本發(fā)明涉及電機(jī)控制領(lǐng)域，尤其涉及一種搖擺音圈電機(jī)及其重力補(bǔ)償方法。

背景技術(shù)：

音圈電機(jī)因其結(jié)構(gòu)類似于喇叭的音圈而得名，其具有高頻響、高精度的特點(diǎn)。此類電機(jī)主要分為圓柱型音圈電機(jī)和擺動(dòng)型音圈電機(jī)。擺動(dòng)音圈電機(jī)(音圈馬達(dá))是把TMES系列的音圈電機(jī)變彎，以滿足高性能的角度擺動(dòng)的電機(jī)，這種類型的電機(jī)能提供最大擺動(dòng)角度120度,最大扭力達(dá)到50N.m。擺動(dòng)音圈電機(jī)典型的運(yùn)用是激光的鏡面反射技術(shù)、回轉(zhuǎn)閥、阻尼器等等運(yùn)用。它的市場(chǎng)包括半導(dǎo)體行業(yè)、自動(dòng)化、工業(yè)、航空和航天工業(yè)領(lǐng)域。搖擺音圈電機(jī)SVCM普遍作為高精度擺動(dòng)的執(zhí)行器，在半導(dǎo)體行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，如磁盤讀頭的驅(qū)動(dòng)模塊。

如圖1所示為最常見(jiàn)的搖擺音圈電機(jī)類型，包括搖擺軸1和搖擺電機(jī)2，其基本原理為在弧形區(qū)域的磁場(chǎng)中產(chǎn)生弧線切向的洛倫茲力，加上高精度的旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量實(shí)現(xiàn)高精度大轉(zhuǎn)矩的擺轉(zhuǎn)，其擺轉(zhuǎn)角度行程可達(dá)到幾十度。其大多應(yīng)用于半導(dǎo)體加工、磁盤讀頭控制以及高響應(yīng)飛行控制領(lǐng)域。但是如果將搖擺音圈電機(jī)運(yùn)用于多自由度角度控制，即將普通搖擺音圈電機(jī)作為垂向角度執(zhí)行器時(shí)，其不可避免受到負(fù)載通過(guò)擺軸給電機(jī)帶來(lái)的自然重力矩這一額外負(fù)載，此時(shí)首先需要系統(tǒng)提供額外的轉(zhuǎn)矩用于抵消與轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)載重力矩。這意味著垂向擺動(dòng)電機(jī)將產(chǎn)生更多的能耗，也增大了控制的難度。通常的辦法是安裝彈簧件等用以平衡補(bǔ)償重力矩，但是該種方法會(huì)影響音圈電機(jī)本身的精度，仍有可能造成控制的誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種搖擺音圈電機(jī)，包括用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁極磁鋼以及設(shè)置于所述磁極磁鋼中的線圈，還包括設(shè)置于所述線圈中的重力矩補(bǔ)償磁鐵；在所述磁極磁鋼和線圈外部具有殼體，所述殼體的端面上設(shè)有開(kāi)口，所述殼體上位于所述開(kāi)口處設(shè)有端蓋。

可選的，所述的搖擺音圈電機(jī)還包括連接于所述線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)臂和連接所述轉(zhuǎn)動(dòng)臂的負(fù)載，所述重力矩補(bǔ)償磁鐵產(chǎn)生的補(bǔ)償力矩在所述轉(zhuǎn)動(dòng)臂的一搖擺角度范圍內(nèi)等于所述負(fù)載產(chǎn)生的重力矩。

可選的，通過(guò)控制所述重力矩補(bǔ)償磁鐵的尺寸和在所述線圈中的安裝位置，以使得所述補(bǔ)償力矩在所述轉(zhuǎn)動(dòng)臂的一搖擺角度范圍內(nèi)等于所述負(fù)載產(chǎn)生的重力矩。

可選的，控制所述重力矩補(bǔ)償磁鐵在所述線圈中的安裝位置的方法是，將所述重力矩補(bǔ)償磁鐵安裝于所述線圈的中心，再沿所述轉(zhuǎn)動(dòng)臂的搖擺半徑切向調(diào)整位置。

可選的，所述搖擺角度范圍為30°～60°。

可選的，所述磁極磁鋼具有兩層，所述線圈設(shè)置于兩側(cè)磁極磁鋼之間并能在所述磁極磁鋼之間轉(zhuǎn)動(dòng)。

可選的，所述的搖擺音圈電機(jī)還包括背鐵，環(huán)繞于所述磁極磁鋼的外側(cè)。

可選的，所述磁極磁鋼和所述背鐵的外表面均為弧形。

可選的，所述磁極磁鋼由高剩磁的釹鐵硼材料制成。

本發(fā)明還提供一種搖擺音圈電機(jī)的重力補(bǔ)償方法，所述搖擺音圈電機(jī)包括用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁極磁鋼以及設(shè)置于所述磁極磁鋼中的線圈，其特征在于，在所述線圈中設(shè)置重力矩補(bǔ)償磁鐵。

本發(fā)明提供的搖擺音圈電機(jī)以及與其對(duì)應(yīng)的重力補(bǔ)償方法。通過(guò)在線圈中的重力矩補(bǔ)償磁鐵，可在不影響搖擺音圈電機(jī)自身運(yùn)動(dòng)精度的條件下使搖擺音圈電機(jī)自身具有重力矩被動(dòng)補(bǔ)償功能；同時(shí)，可以有效減少其他用于補(bǔ)償重力矩的機(jī)械部件帶來(lái)的額外尺寸空間，有效精準(zhǔn)的補(bǔ)償重力矩，達(dá)到降低作為垂向角度執(zhí)行器時(shí)的搖擺音圈電機(jī)功耗，提高控制精度的目的。同時(shí)在所述磁極磁鋼和線圈外部具有殼體，在殼體的開(kāi)口處設(shè)置端蓋，可以避免灰塵進(jìn)入殼體內(nèi)部，提高了音圈電機(jī)工作過(guò)程中的可靠性。

附圖說(shuō)明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中搖擺音圈電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明一實(shí)施例所述搖擺音圈電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明一實(shí)施例所述搖擺音圈電機(jī)的充磁示意圖；

圖4為本發(fā)明一實(shí)施例所述搖擺音圈電機(jī)實(shí)現(xiàn)重力矩補(bǔ)償?shù)臋C(jī)械原理示意圖；

圖5為本發(fā)明一實(shí)施例所述搖擺音圈電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)臂旋轉(zhuǎn)角度與負(fù)載產(chǎn)生的重力力矩的關(guān)系圖。

圖6為本發(fā)明一實(shí)施例所述搖擺音圈電機(jī)的殼體和端蓋的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。根據(jù)下面說(shuō)明和權(quán)利要求書(shū)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征將更清楚。需說(shuō)明的是，附圖均采用非常簡(jiǎn)化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比率，僅用以方便、明晰地輔助說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的目的。

本發(fā)明提供一種搖擺音圈電機(jī)，如圖2所示，包括用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁極磁鋼以及設(shè)置于所述磁極磁鋼中的線圈1-103，還包括設(shè)置于所述線圈中的重力矩補(bǔ)償磁鐵1-104。在所述磁極磁鋼和線圈1-103外部具有殼體，所述殼體的端面上設(shè)有開(kāi)口，所述殼體上位于所述開(kāi)口處設(shè)有端蓋。

本發(fā)明的搖擺音圈電機(jī)利用搖擺音圈電機(jī)自身磁場(chǎng)特點(diǎn)，用嵌入線圈中的一塊偏置重力矩補(bǔ)償磁鐵產(chǎn)生額外的被動(dòng)轉(zhuǎn)矩，來(lái)達(dá)到在轉(zhuǎn)軸上平衡負(fù)載重力轉(zhuǎn)矩目的。其提供的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩可以較好的擬合不同擺動(dòng)角度下重力矩，從而節(jié)省了空間，也達(dá)到全行程對(duì)等補(bǔ)償重力轉(zhuǎn)矩的功效，也能提高搖擺電機(jī)在垂向角度驅(qū)動(dòng)的精度。

本實(shí)施例中搖擺音圈電機(jī)如圖2所示，1-102a、1-102b、1-102c、1-102d為磁極磁鋼，磁極磁鋼優(yōu)選的可以由高剩磁的釹鐵硼(NdFeB)材料制成。磁極磁鋼具有兩層，本實(shí)施例中分別是1-102b、1-102c層以及1-102a、1-102d層，所述線圈1-103設(shè)置于兩側(cè)磁極磁鋼之間并能在所述磁極磁鋼之間轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)，兩層磁極磁鋼的充磁方向垂直于磁極磁鋼表面，如圖3所示。搖擺音圈電機(jī)還包括由導(dǎo)磁材料制成的背鐵1-101a和1-101b，環(huán)繞于所述磁極磁鋼的外側(cè)。本實(shí)施例中，磁極磁鋼1-102a、1-102b、1-102c、1-102d和背鐵1-101a和1-101b的外表面均為弧形，線圈1-103能夠沿著該弧形磁極磁鋼的外表面轉(zhuǎn)動(dòng)。

背鐵連同磁極磁鋼構(gòu)成搖擺音圈電機(jī)的基本磁路結(jié)構(gòu)。線圈1-103在上述基本磁路結(jié)構(gòu)中通電，會(huì)受到擺動(dòng)弧線切向的洛倫茲力，形成擺動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

如圖4所示，本實(shí)施例中搖擺音圈電機(jī)還包括連接于所述線圈1-103的轉(zhuǎn)動(dòng)臂10和連接所述轉(zhuǎn)動(dòng)臂10的負(fù)載20，所述重力矩補(bǔ)償磁鐵1-104產(chǎn)生的補(bǔ)償力矩在所述轉(zhuǎn)動(dòng)臂10的一搖擺角度范圍內(nèi)等于所述負(fù)載20產(chǎn)生的重力矩。具體而言，重力矩補(bǔ)償磁鐵1-104在上述的磁路中會(huì)額外產(chǎn)生一個(gè)線圈1-103出力方向上的磁拉力，用于產(chǎn)生完全擬合負(fù)載20重力矩的一個(gè)補(bǔ)償力矩。如圖4所示，負(fù)載20所具有的一個(gè)重力為G_load，其對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)臂10的力臂長(zhǎng)度為l_mcosβ,所產(chǎn)生額外重力矩為G_loadl_mcosβ。以擺動(dòng)行程為30°＜β＜60°為例，需要重力矩補(bǔ)償磁鐵1-104產(chǎn)生的補(bǔ)償力矩F_cl_c在30°～60°的擺動(dòng)行程上可以任意角度與重力矩相等。

通過(guò)控制所述重力矩補(bǔ)償磁鐵1-104的尺寸和重力矩補(bǔ)償磁鐵1-104在所述線圈1-103中的安裝位置，即可使得所述補(bǔ)償力矩在所述轉(zhuǎn)動(dòng)臂10的一搖擺角度范圍內(nèi)等于所述負(fù)載產(chǎn)生的重力矩。

如前所述，負(fù)載20的重力矩為G_loadl_mcosβ，由此可見(jiàn)在轉(zhuǎn)動(dòng)臂10的旋轉(zhuǎn)半徑的切向產(chǎn)生的磁拉力矩與轉(zhuǎn)動(dòng)臂10的旋轉(zhuǎn)角度的對(duì)應(yīng)曲線為一個(gè)近似余弦或拋物線，如圖5所示，其中橫軸為轉(zhuǎn)動(dòng)臂10的旋轉(zhuǎn)角度，縱軸為負(fù)載20產(chǎn)生的重力力矩。繼續(xù)以轉(zhuǎn)動(dòng)臂10的搖擺角度范圍為30°＜β＜60°為例，在該角度范圍內(nèi)控制兩邊力矩相等的方法是，將重力矩補(bǔ)償磁鐵1-104在電機(jī)線圈1-103的中心安裝，調(diào)整磁鐵尺寸、將力矩補(bǔ)償磁鐵沿旋轉(zhuǎn)半徑切向微調(diào)偏置安裝Δx，可以調(diào)節(jié)磁拉力與旋轉(zhuǎn)角曲線的形狀，使得轉(zhuǎn)動(dòng)臂10在30°＜β＜60°的旋轉(zhuǎn)行程內(nèi)負(fù)載的重力力矩G_loadl_mcosβ＝F_c(β,Δx)l_c，即曲線上近似完全擬合搖擺電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的余弦狀重力矩。如圖5所示，在轉(zhuǎn)動(dòng)臂10的搖擺角度30°＜β＜60°的范圍內(nèi)，重力力矩的曲線(虛線)和重力矩補(bǔ)償磁鐵1-104產(chǎn)生的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩的曲線(實(shí)現(xiàn))基本重合，即實(shí)現(xiàn)了重力補(bǔ)償。

另外，在所述磁極磁鋼和線圈的外部具有設(shè)置有如圖6所示的殼體，所述殼體的端面上設(shè)有開(kāi)口，所述殼體上位于所述開(kāi)口處設(shè)有端蓋。為了避免灰塵進(jìn)入殼體100內(nèi)部，在殼體100上位于殼體100的開(kāi)口處設(shè)有端蓋200，通過(guò)設(shè)置端蓋200，端蓋200可以將殼體100的開(kāi)口封住，進(jìn)而可以避免灰塵進(jìn)入殼體100內(nèi)部，提高了音圈電機(jī)工作過(guò)程中的可靠性，端蓋200通過(guò)螺釘900固定設(shè)置在殼體100上，采用螺釘900實(shí)現(xiàn)端蓋200的固定，維修拆卸非常方便。

本發(fā)明提供的搖擺音圈電機(jī)以及與其對(duì)應(yīng)的重力補(bǔ)償方法。通過(guò)在線圈中的重力矩補(bǔ)償磁鐵，可在不影響搖擺音圈電機(jī)自身運(yùn)動(dòng)精度的條件下使搖擺音圈電機(jī)自身具有重力矩被動(dòng)補(bǔ)償功能；同時(shí)，可以有效減少其他用于補(bǔ)償重力矩的機(jī)械部件帶來(lái)的額外尺寸空間，有效精準(zhǔn)的補(bǔ)償重力矩，達(dá)到降低作為垂向角度執(zhí)行器時(shí)的搖擺音圈電機(jī)功耗，提高控制精度的目的。同時(shí)在所述磁極磁鋼和線圈外部具有殼體，在殼體的開(kāi)口處設(shè)置端蓋，可以避免灰塵進(jìn)入殼體內(nèi)部，提高了音圈電機(jī)工作過(guò)程中的可靠性。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包括這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。