一种阵列式音圈电机线圈设计方法与流程

1.本发明涉及阵列式音圈电机技术领域，具体涉及一种阵列式音圈电机线圈设计方法。

背景技术：

2.由于阵列式音圈电机的各轴气隙较小，线圈匝数多，线圈厚度及表面平整度要控制在合适范围内。若线圈太厚，单边气隙太小，线圈运动时容易擦碰磁体；若线圈太薄，匝数和线径会降低，电机力矩性能会下降，因此，在阵列式音圈电机中，设计合适的线圈尺寸很重要。

技术实现要素：

3.针对阵列式音圈电机中线圈尺寸的设计问题，本技术提供一种阵列式音圈电机线圈设计方法，使设计的线圈不仅能够满足阵列式音圈电机输出力矩最大且具有最大的运动行程，还能够使线圈运行平稳无波动，也即是，线圈上下两个非有效边不受力或所受合力为零。
4.本发明采用的技术方案如下：
5.本发明提供一种阵列式音圈电机线圈设计方法，所述阵列式音圈电机的同轴气隙中至少包括两序列极性为异性的磁体，且同一序列中各磁体的极性朝向同一个方向，线圈被插入气隙中，线圈设计方法包括步骤：
6.根据阵列式音圈电机输出力矩最大且具有最大运动行程的需求设计线圈内孔长度和单边宽度之间的约束关系；
7.根据线圈运行平稳无波动的需求设计线圈宽度的约束关系；
8.根据所述约束关系设计合适的线圈尺寸。
9.进一步优选的，同轴气隙中最多设置p-1个线圈，其中，p为同轴气隙中磁体序列的个数，p≥2。
10.进一步优选的，使任意相邻两线圈的电流方向相反，相邻两线圈的连接方式为：两相邻线圈的绕线方向相反时，两线圈端子首尾相接；两相邻线圈的绕线方向相同时，两线圈端子首首或尾尾相接。
11.进一步优选的，所述根据阵列式音圈电机输出力矩最大且具有最大运动行程的需求设计线圈内孔长度和单边宽度之间的约束关系，具体包括：根据同轴气隙中同侧磁体的长度、磁体之间的间距设计线圈内孔长度和单边宽度之间的约束关系。
12.进一步优选的，所述线圈内孔长度和单边宽度满足如下约束关系：
13.a+c≤d≤1.5a+c-2t；其中，a为磁体的长度，c为两序列磁体之间的间距，d为线圈内孔长度，t为线圈的单边宽度。
14.进一步优选的，所述根据线圈运行平稳无波动的需求设计线圈宽度的约束关系，具体包括：根据磁体的宽度设计线圈的宽度。
15.进一步优选的，线圈的宽度满足如下约束关系：
16.f》b，其中，f为线圈宽度，b为磁体宽度。
17.进一步优选的，还包括计算线圈有效边等效长度的步骤：进一步优选的，还包括计算线圈有效边等效长度的步骤：其中，le为线圈有效边等效长度，m为线圈内孔底面距离磁体底面之间的高度，n为线圈内孔顶面距离磁体顶部端面之间的高度，h为线圈有效边内孔高度，t为线圈单边宽度。
18.进一步优选的，还包括根据同轴气隙中相邻磁体之间的气隙长度设计线圈厚度的步骤。
19.依据上述实施例的阵列式音圈电机线圈设计方法，由于根据阵列式音圈电机输出力矩最大且具有最大运动行程的需求设计线圈内孔长度和单边宽度之间的约束关系；及根据线圈运行平稳无波动的需求设计线圈宽度的约束关系；使得根据约束关系设计的线圈不仅能够满足阵列式音圈电机输出力矩最大且具有最大的运动行程，还能够使线圈运行平稳无波动，也即是，线圈上下两个非有效边不受力或所受合力为零。
附图说明
20.图1为阵列式音圈电机示意图；
21.图2为同轴气隙两序列磁体示意图；
22.图3为两序列磁体与单线圈配合使用示意图；
23.图4为同轴气隙三序列磁体示意图；
24.图5为三序列磁体与两线圈配合使用示意图；
25.图6为同轴气隙四序列磁体示意图；
26.图7为四序列磁体与三线圈配合使用示意图；
27.图8为同轴气隙多序列磁体示意图；
28.图9为多序列磁体与多线圈配合使用示意图；
29.图10为两相邻线圈的绕线方向相反时两线圈连接方式示意图；
30.图11为两相邻线圈的绕线方向相同时两线圈连接方式示意图；
31.图12为阵列式音圈电机线圈设计流程图；
32.图13为线圈尺寸约束关系示意图；
33.图14为线圈有效边等效长度示意图。
具体实施方式
34.下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
35.阵列式音圈电机示意图如图1所示，包括两序列极性为异性的磁体1，且同一序列中各磁体1的极性朝向同一个方向，线圈2被插入气隙中，由图1可知，阵列音圈电机的各轴气隙较小，线圈匝数多，线圈厚度及表面平整度要控制在合适范围内。若线圈太厚，单边气隙太小，线圈运动时容易擦碰磁钢；若线圈太薄，匝数和线径会降低，电机力矩性能会下降，设计合适的线圈尺寸很重要；基于此，本技术提供一种阵列式音圈电机线圈设计方法，该阵列式音圈电机的同轴气隙中至少包括两序列极性为异性的磁体，且同一序列中各磁体的极
性朝向同一个方向。例如，同轴气隙中包括p个序列极性为异性的磁体，则同轴气隙中最多设置p-1个线圈，其中，p≥2。
36.下面对同轴气隙中包括的磁体序列的个数及设置的线圈个数的情况进行举例说明。
37.如图2和图3所示，同轴气隙中设置两序列磁体，及该两序列磁体与单个线圈配合使用。
38.如图4和图5所示，同轴气隙中设置三序列磁体，及该三序列磁体与两个线圈配合使用。
39.如图6和图7所示，同轴气隙中设置四序列磁体，及该四序列磁体与三个线圈配合使用。
40.如图8和图9所示，同轴气隙中设置多序列磁体，及该多序列磁体与多个线圈配合使用。
41.通过上述列举的多序列磁体与多线圈配合使用的情况可知，同轴气隙多片永磁体序列与线圈配合使用时，永磁体与线圈及其之间的约束关系：永磁体序列为p片时，对应的线圈序列个数最多为p-1个，且p≥2。
42.进一步，多个线圈排列时，线圈间电流方向约束关系为，任意相邻两线圈的电流方向相反(电流方向是指顺时针环流或逆时针环流)，为保证两线圈之间的电流方向相反，线圈间连接方式如下：
43.1)两相邻线圈的绕线方向相反时，两线圈端子首尾相接，如图10所示；
44.2)两相邻线圈的绕线方向相同时，两线圈端子首首或尾尾相接，如图11所示。
45.在实际应用中，可根据阵列式音圈电机的特点，结合应用需求，选取合适的永磁体序列和线圈配合：同层气隙中，
①
若线圈数量(包括线圈匝数或个数)不变，增加永磁体序列个数时，则电机输出的力矩性能不改变，电机线圈动子的行程会提高；
②
若永磁序列不变，增加线圈个数，则电机的推力会提高，行程会缩短；
③
若永磁序列不变，增加线圈匝数，则电机的推力会提高，行程不变。
46.下面对本技术提供的阵列式音圈电机线圈设计方法进行详细说明，其流程图如图12所示，具体包括以下步骤。
47.s100：根据阵列式音圈电机输出力矩最大且具有最大运动行程的需求设计线圈内孔长度和单边宽度之间的约束关系。
48.在该步骤中具体包括：根据同轴气隙中同侧磁体的长度、磁体之间的间距设计线圈内孔长度和单边宽度之间的约束关系。
49.进一步，结合图13，线圈内孔长度和单边宽度满足如下约束关系：
50.a+c≤d≤1.5a+c-2t；其中，a为磁体的长度，c为两序列磁体之间的间距，d为线圈内孔长度，t为线圈的单边宽度。
51.s200：根据线圈运行平稳无波动的需求设计线圈宽度的约束关系。
52.在该步骤中具体包括根据磁体的宽度设计线圈的宽度，请继续参考图13，线圈的宽度满足如下约束关系：
53.f》b，其中，f为线圈宽度，b为磁体宽度。
54.进一步，还包括计算线圈有效边等效长度的步骤，具体根据如下公式计算线圈有
效边等效长度，示意图如图14所示：
[0055][0056]
其中，le为线圈有效边等效长度，m为线圈内孔底面距离磁体底面之间的高度，n为线圈内孔顶面距离磁体顶部端面之间的高度，h为线圈有效边内孔高度，t为线圈单边宽度。
[0057]
在本技术中，优选f》b，这种设计方式，在纵向方向上，线圈的几何中心线可以稍微偏离磁体的几何中心线，但须使线圈上下两个非有效边均不进入磁场区域。
[0058]
在其他实施例中，也可以选择f≤b，这种设计方式，在纵向方向上，线圈的几何中心线要与磁体的几何中心线一致。
[0059]
s300：根据约束关系设计合适的线圈尺寸。
[0060]
进一步，还包括根据同轴气隙中相邻磁体之间的气隙长度设计线圈厚度的步骤，在本技术中，磁体厚度为1mm-3mm，相邻磁体之间的气隙长度为线圈厚度与其单边运动调整间隙之和，单边运动调整间隙为0.2mm-0.8mm，线圈的厚度为0.8mm-1.5mm。
[0061]
进一步，基于线圈有效边等效长度的计算公式，可计算出现有方案的线圈有效边长度为35.3mm。采用该线圈有效边计算长度，算得的推力与实测数据基本一致。
[0062]
通过上述步骤s100-s300能够设计出合理的线圈尺寸，由于根据阵列式音圈电机输出力矩最大且具有最大运动行程的需求设计线圈内孔长度和单边宽度之间的约束关系；及根据线圈运行平稳无波动的需求设计线圈宽度的约束关系；使得根据约束关系设计的线圈不仅能够满足阵列式音圈电机输出力矩最大且具有最大的运动行程，还能够使线圈运行平稳无波动，也即是，线圈上下两个非有效边不受力或所受合力为零。
[0063]
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

技术特征：

1.一种阵列式音圈电机线圈设计方法，其特征在于，所述阵列式音圈电机的同轴气隙中至少包括两序列极性为异性的磁体，且同一序列中各磁体的极性朝向同一个方向，线圈被插入气隙中，线圈设计方法包括步骤：根据阵列式音圈电机输出力矩最大且具有最大运动行程的需求设计线圈内孔长度和单边宽度之间的约束关系；根据线圈运行平稳无波动的需求设计线圈宽度的约束关系；根据所述约束关系设计合适的线圈尺寸。2.如权利要求1所述的阵列式音圈电机线圈设计方法，其特征在于，同轴气隙中最多设置p-1个线圈，其中，p为同轴气隙中磁体序列的个数，p≥2。3.如权利要求2所述的阵列式音圈电机线圈设计方法，其特征在于，为使任意相邻两线圈的电流方向相反，相邻两线圈的连接方式为：两相邻线圈的绕线方向相反时，两线圈端子首尾相接；两相邻线圈的绕线方向相同时，两线圈端子首首或尾尾相接。4.如权利要求1所述的阵列式音圈电机线圈设计方法，其特征在于，所述根据阵列式音圈电机输出力矩最大且具有最大运动行程的需求设计线圈内孔长度和单边宽度之间的约束关系，具体包括：根据同轴气隙中同侧磁体的长度、磁体之间的间距设计线圈内孔长度和单边宽度之间的约束关系。5.如权利要求4所述的阵列式音圈电机线圈设计方法，其特征在于，所述线圈内孔长度和单边宽度满足如下约束关系：a+c≤d≤1.5a+c-2t；其中，a为磁体的长度，c为两序列磁体之间的间距，d为线圈内孔长度，t为线圈的单边宽度。6.如权利要求1所述的阵列式音圈电机线圈设计方法，其特征在于，所述根据线圈运行平稳无波动的需求设计线圈宽度的约束关系，具体包括：根据磁体的宽度设计线圈的宽度。7.如权利要求6所述的阵列式音圈电机线圈设计方法，其特征在于，线圈的宽度满足如下约束关系：f>b，其中，f为线圈宽度，b为磁体宽度。8.如权利要求7所述的阵列式音圈电机线圈设计方法，其特征在于，还包括计算线圈有效边等效长度的步骤：其中，l
e
为线圈有效边等效长度，m为线圈内孔底面距离磁体底面之间的高度，n为线圈内孔顶面距离磁体顶部端面之间的高度，h为线圈有效边内孔高度，t为线圈单边宽度。9.如权利要求1所述的阵列式音圈电机线圈设计方法，其特征在于，还包括根据同轴气隙中相邻磁体之间的气隙长度设计线圈厚度的步骤。

技术总结

一种阵列式音圈电机线圈设计方法，阵列式音圈电机的同轴气隙中至少包括两序列极性为异性的磁体，且同一序列中各磁体的极性朝向同一个方向，线圈被插入气隙中，线圈设计方法包括步骤：根据阵列式音圈电机输出力矩最大且具有最大运动行程的需求设计线圈内孔长度和单边宽度之间的约束关系；根据线圈运行平稳无波动的需求设计线圈宽度的约束关系；根据约束关系设计合适的线圈尺寸。设计的线圈不仅能够满足阵列式音圈电机输出力矩最大且具有最大的运动行程，还能够使线圈运行平稳无波动，也即是，线圈上下两个非有效边不受力或所受合力为零。零。零。