CN101527493A - 一种动磁式圆筒直线电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动磁式圆筒直线电机，初级由绕组、铁芯、芯轴和非磁性护轴等组成；次级由永磁体拓扑、端盖、线性轴承和外壳组成，是可动结构，线性轴承与初级非磁性护轴形成运动副。本发明可明显提高电机推重比，非均匀永磁体拓扑可有效抑制齿槽定位力，初级不吸附加工碎片或铁屑，保证了电机的安全运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种电机，尤其涉及一种动磁式圆筒直线电机。
背景技术
圆筒型直线电机主要有永磁同步和感应异步直线电机两种，结构上多为短初级、长次级动圈结构。
永磁同步直线电机次级为强磁磁铁部件，易吸附铁磁碎片，影响电机的安全运行；初级则为带铁芯齿槽的电枢结构，传统上通过斜槽或斜磁的方法减小齿槽定位力，同时也会削弱有效推力，且运动初级带有电缆，影响运行的可靠性。感应式异步直线电机初级结构与同步电机类似，次级为导电和导磁材料组成的复合体，推力密度小、效率低，伺服性能较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是在于需要提供一种动磁式圆筒直线电机，以克服因斜槽或斜磁困难存在齿槽定位力过大的缺陷。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种动磁式圆筒直线电机，包括：
初级，为圆柱形，接入一多相对称电流或方波电流；
次级，以圆环形式套在所述初级的外部，与所述初级磁耦合；
在所述多相对称电流或方波电流作用下，所述初级形成一与所述次级的永久磁场交链的行波磁场，产生一推力，所述初级与所述次级形成直线相对移动。
优选地，所述初级包括：
铁芯；
芯轴，为导磁材料制成的圆柱体，与所述铁芯一起构成所述永久磁场的一部分；
绕组，由空心线圈构成，与所述铁芯相互间隔地绕制在所述芯轴表面；
非磁性护轴，套在所述绕组表面，用于保护所述绕组；
第一轴端及第二轴端，用于限制所述铁芯及绕组的移动。
优选地，所述铁芯为导磁体，与所述芯轴、绕组、非磁性护轴、第一轴端及第二轴端，由灌封胶封装为一体。
优选地，所述空心线圈通过串联或并联的方式，构成至少二相对称绕组。
优选地，所述芯轴的轴向，即为所述相对移动的运动方向。
优选地，通过设置铁芯和空心线圈的数量、及所述芯轴的长度，确定所述相对移动的行程长度。
优选地，所述铁芯，采用非磁性材料制成隔环，与所述芯轴、绕组、非磁性护轴、第一轴端及第二轴端，由灌封胶封装为一体。
优选地，所述次级为运动部件，包括：
外壳，由非磁性材料制成；
永磁拓扑，粘接在非磁性外壳上，与所述初级一起产生所述推力；
第一端盖及第二端盖，与所述外壳一起固定所述永磁拓扑；
线性轴承，数量为两个，分别通过所述第一端盖及第二端盖固定在所述外壳上，与所述初级中的非磁性护轴构成运动副。
优选地，所述初级为铁芯齿槽结构时，所述永磁拓扑为两端永磁体不等厚度的不均匀海尔贝克结构；所述初级为无铁芯光滑电枢时，所述永磁拓扑为海尔贝克结构。
优选地，所述永磁拓扑，由轴向充磁的永磁体与径向充磁的永磁体构成，或者由轴向充磁的永磁体与铁芯构成。
与现有技术相比，本发明提供的一种动磁式圆筒直线电机，克服了因斜槽或斜磁困难存在齿槽定位力过大的缺陷，同时避免了初、次级吸附加工碎片或铁屑产生的安全隐患。
附图说明
图1为本发明动磁式圆筒直线电机一实施例的组成示意图。
图2为图1所示实施例的轴向剖视图。
图3为本发明动磁式圆筒直线电机与现有技术中的圆筒直线电机齿槽定位力的对比示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
图1为本发明动磁式圆筒直线电机一实施例的组成示意图。如图1所示，该实施例包括初级20和次级30，其中初级20为圆柱形，用以接入多相对称电流或方波电流，该次级30以圆环形式套在该初级20的外部，与该初级20磁耦合；初级20接入多相对称电流或方波电流之后，形成与次级30永久磁场交链的一行波磁场，产生一推力使得次级30沿着初级20的轴向做往复的直线相对移动。初级20确定该直线相对移动的运动方向和行程长度。
如图1所示，本实施例采用长初级、短次级的动磁结构。本发明从以上实施例可以看出，既有永磁伺服电机的特性，又有感应电机运行可靠的特点。与现有技术相比，推重比和齿槽定位力等有显著改善，运动部件无馈电电缆、次级对外的弱磁特性，确保电机的安全和可靠运行。
图2为图1所示实施例的轴向剖视图。请结合参考图1，如图2所示，初级20包括非磁性护轴21、铁芯22、绕组23、芯轴24、第一轴端25和第二轴端26，其中：
非磁性护轴21，为不导磁钢管，套在绕组23表面，用于保护绕组23；
铁芯22，由导磁材料制成；
绕组23，由空心线圈串联或并联构成至少二相对称绕组，与铁芯22相互间隔地绕制在芯轴24表面；
芯轴24，为导磁材料制成的圆柱体，与铁芯22一起构成前述的永久磁场的一部分；
第一轴端25和第二轴端26，用于防止铁芯22及绕组23在轴向推力的作用下移动，即限制铁芯22及绕组23的移动。
护轴21、铁芯22、绕组23、芯轴24、第一轴端25和第二轴端26之间的间隙，用灌封胶填充，使其成为一体。芯轴24的轴向即为前述相对移动的运动方向。通过设置不同数量的铁芯22，不同长度的构成绕组23的空心线圈以及相应长度的芯轴24，可以确定不同长度的前述相对移动的行程长度。
在图1所示的实施例中，铁芯22由导磁材料制成，与护轴21、绕组23、芯轴24、第一轴端25和第二轴端26通过灌封胶封装为一体后形成铁芯齿槽电枢，在本发明动磁式圆筒直线电机的其他实施例中，铁芯用非磁性材料制成隔环，以与空心线圈相互间隔地绕制在芯轴24的表面，在与护轴21、绕组23、芯轴24第一轴端25和第二轴端26通过灌封胶封装为一体后，形成光滑无槽电枢，可完全消除齿、槽引起的定位力。
请结合参考图1，如图2所示，次级30为运动部件，包括外壳35、永磁拓扑、线性轴承37、第一端盖38、第二端盖39，其中：
外壳35，由非磁性材料制成；
永磁拓扑，粘接在非磁性外壳35上，为两端永磁体不等厚度的不均匀海尔贝克(HALBACH)结构，与初级20中的铁芯22和芯轴24形成磁路以产生推力；
线性轴承37，数量为两个，分别通过第一端盖38及第二端盖39固定在外壳35上，与初级20中的护轴21构成运动副；
第一端盖38及第二端盖39，与外壳35一起固定永磁拓扑。
在本发明中，初级为铁芯齿槽结构时，采用两端永磁体不等厚度的不均匀HALBACH结构，如图2所示。当初级采用无铁芯光滑电枢时，永磁拓扑采用HALBACH结构。
图2所示的不均匀HALBACH永磁拓扑结构，由轴向充磁的第一端永磁体31、第二端永磁体36及若干中间段永磁体33，以及若干径向充磁的永磁体构成。其中该若干径向充磁的永磁体与该轴向充磁的中间段永磁体33间隔排列，该轴向充磁的第一端永磁体31以及第二端永磁体36位于该HALBECHA拓扑结构的两端，均与径向充磁的永磁体相邻。
如图2所示，径向充磁的永磁体为主磁体，是气隙磁场的主要来源，且相邻的两径向充磁的永磁体极性相反，图中用第一径向充磁永磁体32及第二径向充磁永磁体34表示极性相反的两种径向充磁的永磁体。轴向充磁的永磁体为辅助磁体，包括第一端永磁体31、第二端永磁体36及若干中间段永磁体33，且相邻的两轴向充磁的永磁体极性相反，使得主磁体间的漏磁沿主磁路分布，与主磁体的磁路一致，以加强气隙磁场。如图2所示的轴向充磁的永磁体及径向充磁的永磁体循环排列，即形成极性交替变化的多极永磁拓扑。
图2所示的不均匀HALBACH永磁拓扑结构，轴向充磁的第一端永磁体31与中间段永磁体33不等厚，第二端永磁体36与中间段永磁体33不等厚，且第一端永磁体31与第二端永磁体36也不一定等厚。第一径向充磁永磁体32及第二径向充磁永磁体34等厚。
图2所示的不均匀HALBACH结构，将极间大部分漏磁导向气隙，加强了气隙磁密，增加了与初级20藕合产生的推力，即提高了推重比。两端不等厚的永磁体，即轴向充磁的第一端永磁体31及轴向充磁的第二端永磁体36，确定与初级20中的铁芯22之间推力的大小和方向，可以通过调节该两端不等厚的永磁体的厚度来修正，以削弱永磁拓扑中其它永磁体产生的齿槽力，从而抑制总的齿槽定位力。不同长度的永磁拓扑结构，可以产生不同的推力。
如果初级采用无铁芯光滑电枢，则永磁拓扑中轴向充磁的永磁体之间等厚，径向充磁的永磁体之间也等厚。
在本发明动磁式圆筒直线电机的另一实施例中，次级用铁芯取代图2所示的径向充磁的永磁体32和34组成永磁体拓扑，达到同样的效果。相比之下，电机的推重比略小。
现有技术中的圆筒直线电机齿槽力很难由斜磁或斜齿来抑制，而是通过选择齿槽配合来尽量降低，如分数槽等，大多情况下齿槽力仍难满足设计要求。本发明动磁式圆筒直线电机在合理选择齿槽配合后，通过调整次级中的轴向充磁的第一端永磁体31及第二端永磁体36的轴向厚度，改变初级对其轴向吸力的大小和相位，与其它永磁体的轴向吸力相互抵消，使次级对初级的整体定位力显著减小。图3为本发明动磁式圆筒直线电机与现有技术中的圆筒直线电机齿槽定位力的对比示意图，横坐标为运动距离即行程，纵坐标为标量化的齿槽定位力。如图3所示，本发明动磁式圆筒直线电机的齿槽定位力仅为现有技术的约25％。
在本发明中，无需斜槽或斜磁，则可有效抑制齿槽定位力。采用无铁芯光滑电枢初级，则可完全消除齿槽效应。采用HALBACH永磁拓扑，可明显增强气隙磁密，提高推重比。电枢初级不吸附加工碎片或铁屑，确保设备的可靠运行。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1、一种动磁式圆筒直线电机，其特征在于，包括：
初级，为圆柱形，接入一多相对称电流或方波电流；
次级，以圆环形式套在所述初级的外部，与所述初级磁耦合；
在所述多相对称电流或方波电流作用下，所述初级形成一与所述次级的永久磁场交链的行波磁场，产生一推力，所述初级与所述次级形成直线相对移动。
2、如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述初级包括：
铁芯；
芯轴，为导磁材料制成的圆柱体，与所述铁芯一起构成所述永久磁场的一部分；
绕组，由空心线圈构成，与所述铁芯相互间隔地绕制在所述芯轴表面；
非磁性护轴，套在所述绕组表面，用于保护所述绕组；
第一轴端及第二轴端，用于限制所述铁芯及绕组的移动。
3、如权利要求2所述的电机，其特征在于，所述铁芯为导磁体，与所述芯轴、绕组、非磁性护轴、第一轴端及第二轴端，由灌封胶封装为一体。
4、如权利要求2所述的电机，其特征在于，所述空心线圈通过串联或并联的方式，构成至少二相对称绕组。
5、如权利要求2所述的电机，其特征在于，所述芯轴的轴向，即为所述相对移动的运动方向。
6、如权利要求2所述的电机，其特征在于，通过设置铁芯和空心线圈的数量、及所述芯轴的长度，确定所述相对移动的行程长度。
7、如权利要求2所述的电机，其特征在于，所述铁芯，采用非磁性材料制成隔环，与所述芯轴、绕组、非磁性护轴、第一轴端及第二轴端，由灌封胶封装为一体。
8、如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述次级为运动部件，包括：
外壳，由非磁性材料制成；
永磁拓扑，粘接在非磁性外壳上，与所述初级一起产生所述推力；
第一端盖及第二端盖，与所述外壳一起固定所述永磁拓扑；
线性轴承，数量为两个，分别通过所述第一端盖及第二端盖固定在所述外壳上，与所述初级中的非磁性护轴构成运动副。
9、如权利要求8所述的电机，其特征在于：
所述初级为铁芯齿槽结构时，所述永磁拓扑为两端永磁体不等厚度的不均匀海尔贝克结构；所述初级为无铁芯光滑电枢时，所述永磁拓扑为海尔贝克结构。
10、如权利要求9所述的电机，其特征在于：
所述永磁拓扑，由轴向充磁的永磁体与径向充磁的永磁体构成，或者由轴向充磁的永磁体与铁芯构成。
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