本發(fā)明涉及電機控制領域，尤其涉及一種搖擺音圈電機及其重力補償方法。

背景技術：

音圈電機因其結構類似于喇叭的音圈而得名，其具有高頻響、高精度的特點。此類電機主要分為圓柱型音圈電機和擺動型音圈電機。擺動音圈電機(音圈馬達)是把TMES系列的音圈電機變彎，以滿足高性能的角度擺動的電機，這種類型的電機能提供最大擺動角度120度,最大扭力達到50N.m。擺動音圈電機典型的運用是激光的鏡面反射技術、回轉閥、阻尼器等等運用。它的市場包括半導體行業(yè)、自動化、工業(yè)、航空和航天工業(yè)領域。搖擺音圈電機SVCM普遍作為高精度擺動的執(zhí)行器，在半導體行業(yè)有著廣泛的應用，如磁盤讀頭的驅(qū)動模塊。

如圖1所示為最常見的搖擺音圈電機類型，包括搖擺軸1和搖擺電機2，其基本原理為在弧形區(qū)域的磁場中產(chǎn)生弧線切向的洛倫茲力，加上高精度的旋轉角度測量實現(xiàn)高精度大轉矩的擺轉，其擺轉角度行程可達到幾十度。其大多應用于半導體加工、磁盤讀頭控制以及高響應飛行控制領域。但是如果將搖擺音圈電機運用于多自由度角度控制，即將普通搖擺音圈電機作為垂向角度執(zhí)行器時，其不可避免受到負載通過擺軸給電機帶來的自然重力矩這一額外負載，此時首先需要系統(tǒng)提供額外的轉矩用于抵消與轉動負載重力矩。這意味著垂向擺動電機將產(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償重力矩，但是該種方法會影響音圈電機本身的精度，仍有可能造成控制的誤差。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種搖擺音圈電機，包括用于產(chǎn)生磁場的磁極磁鋼以及設置于所述磁極磁鋼中的線圈，還包括設置于所述線圈中的重力矩補償磁鐵；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有開口，所述殼體上位于所述開口處設有端蓋。

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

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

可選的，控制所述重力矩補償磁鐵在所述線圈中的安裝位置的方法是，將所述重力矩補償磁鐵安裝于所述線圈的中心，再沿所述轉動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，所述線圈設置于兩側磁極磁鋼之間并能在所述磁極磁鋼之間轉動。

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

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的重力補償方法，所述搖擺音圈電機包括用于產(chǎn)生磁場的磁極磁鋼以及設置于所述磁極磁鋼中的線圈，其特征在于，在所述線圈中設置重力矩補償磁鐵。

本發(fā)明提供的搖擺音圈電機以及與其對應的重力補償方法。通過在線圈中的重力矩補償磁鐵，可在不影響搖擺音圈電機自身運動精度的條件下使搖擺音圈電機自身具有重力矩被動補償功能；同時，可以有效減少其他用于補償重力矩的機械部件帶來的額外尺寸空間，有效精準的補償重力矩，達到降低作為垂向角度執(zhí)行器時的搖擺音圈電機功耗，提高控制精度的目的。同時在所述磁極磁鋼和線圈外部具有殼體，在殼體的開口處設置端蓋，可以避免灰塵進入殼體內(nèi)部，提高了音圈電機工作過程中的可靠性。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術中搖擺音圈電機的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明一實施例所述搖擺音圈電機的結構示意圖；

圖3為本發(fā)明一實施例所述搖擺音圈電機的充磁示意圖；

圖4為本發(fā)明一實施例所述搖擺音圈電機實現(xiàn)重力矩補償?shù)臋C械原理示意圖；

圖5為本發(fā)明一實施例所述搖擺音圈電機的轉動臂旋轉角度與負載產(chǎn)生的重力力矩的關系圖。

圖6為本發(fā)明一實施例所述搖擺音圈電機的殼體和端蓋的結構示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。根據(jù)下面說明和權利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準的比率，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實施例的目的。

本發(fā)明提供一種搖擺音圈電機，如圖2所示，包括用于產(chǎn)生磁場的磁極磁鋼以及設置于所述磁極磁鋼中的線圈1-103，還包括設置于所述線圈中的重力矩補償磁鐵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有開口，所述殼體上位于所述開口處設有端蓋。

本發(fā)明的搖擺音圈電機利用搖擺音圈電機自身磁場特點，用嵌入線圈中的一塊偏置重力矩補償磁鐵產(chǎn)生額外的被動轉矩，來達到在轉軸上平衡負載重力轉矩目的。其提供的補償轉矩可以較好的擬合不同擺動角度下重力矩，從而節(jié)省了空間，也達到全行程對等補償重力轉矩的功效，也能提高搖擺電機在垂向角度驅(qū)動的精度。

本實施例中搖擺音圈電機如圖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設置于兩側磁極磁鋼之間并能在所述磁極磁鋼之間轉動。此時，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。搖擺音圈電機還包括由導磁材料制成的背鐵1-101a和1-101b，環(huán)繞于所述磁極磁鋼的外側。本實施例中，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動。

背鐵連同磁極磁鋼構成搖擺音圈電機的基本磁路結構。線圈1-103在上述基本磁路結構中通電，會受到擺動弧線切向的洛倫茲力，形成擺動轉矩。

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

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

如前所述，負載20的重力矩為G_loadl_mcosβ，由此可見在轉動臂10的旋轉半徑的切向產(chǎn)生的磁拉力矩與轉動臂10的旋轉角度的對應曲線為一個近似余弦或拋物線，如圖5所示，其中橫軸為轉動臂10的旋轉角度，縱軸為負載20產(chǎn)生的重力力矩。繼續(xù)以轉動臂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，將重力矩補償磁鐵1-104在電機線圈1-103的中心安裝，調(diào)整磁鐵尺寸、將力矩補償磁鐵沿旋轉半徑切向微調(diào)偏置安裝Δx，可以調(diào)節(jié)磁拉力與旋轉角曲線的形狀，使得轉動臂10在30°＜β＜60°的旋轉行程內(nèi)負載的重力力矩G_loadl_mcosβ＝F_c(β,Δx)l_c，即曲線上近似完全擬合搖擺電機驅(qū)動負載的余弦狀重力矩。如圖5所示，在轉動臂10的搖擺角度30°＜β＜60°的范圍內(nèi)，重力力矩的曲線(虛線)和重力矩補償磁鐵1-104產(chǎn)生的補償轉矩的曲線(實現(xiàn))基本重合，即實現(xiàn)了重力補償。

另外，在所述磁極磁鋼和線圈的外部具有設置有如圖6所示的殼體，所述殼體的端面上設有開口，所述殼體上位于所述開口處設有端蓋。為了避免灰塵進入殼體100內(nèi)部，在殼體100上位于殼體100的開口處設有端蓋200，通過設置端蓋200，端蓋200可以將殼體100的開口封住，進而可以避免灰塵進入殼體100內(nèi)部，提高了音圈電機工作過程中的可靠性，端蓋200通過螺釘900固定設置在殼體100上，采用螺釘900實現(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以及與其對應的重力補償方法。通過在線圈中的重力矩補償磁鐵，可在不影響搖擺音圈電機自身運動精度的條件下使搖擺音圈電機自身具有重力矩被動補償功能；同時，可以有效減少其他用于補償重力矩的機械部件帶來的額外尺寸空間，有效精準的補償重力矩，達到降低作為垂向角度執(zhí)行器時的搖擺音圈電機功耗，提高控制精度的目的。同時在所述磁極磁鋼和線圈外部具有殼體，在殼體的開口處設置端蓋，可以避免灰塵進入殼體內(nèi)部，提高了音圈電機工作過程中的可靠性。

顯然，本領域的技術人員可以對發(fā)明進行各種改動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)明權利要求及其等同技術的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包括這些改動和變型在內(nèi)。