CN101009455B - 长行程大推力永磁式无刷直线直流电动机 - Google Patents

Abstract

一种长行程大推力永磁式无刷直线直流电动机，包含有定子部件、动子部件以及电动机的位置和速度控制系统。定子部件由永磁体(3)和磁轭(2)组成，导磁体(5)通过燕尾槽结构与支架(1)固连，两个通以不同方向电流的线圈绕组(4)绕于其上，构成了动子部件。本发明采用双边定子的结构，消除了单边磁拉力，且具有推力大、行程长、动子重量轻、无接触运行且成本低廉等特点，适用于普通型数控机床进给系统、采用气浮或磁浮导轨的特殊数控机床进给系统以及其它要求高速及高加速度的直线进给系统。

Description

长行程大推力永磁式无刷直线直流电动机 

技术领域

本发明涉及一种直线直流电动机，特别是一种可实现高速及高加速度进给的长行程大推力永磁式无刷直线直流电动机，适用于普通型数控机床进给系统、采用气浮或磁浮导轨的特殊数控机床进给系统以及其它要求高速及高加速度的直线进给系统。 

背景技术

直线电动机是从旋转电动机演化而来的，它是一种将电能直接转换成直线运动的装置。与旋转电动机相对应，直线电动机有直线感应电动机、直线同步电动机、直线直流电动机以及直线步进电动机等。 

其中，直线直流电动机采用直流供电，它与直线交流电动机相比，明显的优点是：运行效率高，没有功率因素低的问题，且控制比较方便、灵活。直线直流电动机和闭环控制系统结合在一起，可精密地控制位移，其速度和加速度控制范围广，调速的平滑性好，因而具有广阔的应用前景。 

普通直流直线电动机的换相作用需要电刷来完成，但有刷直流直线电动机不管是电励磁还是永磁励磁，其工作行程都不宜太长，且有接触火花干扰电子设备。音圈直流直线电动机不需要电刷，但是当其动圈长度不变时，增加行程必须增加永磁体轴向长度才能保持电机有恒定推力。磁钢越长，汇聚到电机内心柱磁通越多，这就加剧了内心柱磁通密度的饱和程度，从而造成漏磁通增加，因此也不宜做得太长。长行程的直线直流电动机一般都采用无刷结构，但是由于气隙磁通交替变化，要获得一定方向的推力，线圈绕组中电流方向必须频繁换向，从而加大了控制电路的复杂程度。 

鉴于此，有必要开发行程长、推力大、易于控制且成本低廉的无刷直流直线电动机。使其可以在一定条件下取代价格昂贵的直线感应电动机和直线同步电动机，以促进直线电动机驱动的普及化。 

发明内容

本发明的目的就是要提供一种动子重量轻、无单边磁拉力、控制方便、成本低的，且行程不受限、推力足够大、无电刷换向的直线直流电动机。 

为实现此目的，本发明采用如下技术方案： 

一种长行程大推力永磁式无刷直线直流电动机，在结构上可分为动子部件和定子部件两部分。动子部件包括线圈绕组、绕组支架以及导磁体。定子部件包括永磁体、磁轭以及连接螺栓等。其中动子部件的四块导磁体两两相对，并通过燕尾槽结构固连于绕组支架上，两个通以不同方向的电流的线圈绕组绕于导磁体上；定子部件的四块长条形永磁体分成两组，每组的两块长条形永磁体固定在一块磁轭上，磁轭采用20钢，以提高导磁能力，而且各永磁体分别与各导磁体正对安装；动子部件的中心平面与定子部件的对称中心平面重合(保持在一定精度范围内)；动子部件的线圈绕组和定子部件的永磁体之间保持1～2毫米的间隙。 

上述的长行程大推力永磁式无刷直线直流电动机的动子部件的结构特点还在于：动子部件的四块导磁体上都开有沿纵向均匀分布的槽，每侧的上下两块导磁体上的槽形相同，槽口相对，未开槽的部分相接触，线圈绕组的导线逐槽连续绕行且导线堆积高度低于槽深，从而避免了线圈绕组在电磁力的作用下挤在一起，减少了漏磁，同时也使得上下两块导磁体之间的线圈绕组部分不受磁场的作用，避免了反向电磁力的产生，提高了效率；线圈绕组的导线采用铝导线，绕组支架用铝基复合材料制成，这都是为了减轻动子的重量；动子导磁体采用导磁性能较好的Ni-Zn软磁铁氧体，这是为了在保证较好的导磁性能的前提下，尽量提高其电阻率，以减少电机运行时由于反向感应电动势引起的感应电流，从而减少反向电磁力；线圈绕组的匝数和动子部件的纵向长度均可增加，从而 可以提高电动机的电磁推力；线圈绕组的导线可沿附图3所示的两种轨迹绕行，可看出导线基本上是竖直的，当导线中通以电流时，在横向磁场的作用下，沿竖直方向的电磁分力相互抵消，故导线只受到沿纵向的电磁力，改变线圈绕组中的电流方向即可改变电机动子的受力方向，从而改变电机动子的运动方向。此外，由于本发明中作用于两个线圈绕组的磁场方向相反，所以为了获得方向一致的电磁推力，动子部件的两个线圈绕组中的电流方向也必须相反，即若上面线圈绕组的电流方向为顺时针时，下面线圈绕组中的电流方向为逆时针。 

上述的长行程大推力永磁式无刷直线直流电动机的定子部件的结构特点还在于：定子部件的四块长条形永磁体都是由若干小块NdFeB永磁体沿纵向连续排列而成的，且上面两块长条形永磁体中的小块NdFeB永磁体要么所有的N极都指向动子，要么所有的S极都指向动子，且下面两块长条形永磁体指向动子的极面与上面两块长条形永磁体指向动子的极面相反。这样一来，如图1所示，使磁力线通过永磁体、定子磁轭、气隙、线圈绕组和动子导磁体在动子的双侧各自形成磁回路，从而使定子磁轭不存在磁饱和的问题，保证了作用于线圈绕组的磁场的方向和强度沿纵向不变，所以本发明的定子长度不受任何限制，理论上可作到无限长，可实现电机的长行程运行。 

上述的长行程大推力永磁式无刷直线直流电动机与现有的无刷直线直流电动机的主要区别在于：现有的无刷直线直流电动机的定子由两块磁轭6、8和沿动子运行方向极性交替排列的永磁体7组成，如附图5所示，当电机动子沿某一方向运动时，由于气隙间磁场方向交替变化，必须设计专门的电子电路来实现换向。而本发明中作用于线圈绕组的磁场的方向沿电机动子运行方向不变化，所以本发明在不需要控制电路对动子线圈绕组中电流进行换向的前提下，也可实现单方向运行，且不存在由于磁场变化引起的推力波动问题。 

本发明给出了一种有效减少长行程大推力永磁式无刷直线直流电动机运行时的反向电磁力的方法，该方法包括两个措施，其一：在动子导磁体上开槽，每一侧的上下两块导磁体上的槽形相同，槽口相对，未开 槽的部分相接触，线圈绕组的导线绕在槽中，从而使磁力线沿导磁体上未开槽的部位流过，而处在槽中的导线不受磁场的作用，这就避免了此处导线通电时产生反向电磁力，该措施使电机推力增大约20％；其二：动子部件上的导磁体采用Ni-Zn软磁铁氧体制成，该材料导磁性能好，电阻率极高，因此电机运行时，在导磁体中，由反向电动势产生的反向电流几乎为零，从而有效地减小了反向电磁力。 

本发明还给出了一种实现直流直线电机长行程运行且在单向运行时不需要电刷或电子电路换向的方法，该方法包括以下措施：定子部件采用双边对称结构，而且每边定子设置上下两块长条形永磁体和一块磁轭，每块长条形永磁体都由若干小块NdFeB永磁体沿纵向连续排列而成；对于双边定子的四块长条形永磁体而言，上面两块长条形永磁体中的小块NdFeB永磁体要么所有的N极都指向动子，要么所有的S极都指向动子，且要保证下面两块长条形永磁体指向动子的极面与上面两块长条形永磁体指向动子的极面相反；在线圈绕组的后面安置导磁体，使磁力线通过永磁体、定子磁轭、气隙、线圈绕组和动子导磁体在动子的双侧各自形成磁回路，从而使定子磁轭不存在磁饱和的问题，动子长度不受限，动子导线处的磁场沿纵向无变化，所以当电机动子部件沿单方向运行时，是不需要电刷或电子电路换向的；在动子部件上设置两个线圈绕组，且两个线圈绕组中通以方向相反的电流，即若上面线圈绕组的电流方向为顺时针时，下面线圈绕组中的电流方向为逆时针，使两个线圈绕组所受的电磁力沿同一方向。上述措施共同作用，使得直流直线电机的定子的长度不受限制，实现电机动子的长行程运行，同时也使电机在不需要电刷或电子电路换向的条件下就可实现单方向运行。 

本发明长行程大推力永磁式无刷直线直流电动机控制系统如图1所示，主要包括DSP主控制器、光电隔离电路、A/D及D/A装换装置、霍尔电流传感器、光栅检测系统以及驱动器。控制系统采用主从结构，以PC作为上位机，以DSP芯片为直流直线电机核心控制器。上位机利用Delphi来开发与DSP的异步串行通讯，以便进行命令的发送和实时监控。下位机DSP主要完成闭环系统数据的采集和控制算法。此外，控制系统的电流逆变 功能由H型桥式斩波驱动器完成，直线电机的位置及速度调节都由软件实现。 

附图说明

附图1为本发明的机械结构主视示意图。 

附图2为本发明的机械结构A-A向示意图。 

附图3为本发明的动子上导磁体的槽形和线圈绕组导线绕制方式示意图。 

附图4为本发明的动子上导磁体中的磁场分布情况示意图。 

附图5为传统的无刷直线直流电动机的定子结构及磁场分布示意图。 

附图6为本发明的电磁推力产生原理示意图。 

附图7为本发明的一种应用实例示意图。 

附图8为本发明的控制系统方框图。 

具体实施方式

本发明长行程大推力永磁式无刷直线直流电动机的驱动原理如图6所示，线圈绕组的导线沿与磁场垂直的方向放置，当导线中通以电流时，导线将受到如图所示的电磁力的作用，此电磁力即为本发明的推力，其大小可根据公式F＝NBIL得出，其中N为线圈的匝数，B为磁场强度，I为导线中的电流强度，L为单匝线圈绕组在磁场中的有效长度。 

本发明采用光栅检测系统检测电机动子位移和速度，具体原理为：光栅检测系统输出两路相位相差90°的方波脉冲信号，经整形后送入DSP的两个QEP引脚，之后定时器对两个QEP引脚上的正交脉冲进行解码和计数，而且是对两路正交脉冲的上升和下降沿都进行计数，其频率为正交脉冲信号的4倍。通过计算正交脉冲的数目就可测量直线电机的当前位移值。同时，通过检测四倍频信号的频率可得到电机动子的速度。此外，通过两路脉冲的相位差还可判断出电机动子的运动方向。 

本发明的动子位置和速度调节都在DSP中通过软件实现，具体原理为：如图7所示，系统采用串级控制，分为电流环、速度环和位置环。给定位移量与当前位置反馈量的偏差作为位置调节模块的输入，用以确定速度给定值，速度给定值与速度反馈值的偏差电压作为速度调节模块的输入，经过运算处理后得到电流给定值，电流给定值与电流反馈作偏差得到电流调节模块的输入，经过运算处理后得到控制电压，而后由软件生成两路的PWM信号经芯片管脚输出，再经过光电隔离送到H型桥式斩波驱动器，最后由驱动器产生的控制电压加到电机的线圈绕组上，通过调节PWM脉冲宽度就可以控制直线电机的位移与速度。 

本发明给出的只是电机的主要部件，即电机动子部件和动子部件，在实际应用时，需配置相应的辅助设备，图7为一优选实例，电机的双边定子部件通过螺栓对称地固连于基座10的两条导轨11的侧面，电机的动子部件固定在移动平台13下方，且须保证动子部件的中心线与双边定子部件的对称中心线重合(控制在一定精度范围内)，导轨11与移动平台13之间的支撑12可采用接触导轨、液体/气体静压导轨或磁悬浮导轨的支撑方式。光栅检测系统可根据具体情况固定在移动平台13和基座10上。此外，当电机垂直使用时，还应有相应的导轨急锁装置和配重来平衡电机动子和移动平台的重力，以避免突然断电或停机时电机动子和移动平台13下落。 

本发明的具体工作过程是这样的：用户在上位机上输入预定的速度值和位置值，上位机将该指令发给DSP主控制器，DSP经过运算处理后，通过光电隔离和驱动器将控制电压加到电机动子部件的线圈绕组上。竖直绕行的线圈绕组得电后，在永磁体的磁场作用下，将受到沿纵向的电磁力，该电磁力即本发明长行程大推力永磁式无刷直线直流电动机的推力。在此过程中，光栅检测系统、和霍尔电流传感器实时检测并反馈，位置环、速度环和电流环不断地进行调节，从而使直线电机动子以指定的速度运动到指定位置。此外，由于定子部件的四块永磁体的极性沿纵向无变化，所以类似于音圈直线电机，本发明的动子部件在单方向运行时不需要电刷或电子换向电路频繁换向，而只在电机反向运动时需改变线圈绕组中的电流方向，且该功能由H型桥式斩波驱动器实现。值得一提的是，数字DSP控制器并非连续不断而是以很短的时间间隔断续地对偏差信号做出控制反应的，这一点在电机动子定位后尤为明显，通过光栅数显系统就可观测出直线电机动子不是绝对精确地定位在某一指定位置，而是在此位置附近作微小颤动，通过调节电机的PID控制参数可将该颤动控制在精度要求的范围内，最高精度可达微米级。 

Claims (4)

1.一种长行程大推力永磁式无刷直线直流电动机，包含有动子部件、定子部件，其特征在于：四块导磁体(5)两两相对，并通过燕尾槽结构固连于支架(1)上，两个通以不同方向的电流的线圈绕组(4)绕于导磁体(5)上，构成了动子部件；分别与四块导磁体(5)正对安装的四块长条形永磁体(3)分为两组，每组的两块长条形永磁体(3)固定在一块磁轭(2)上，从而构成了定子部件；动子部件的中心平面与定子部件的对称中心平面重合，定子部件的永磁体和动子部件的线圈绕组之间保持1～2毫米的间隙；动子部件的四块导磁体(5)上都开有沿纵向均匀分布的槽，每侧的上下两块导磁体(5)上的槽形相同，槽口相对，未开槽的部分相接触，线圈绕组(4)的导线逐槽连续绕行且导线堆积高度低于槽深；所述的线圈绕组(4)的匝数和动子部件的纵向长度均为可增加的，从而可以提高电动机的电磁推力。

2.根据权利要求1所述的长行程大推力永磁式无刷直线直流电动机，其特征在于：定子部件采用双边对称结构，而且每边定子由上下两块长条形永磁体(3)和一块磁轭(2)组成，每块长条形永磁体(3)都由若干小块NdFeB永磁体沿纵向连续排列而成；对于双边定子的四块长条形永磁体(3)而言，上面两块长条形永磁体中的小块NdFeB永磁体要么所有的N极都指向动子，要么所有的S极都指向动子，且下面两块长条形永磁体指向动子的极面与上面两块长条形永磁体指向动子的极面相反。

3.一种有效减少长行程大推力永磁式无刷直线直流电动机运行时的反向电磁力的方法：在动子导磁体(5)上开槽，每一侧的上下两块导磁体(5)上的槽形相同，槽口相对，未开槽的部分相接触，线圈绕组的导线绕在槽中，从而使磁力线沿导磁体(5)上未开槽的部位流过，而处在槽中的导线不受磁场的作用，这就避免了此处导线通电时产生反向电磁力，该措施使电机推力增大约20％。

4.一种实现直流直线电机长行程运行且在单向运行时不需要电刷或电子电路换向的方法，该方法包括以下措施：定子部件采用双边对称结构，而且每边定子设置上下两块长条形永磁体和一块磁轭，每块长条形永磁体都由若干小块NdFeB永磁体沿纵向连续排列而成；对于双边定子的四块长条形永磁体而言，上面两块长条形永磁体中的小块NdFeB永磁体要么所有的N极都指向动子，要么所有的S极都指向动子，且要保证下面两块长条形永磁体指向动子的极面与上面两块长条形永磁体指向动子的极面相反；在线圈绕组的后面安置导磁体，使磁力线通过永磁体、定子磁轭、气隙、线圈绕组和动子导磁体在动子的双侧各自形成磁回路，从而使定子磁轭不存在磁饱和的问题，动子长度不受限，线圈绕组所处的磁场沿纵向无变化，所以当电机动子部件沿单方向运行时，是不需要电刷或电子电路换向的；在动子部件上设置两个线圈绕组，且两个线圈绕组的导线中通以方向相反的电流，即若上面线圈绕组的电流方向为顺时针时，下面线圈绕组中的电流方向为逆时针，使两个线圈绕组所受的电磁力沿同一方向；上述措施共同作用，使得直流直线电机的定子的长度不受限制，实现电机动子的长行程运行，同时也使电机在不需要电刷或电子电路换向的条件下就可实现单方向运行。

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