摇摆音圈电机及其重力补偿方法与流程

本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种摇摆音圈电机及其重力补偿方法。

背景技术：

音圈电机因其结构类似于喇叭的音圈而得名，其具有高频响、高精度的特点。此类电机主要分为圆柱型音圈电机和摆动型音圈电机。摆动音圈电机(音圈马达)是把TMES系列的音圈电机变弯，以满足高性能的角度摆动的电机，这种类型的电机能提供最大摆动角度120度,最大扭力达到50N.m。摆动音圈电机典型的运用是激光的镜面反射技术、回转阀、阻尼器等等运用。它的市场包括半导体行业、自动化、工业、航空和航天工业领域。摇摆音圈电机SVCM普遍作为高精度摆动的执行器，在半导体行业有着广泛的应用，如磁盘读头的驱动模块。

如图1所示为最常见的摇摆音圈电机类型，包括摇摆轴1和摇摆电机2，其基本原理为在弧形区域的磁场中产生弧线切向的洛伦兹力，加上高精度的旋转角度测量实现高精度大转矩的摆转，其摆转角度行程可达到几十度。其大多应用于半导体加工、磁盘读头控制以及高响应飞行控制领域。但是如果将摇摆音圈电机运用于多自由度角度控制，即将普通摇摆音圈电机作为垂向角度执行器时，其不可避免受到负载通过摆轴给电机带来的自然重力矩这一额外负载，此时首先需要系统提供额外的转矩用于抵消与转动负载重力矩。这意味着垂向摆动电机将产生更多的能耗，也增大了控制的难度。通常的办法是安装弹簧件等用以平衡补偿重力矩，但是该种方法会影响音圈电机本身的精度，仍有可能造成控制的误差。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种摇摆音圈电机，包括用于产生磁场的磁极磁钢以及设置于所述磁极磁钢中的线圈，还包括设置于所述线圈中的重力矩补偿磁铁；在所述磁极磁钢和线圈外部具有壳体，所述壳体的端面上设有开口，所述壳体上位于所述开口处设有端盖。

可选的，所述的摇摆音圈电机还包括连接于所述线圈的转动臂和连接所述转动臂的负载，所述重力矩补偿磁铁产生的补偿力矩在所述转动臂的一摇摆角度范围内等于所述负载产生的重力矩。

可选的，通过控制所述重力矩补偿磁铁的尺寸和在所述线圈中的安装位置，以使得所述补偿力矩在所述转动臂的一摇摆角度范围内等于所述负载产生的重力矩。

可选的，控制所述重力矩补偿磁铁在所述线圈中的安装位置的方法是，将所述重力矩补偿磁铁安装于所述线圈的中心，再沿所述转动臂的摇摆半径切向调整位置。

可选的，所述摇摆角度范围为30°～60°。

可选的，所述磁极磁钢具有两层，所述线圈设置于两侧磁极磁钢之间并能在所述磁极磁钢之间转动。

可选的，所述的摇摆音圈电机还包括背铁，环绕于所述磁极磁钢的外侧。

可选的，所述磁极磁钢和所述背铁的外表面均为弧形。

可选的，所述磁极磁钢由高剩磁的钕铁硼材料制成。

本发明还提供一种摇摆音圈电机的重力补偿方法，所述摇摆音圈电机包括用于产生磁场的磁极磁钢以及设置于所述磁极磁钢中的线圈，其特征在于，在所述线圈中设置重力矩补偿磁铁。

本发明提供的摇摆音圈电机以及与其对应的重力补偿方法。通过在线圈中的重力矩补偿磁铁，可在不影响摇摆音圈电机自身运动精度的条件下使摇摆音圈电机自身具有重力矩被动补偿功能；同时，可以有效减少其他用于补偿重力矩的机械部件带来的额外尺寸空间，有效精准的补偿重力矩，达到降低作为垂向角度执行器时的摇摆音圈电机功耗，提高控制精度的目的。同时在所述磁极磁钢和线圈外部具有壳体，在壳体的开口处设置端盖，可以避免灰尘进入壳体内部，提高了音圈电机工作过程中的可靠性。

附图说明

图1为现有技术中摇摆音圈电机的结构示意图；

图2为本发明一实施例所述摇摆音圈电机的结构示意图；

图3为本发明一实施例所述摇摆音圈电机的充磁示意图；

图4为本发明一实施例所述摇摆音圈电机实现重力矩补偿的机械原理示意图；

图5为本发明一实施例所述摇摆音圈电机的转动臂旋转角度与负载产生的重力力矩的关系图。

图6为本发明一实施例所述摇摆音圈电机的壳体和端盖的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明提供一种摇摆音圈电机，如图2所示，包括用于产生磁场的磁极磁钢以及设置于所述磁极磁钢中的线圈1-103，还包括设置于所述线圈中的重力矩补偿磁铁1-104。在所述磁极磁钢和线圈1-103外部具有壳体，所述壳体的端面上设有开口，所述壳体上位于所述开口处设有端盖。

本发明的摇摆音圈电机利用摇摆音圈电机自身磁场特点，用嵌入线圈中的一块偏置重力矩补偿磁铁产生额外的被动转矩，来达到在转轴上平衡负载重力转矩目的。其提供的补偿转矩可以较好的拟合不同摆动角度下重力矩，从而节省了空间，也达到全行程对等补偿重力转矩的功效，也能提高摇摆电机在垂向角度驱动的精度。

本实施例中摇摆音圈电机如图2所示，1-102a、1-102b、1-102c、1-102d为磁极磁钢，磁极磁钢优选的可以由高剩磁的钕铁硼(NdFeB)材料制成。磁极磁钢具有两层，本实施例中分别是1-102b、1-102c层以及1-102a、1-102d层，所述线圈1-103设置于两侧磁极磁钢之间并能在所述磁极磁钢之间转动。此时，两层磁极磁钢的充磁方向垂直于磁极磁钢表面，如图3所示。摇摆音圈电机还包括由导磁材料制成的背铁1-101a和1-101b，环绕于所述磁极磁钢的外侧。本实施例中，磁极磁钢1-102a、1-102b、1-102c、1-102d和背铁1-101a和1-101b的外表面均为弧形，线圈1-103能够沿着该弧形磁极磁钢的外表面转动。

背铁连同磁极磁钢构成摇摆音圈电机的基本磁路结构。线圈1-103在上述基本磁路结构中通电，会受到摆动弧线切向的洛伦兹力，形成摆动转矩。

如图4所示，本实施例中摇摆音圈电机还包括连接于所述线圈1-103的转动臂10和连接所述转动臂10的负载20，所述重力矩补偿磁铁1-104产生的补偿力矩在所述转动臂10的一摇摆角度范围内等于所述负载20产生的重力矩。具体而言，重力矩补偿磁铁1-104在上述的磁路中会额外产生一个线圈1-103出力方向上的磁拉力，用于产生完全拟合负载20重力矩的一个补偿力矩。如图4所示，负载20所具有的一个重力为G_load，其对于转动臂10的力臂长度为l_mcosβ,所产生额外重力矩为G_loadl_mcosβ。以摆动行程为30°＜β＜60°为例，需要重力矩补偿磁铁1-104产生的补偿力矩F_cl_c在30°～60°的摆动行程上可以任意角度与重力矩相等。

通过控制所述重力矩补偿磁铁1-104的尺寸和重力矩补偿磁铁1-104在所述线圈1-103中的安装位置，即可使得所述补偿力矩在所述转动臂10的一摇摆角度范围内等于所述负载产生的重力矩。

如前所述，负载20的重力矩为G_loadl_mcosβ，由此可见在转动臂10的旋转半径的切向产生的磁拉力矩与转动臂10的旋转角度的对应曲线为一个近似余弦或抛物线，如图5所示，其中横轴为转动臂10的旋转角度，纵轴为负载20产生的重力力矩。继续以转动臂10的摇摆角度范围为30°＜β＜60°为例，在该角度范围内控制两边力矩相等的方法是，将重力矩补偿磁铁1-104在电机线圈1-103的中心安装，调整磁铁尺寸、将力矩补偿磁铁沿旋转半径切向微调偏置安装Δx，可以调节磁拉力与旋转角曲线的形状，使得转动臂10在30°＜β＜60°的旋转行程内负载的重力力矩G_loadl_mcosβ＝F_c(β,Δx)l_c，即曲线上近似完全拟合摇摆电机驱动负载的余弦状重力矩。如图5所示，在转动臂10的摇摆角度30°＜β＜60°的范围内，重力力矩的曲线(虚线)和重力矩补偿磁铁1-104产生的补偿转矩的曲线(实现)基本重合，即实现了重力补偿。

另外，在所述磁极磁钢和线圈的外部具有设置有如图6所示的壳体，所述壳体的端面上设有开口，所述壳体上位于所述开口处设有端盖。为了避免灰尘进入壳体100内部，在壳体100上位于壳体100的开口处设有端盖200，通过设置端盖200，端盖200可以将壳体100的开口封住，进而可以避免灰尘进入壳体100内部，提高了音圈电机工作过程中的可靠性，端盖200通过螺钉900固定设置在壳体100上，采用螺钉900实现端盖200的固定，维修拆卸非常方便。

本发明提供的摇摆音圈电机以及与其对应的重力补偿方法。通过在线圈中的重力矩补偿磁铁，可在不影响摇摆音圈电机自身运动精度的条件下使摇摆音圈电机自身具有重力矩被动补偿功能；同时，可以有效减少其他用于补偿重力矩的机械部件带来的额外尺寸空间，有效精准的补偿重力矩，达到降低作为垂向角度执行器时的摇摆音圈电机功耗，提高控制精度的目的。同时在所述磁极磁钢和线圈外部具有壳体，在壳体的开口处设置端盖，可以避免灰尘进入壳体内部，提高了音圈电机工作过程中的可靠性。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。