102的磁场强度分布均匀，磁路顺畅。

如图4所示，线圈组件201，还包括线圈骨架203；其中，线圈骨架203设有圆柱形的开槽，在开槽内沿圆周方向和轴向均匀绕制漆包线204；漆包线204和线圈骨架203为组合加工成型，漆包线204和线圈骨架203通过真空灌胶加固，线圈骨架203材料选取非金属材料；线圈组件201的端部设有若干通孔。由此，流经线圈组件201的电流的方向大致垂直于磁场的方向，产生沿轴承连杆202轴线方向的电磁驱动力，促使线圈组件201带动轴承连杆202沿轴向方向线性移动。漆包线204为耐高温的QY等级漆包线，线径约为0.2～0.3mm。漆包线204在绕制后通过浸漆紧固在线圈骨架203上，且保证线圈组件201的外表面光滑平整。在线圈骨架203上的漆包线204绕制完成后，漆包线204的两个出线端各自经由端面通孔206和对应的过线槽207延伸至固定柱208侧边。通过在过线槽207内施加粘接剂，可固定漆包线204，防止漆包线204由于滑动和松线所造成的损伤。另外，动子端面205可设置有4个端面通孔206，用以保持线圈骨架203内外联通，减少动子200移动时的空气阻力。固定柱208用于安装柔性引出线210，漆包线204经由柔性引出线210连接至外电路。

线圈骨架203的轴向长度大于磁钢102的轴向长度；线圈组件201的外圈表面和磁钢102的内圈表面之间的间距小于或等于1mm。轴承连杆202可以使用不锈钢材料制成，并做渗氮硬化处理。轴承连杆202经渗氮处理后表面硬度可达HV850～1200，表面光洁度经研磨可达Ra0.05以下，从而降低轴承连杆202与轴承套组件301之间的摩擦力。

如图5所示，柔性引出线210包括螺旋环和直线延伸部，螺旋环的一侧固定在定子端盖103内，直线延伸部穿过定子端盖103延伸至电机的外侧，螺旋环的中心位置与漆包线204焊接在一起，动子200运动过程中，螺旋环的轴向长度随着动子组件的直线运动而变化。通过柔性引出线210从外部向动子200的线圈组件201供应电流，在动子200运动期间，柔性引出线210可适应性地发生变形以适应动子200的运动，同时不会影响供电。柔性引出线210包括两条导电铜箔片211和212，其分别向漆包线204的两个出线端供电。导电铜箔片211和212位于正面基底214和底面基底215之间，并由二者封装以与外界隔离。导电铜箔片211和212、正面基底214和底面基底215均是柔性的，从而形成所述柔性引出线210。在本实施例中，如图5所示，柔性引出线210包括闭合螺旋环外环216，在其外边缘一位置处具有直线延伸部217，导电铜箔片211和212在该直线延伸部217内彼此平行地向外延伸而引出。柔性引出线210还包括两个螺旋环213，这两个螺旋环213彼此等间距地设置，防止短路并形成双螺旋结构。柔性引出线210正中心位置具有螺旋环中心孔220，该中心孔两侧对称位置具有两个焊盘218。如图3、图4、图5和图6所示，柔性引出线210，通过螺旋环中心孔220穿过固定柱208，并通过固定环219用环氧树脂胶粘接套到固定柱208上，最终实现柔性引出线210与动子端面205的固定。柔性引出线210的外侧部分，即螺旋环外环216，是安装在定子端盖103的近侧端面上，并且二者用环氧树脂胶粘接固定。

如图3所示，定子端盖103沿轴向安装在定子壳101的开口侧，此二者围成定子100的内部空间，用以容纳动子200。定子端盖103内部具有一定长度的圆筒形空间，进一步，定子端盖103开口侧的凸台与定子壳101开口侧的凹台使用环氧粘接胶粘接固定，以保证定子壳101和定子端盖103两者密封良好。定子端盖103沿圆周方向设有限位槽，用于防止动子200在运动过程中发生圆周方向的偏转。本实施例中，图3示出了定子端盖103的径向视图，定子端盖103的内侧具有2个限位槽109，用于限定动子200的圆周方向的旋转位置。定子端盖103的端面开缝状出口，用于将柔性引出线的210引出。

如图3和图4所示，线圈组件201的部分设置在定子100的磁钢102的径向内侧，并且可在电磁作用下相对于定子100作直线运动。轴承连杆202延伸穿过中心通孔106的中心通孔限位孔107，轴承连杆202为单悬臂结构其固定在动子端面205中心，线圈组件201与动子端面205为一体加工成型，使得轴承连杆202随线圈组件201一起运动；轴承连杆202的悬臂侧伸出音圈电机的外侧，用以输出推力。

如图5所示，当外电路经由柔性引出线210向线圈组件201供电时，动子200将沿轴向直线运动，在此期间，柔性引出线210的螺旋环外环216固定在定子端盖103的近侧端面上，与定子100保持静止，以便稳定地与外电路保持电连接；同时，柔性引出线210的导电铜箔片211和212固定在动子端面205，并跟随其轴向运动，以便稳定地与线圈组件201保持电连接。由于柔性引出线210的两个螺旋环213可沿轴线方向伸长或缩短，从而能够适应定子100和动子200之间的相对运动。经试验，本发明的柔性引出线210能承受3000万次以上的往复运动而不发生损伤，并且能承受一定角度的圆周旋转。

如图3、图4和图5所示，由于动子200会存在一定的旋转运动。为避免动子200的过度旋转造成引出线210因过度扭曲而损坏，通过设置在动子200上的两个限位柱209和定子端盖103内的两个限位槽109，限定动子200仅能在一定角度范围内进行转动。由此，在音圈电机运行期间，动子组件200最多仅能在这两个限位槽109内的极限位置之间转动，从而达到保护引出线210的作用。

如上所述，本实施例中的音圈电机通过对结构的特殊设计，使得电机运行过程中，运行稳定，推力波动低，具有极低的摩擦力，使得音圈电机具有更快的响应速度。而且，通过使用柔性引出线，本实施例中的音圈电机还具有较高的可靠性和寿命。

本文参照优选的实施例详细描述了本发明的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明构思的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改变，且可以对本发明提出的各种技术特征、结构进行多种合适的组合，而不超出本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附的权利要求及其合法等同所确定。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。