CN101527472B - 一种由旋转磁场驱动的直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种由旋转磁场驱动的直线电机，包括：封装在机壳内的初级铁芯、按旋转磁场电机方式绕在初级铁芯上的初级绕组、以及次级动子铁心；还包括：导向装置，用于使得次级动子铁心与初级铁芯之间仅能够沿次级动子铁心的轴向相互运动；在次级动子铁心延轴向的外表面有次级动子铁心螺纹，在初级铁芯的内壁有初级铁芯极端部螺纹，所述次级动子铁心螺纹与初级铁芯极端部螺纹互为正反螺纹。本发明的直线电机不需要使用永磁体材料，降低了直线电机的生产以及使用成本，减小了对环境的强磁干扰，并且能够提高推力重量比；同时由于采用成熟的旋转磁场电机的整体结构，具有结构简单，造价低廉，径向平衡，定位准确的特点，具有广泛的应用前景。

Description

一种由旋转磁场驱动的直线电机

技术领域

本发明涉及一种直线电机，尤其涉及一种由旋转磁场驱动的直线电机。

背景技术

直线电机自1840年形成的直线电机概念以来，一直沿用旋转电机剖开展平的设计思路，磁场全部采用行波磁场布置，绕组利用率低，推力重量比小。

最近广泛采用永磁体，如钕系强磁。如CN1484364公开的一种永磁磁阻式直线电机。它由导磁轭、永磁体、次级动子铁心、隔磁板、定子铁心和安装在定子铁心上的绕组组成。但是强永磁体的成本高昂，对环境有强磁干扰，从而限制了这种直线电机的应用。

按控制方式划分，现有直线电机分为两类，一类为非步进电机，一类为步进电机。对于现有的非步进直线电机的精确控制，需用独立的位置反馈系统才能做到精确定位，这种方式的成本较高。大多数直线电机非步进电机，需用独立的位置反馈系统才能做到精确定位，部分直线步进电机沿用旋转步进电机设计，齿极制造难度大。这些都导致工业上需用到直线运动的场合仍主要采用丝杠或齿轮齿条(带)的方案。如CN96232612.7公开的一种“直线步进电机”，该电机是在旋转式步进电机的基础上，把电机转子的旋转运动在内部直接通过丝杆螺母副转换成直线运动。这种方式的电机制造难度大，成本也很高。

开关磁阻电机是20世纪80年代初随着电力电子、微电脑和控制技术的发展而发展起来的一种调速驱动系统。开关磁阻电机一般为双凸极结构，转子仅仅由叠片叠压而成，既无绕组也无永磁体，在定子的各极绕有绕组，其径向相对的极绕组串联，构成一相。其工作原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，因为磁场扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩。顺序给电机的不同的相绕组通电，则转子将会转动起来。和其他类型的电机相比，开关磁阻电机具有以下显著特点：电机结构简单、兼顾，制造工艺简单，成本低，可高转速工作；工作可靠，能适应各种恶劣的工作环境；损耗主要产生在定子上，电机容易冷却，而且转子没有永磁材料，可以允许有较高的温度；转矩方向和电流方向无关，可以最大限度简化功率变换器，降低系统成本，并且功率变换器不会出现直通故障，可靠性高；启动转矩大，低速性能好，没有感应电动机在启动时候所产生的冲击电流的现象；调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求。但是开关磁阻电机的运动方式都是旋转运动，在直线电机方面没有应用。

同时，大多数直线电机非步进电机，需用独立的位置反馈系统才能做到精确定位，部分直线步进电机沿用旋转步进电机设计，齿极制造难度大。这些都导致工业上需用到直线运动的场合仍主要采用丝杠或齿轮齿条(带)的方案。本发明可大大降低直线电机的制作难度和成本，适合广泛推广。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，设计一种不需要采用永磁体，并且仅在普通旋转磁场电机的基础上对某些部件结构进行改进就能够实现的直线运动的电机。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种由旋转磁场驱动的直线电机，包括：机壳、封装在机壳内的初级铁芯、按旋转磁场电机方式绕在初级铁芯上的初级绕组、以及套于初级铁芯内的次级动子铁心；

次级动子铁心与初级铁芯分离，在次级动子铁心与初级铁芯之间为气隙；

还进一步包括：导向装置，用于使得次级动子铁心与初级铁芯之间仅能够沿次级动子铁心的轴向相互运动；

在次级动子铁心延轴向的外表面有次级动子铁心螺纹，在初级铁芯的内壁有初级铁芯极端部螺纹，所述次级动子铁心螺纹与初级铁芯极端部螺纹互为正反螺纹。

作为本发明的一个等同替换，互为正反螺纹中之一可以制作成一个为圆周齿，其周节数与螺纹头数相同。

由于由旋转磁场驱动的直线电机的初级铁芯极端部螺纹和次级动子铁心螺纹互为正反螺纹，在圆柱面的气隙中将产生的磁阻莫尔条纹，于圆周上形成径向磁阻的规律性周节分布。周节数为螺纹头数的两倍。

由旋转磁场驱动的直线电机的旋转磁场的磁通最大的径向方向上，通过初次级的轴向相对运动，满足此方向上磁阻最小，随着驱动器的电角度变化，磁通最大方向变化，磁阻最小位置在磁隙上的圆周运动，驱动了初级铁芯与次级动子铁心之间的轴向相对运动。同时，由于采用了导向装置，所以初级铁芯与次级动子铁心之间仅仅只能做沿轴向直线方向的相对运动。

作为本发明一个具体的实施方式，所述次级动子铁心螺纹与初级铁芯极端部螺纹的螺纹周节规律相同，螺纹宽度也相同。

所述次级动子铁心螺纹与初级铁芯极端部螺纹为阶梯螺纹。而另一种实施方式可以是所述次级动子铁心螺纹与初级铁芯极端部螺纹为平滑螺纹

在初级铁芯上，按磁阻莫尔条纹周节数的规律布置初级绕组的极数，按每周节上的铁芯极数分配相数，可设置成二相、三相或多相绕组，并用单极性、双极性的步进电流驱动，或开关磁阻电机驱动器驱动，或普通交流电驱动，以形成旋转磁场。

用步进电机驱动器驱动的时候，构成步进式直线电机系统，用于开环或闭环的数控系统。

用开关磁阻式电机驱动器驱动的时候，构成开关磁阻式直线电机，可以用于大功率大推力的直线电机，例如用在高速冲压机床上。

用普通交流电驱动的时候，构成交流同步直线电机，构成低成本的直线运动系统。

当所述初级绕组设置为三相绕组设置为时候，在所述初级铁芯的外表面上布置有12个用于缠绕绕组的槽，采用不跨槽绕法绕制，当然，此处也可以采用跨槽绕法绕制。

作为导向装置的一个具体的实施方式，所述导向装置包括：

用于固定所述次级动子铁心的基座、固定安装在基座上，平行于所述次级动子铁心轴向方向的直线导轨、以及，固定安装于所述初级铁芯并沿所述直线导轨轴向方向与该直线导轨滑动连接的初级机座。

此种方式固定了次级动子铁心，而初级铁芯在旋转磁场的驱动下能够沿直线导轨做直线运动。当然也可以固定初级铁芯，在旋转磁场的驱动下让次级动子铁心做直线运动。此方式这是本发明的等同变换。

为了方便在某些特定的场合应用该由旋转磁场驱动的直线电机，例如，不希望初级铁芯或者次级动子铁心暴露出其螺纹时候，本发明也可以，所述初级铁芯极端部螺纹用非磁性材料填平；所述次级动子铁心螺纹用非磁性材料填平。

该由旋转磁场驱动的直线电机可以在初级铁芯上布置轴向永磁或直流电磁来偏磁，构成混合式偏磁电机，具有一定的自锁能力。

同时，本发明既增加螺纹头数可增加周节数，增加初级的极数，适合大直径下提高铁芯和绕组利用率，增大推力。本发明增大初级铁芯叠片厚度和增加推力。本发明减少螺纹螺距可减少步距，提高定位精度。使用细分驱动电路可提高定位分辨率。采用阶梯螺纹在多头大螺距时可提高定位精度。本发明可用中空次级内冷恒温提高电机的稳定性。

与现有技术相比本发明的优点在于，本发明的直线电机不需要使用永磁体材料，降低了直线电机的生产以及使用成本，减小了对环境的强磁干扰，并且能够提高推力重量比；同时，由于采用常用的旋转磁场电机的整体结构，具有结构简单，制造容易，造价低廉，径向平衡，定位准确的特点，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的旋转磁场驱动的直线电机剖面结构示意图；

图2为本发明的旋转磁场驱动的直线电机横截结构示意图；

图3为本发明的旋转磁场驱动的直线电机在莫尔条纹纹样图

图4为图3所示的莫尔条纹纹样的展开图。

具体实施方式

以下结合附图所示的最优实施例对本发明做进一步的说明。

如图1和图2所示，由旋转磁场驱动的直线电机包括以下部分组成：初级机座1、机壳2、初级铁芯3、初级绕组5、次级动子铁心6、以及电机端盖8。

所述初级铁芯3外面有机壳2，并且被固定在初级机座1上。在所述初级铁芯3的端部具有初级铁芯极端部螺纹4，在所述次级动子铁心3上具有次级动子铁心螺纹7。

所述初级铁芯极端部螺纹4为内凸螺纹，所述次级动子铁心螺纹7为外凸螺纹。所述次级动子铁心螺纹7和初级铁芯极端部螺纹4的螺纹宽度相同，螺纹的周节规律相同，并且是互为正反螺纹。

所述初级铁芯3和次级动子铁心6相互不接触，两者之间存在圆柱面的气隙9。通过包括基座、直线导轨和初级机座1的导向装置，所述初级铁芯3和次级动子铁心6可以做无摩擦的相对直线运动。其中，基座固定所述次级动子铁心6的基座、固定安装在基座上，平行于所述次级动子铁心6轴向方向的直线导轨，以及，固定安装于所述初级铁芯3并沿所述直线导轨轴向方向与该直线导轨滑动连接的初级机座1。

上述方案也有等同的替代方案，即也可以将所述初级铁芯极端部螺纹4用非铁磁性材料填充，电镀后磨光，做滑动配合，也可以在电机端盖8上布置直线轴承，在径向负荷不高的时候代替直线导轨。

这样，不仅可以绝对固定初级，并通过直线导轨限制次级，让次级做相对初级直线运动；也可以绝对固定次级，通过直线导轨限制初级，让初级相对次级做直线运动。

所述初级绕组5由双极性三相磁阻式步进电机驱动器驱动，三相分别为A相、B相和C相。在一个圆周上有4个周节，每个周节设有3个绕组，整个圆周上布置12个槽，采用不跨槽绕法来布置绕组。其中，磁力线11为初级绕组5所产生，在所述圆柱面的气隙9中的区域可以分为磁通最大区域12和磁阻最小区域13。

如图3所示，本由旋转磁场驱动的直线电机在工作的时候，在所述气隙9部分将分布磁阻莫尔条纹。由于初级铁芯极端部螺纹4和次级动子铁心螺纹7互为正反螺纹，并且铁质材料的磁阻要远远小于空气的磁阻，在圆柱面的气隙9形成了磁阻莫尔条纹于圆周上形成径向磁阻的规律性周节分布。则在螺纹凸齿相对的位置，其磁阻较小，为磁阻最小区域13。在螺纹凸齿凹下部分相对的地方，磁阻较大，为磁阻最大区域14。

如图4所示，为图3按初、次级的轴向裁开后的展开示意图，由于磁阻最小原理，所述初级铁芯3和次级动子铁心6将会被电磁力推动做轴向移动。

根据“磁阻最小原理”，绕组通电后电磁磁通最大的方向总希望是磁阻最小的方向，由于电机圆周方向被限制旋转，则电机有通过初次级轴向相对运动的来使磁阻最小的趋势，形成轴向力，并产生轴向运动。驱动电流产生的旋转磁场，由于轴向力的作用而轴向运动，改变磁阻莫尔条纹纹样的位置来满足磁阻最小原理，使电机产生步进或连续的直线运动。

Claims (8)

1.一种直线电机，包括：机壳(2)、封装在机壳(2)内的初级铁芯(3)、按旋转磁场电机方式绕在初级铁芯(3)上的初级绕组(5)、以及套于初级铁芯(3)内的次级动子铁心(6)；所述次级动子铁心(6)被安装在导向装置上，所述次级动子铁心(6)与初级铁芯(3)之间存在气隙(9)；其特征在于：

在所述次级动子铁心(6)沿轴向的外表面有次级铁心螺纹(7)，在所述初级铁芯(3)的内壁有初级铁芯极端部螺纹(4)，所述次级动子铁心螺纹(7)与初级铁芯极端部螺纹(4)的螺纹周节规律相同，螺纹宽度也相同，所述次级动子铁心螺纹(7)与初级铁芯极端部螺纹(4)互为正反螺纹。

2.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于，所述次级动子铁心螺纹(7)与初级铁芯极端部螺纹(4)为阶梯螺纹或者为平滑螺纹。

3.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于，所述初级绕组(5)设置为三相绕组，在所述初级铁芯(3)的外表面上布置有12个用于缠绕绕组的槽，采用不跨槽绕法绕制，或者采用跨槽绕法绕制。

4.根据权利要求1或3所述的直线电机，其特征在于，所述初级绕组(5)由单极性或者双极性的步进电流驱动，或由开关磁阻电机驱动器驱动，或由普通交流电驱动。

5.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于，所述初级绕组(5)由双极性三相磁阻式步进电机驱动器驱动。

6.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于，所述导向装置包括：

用于固定所述次级动子铁心(6)的基座、固定安装在基座上，平行于所述次级动子铁心(6)轴向方向的直线导轨、以及，固定安装于所述初级铁芯(3)并沿所述直线导轨轴向方向与该直线导轨滑动连接的初级机座(1)。

7.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于，所述初级铁芯极端部螺纹(4)的凹槽用非磁性材料填平；所述次级动子铁心螺纹(7)的凹槽用非磁性材料填平。

8.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于，所述初级铁芯(3)上布置用于构成偏磁的轴向永磁或直流电磁。

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