CN101540533A - 双极驱动的直线电机 - Google Patents
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Abstract
一种双极驱动的直线电机，其属于电力驱动领域。该直线电机的次级部件是U形槽形状，在U形槽两侧的内侧贴有永磁材料，初级部件是由许多铁芯块组成，所有铁芯块都位于U形槽两侧的永磁材料之间，并可随直线移动的部件沿U形槽移动；在每个铁芯块的四周设有循环冷却通道。该直线电机的输出功率较大；磁场利用率高，因而直线电机的效率高；易于制成低速大推力的直线电机；有冷却通道，散热条件好，不会造成机床的热变形，有利于提高数控机床的加工精度。由于次级部件是U形槽状，永磁材料贴在两侧，对初级部件和次级部件的上下位置关系要求很低，磁场的气隙大于1毫米，精度要求较低，因而该直线电机的加工和装配都很方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种双极驱动的直线电机，其属于电力驱动领域的直线永磁同步交流电机。
背景技术
目前常用的直线电机与普通电机在原理上是类似的，可以看作是把圆柱式电机沿半径方向剖开并展平而形成。缠有导线产生移动磁场的部分称为初级，被移动磁场感应的部分称为次级。种类也与普通电机相同，有直流直线电机，交流永磁同步直线电机，交流感应异步直线电机，步进直线电机等。
直线电机在许多场合可作为动力部件直接产生直线运动，而不必像圆柱电机那样必须通过齿轮齿条，丝杠螺母等机构才能产生直线运动。因而就避免了由机械传动带来的摩擦、振动、噪声、反向间隙、机械变形、机械传动误差等缺陷。由于直线电机的性能优越。近年来应用日益广泛，磁悬浮列车就是用直线电机驱动的。
作为运动精度可控的直线伺服电机是随着控制技术和传感技术的发展而于上个世纪80年代末出现的。自1993年德国Ex-Cell-0公司研发出世界上第一台用直线电机驱动工作台的加工中心以来，直线电机已在不同种类的机床上得到应用。直线电机作为进给系统的驱动装置，其最大速度可达500m/mim，加速度可达30g。
但直线电机也存在散热问题。在高精度的加工中心上，直线电机的发热可直接导致机床的热变形，影响加工精度。因而散热措施是高精度机床设计的技术问题。目前直线电机的高速性能好但低速性能不理想，低速推力降低，速度不稳定。
发明内容
本发明的目的之一是将每一个铁心块绕组线圈产生磁场的S、N极都作驱动磁极。每个绕组两端同时产生气隙磁场，由多个铁心块组成的初级铁心的两侧与次级永磁体产生驱动力，使部件移动。这种双边的磁场比单边的效率高，并且电机的极数可以做得比较多，易于制成低速大推力的直线电机。
本发明的目的之二是克服原有技术的硅钢片是整体的，加工困难，不能在绕组两端产生气隙磁场的缺点，而采用的铁芯块是由硅钢片叠成的，导线绕在铁芯块的腰部，铁芯块两端产生气隙磁场。由于铁芯块的数量可以很多，直线电机的级数可以很多，因而具有低速大推力功能。
本发明的目的之三是解决电机的散热问题。
本发明采用的技术方案是：一种双极驱动的直线电机主要包括一个初级部件和一个次级部件。所述次级部件是一个安装在支承部件上的U形槽状部件，在U形槽状部件两侧的内侧贴有永磁材料；所述初级部件是安装在相对次级部件做直线移动的部件上的带有绕组线圈的铁芯块的部件，所有铁芯块都位于U形槽状部件两侧的永磁材料之间，并可随直线移动的部件沿U形槽移动；在每个铁芯块的下部设有铁芯块压板，上部设有冷却板，然后采用连接螺栓把它们紧固在一起；在冷却板的上平面设有靠第一连接板封闭的冷却槽，冷却板和第一连接板一起紧固在直线移动的部件上。
所述铁芯块由硅钢片叠加并在硅钢片堆上绕有线圈，在硅钢片的两端设有安装孔。
在所述连接螺栓的中央设有通孔，在铁芯块压板内设有冷却孔，使得冷却槽、通孔和冷却孔构成一个循环冷却回路。
所述铁芯块的两端面与永磁材料之间形成气隙磁场，气隙的间距为0.5～3mm。
所述次级部件采用一个双U形槽状部件，在每个U形槽的两内侧贴有永磁材料；在双U形槽状部件的每个U形槽中各设有一排铁芯块，一个第二连接板把二排铁芯块连接在一起；所有铁芯块都位于U形槽两侧的永磁材料之间，并可随直线移动的部件沿U形槽移动。
本发明的有益效果是：这种双极驱动的直线电机的次级部件是一个安装在支承部件上的U形槽状部件，在U形槽两侧的内侧设有永磁材料，初级部件是带有绕组线圈铁芯块的组合部件，所有铁芯块都位于U形槽两侧的永磁材料之间，并可随移动部件在U形槽内移动；在每个铁芯块的下部设有铁芯块压板，上部设有冷却板，然后采用连接螺栓把它们紧固在一起；在冷却板的上平面设有靠连接板封闭的冷却槽，冷却板和连接板一起紧固在可相对直线移动的部件上。该直线电机的输出功率较大，在速度相同的情况下，输出推力就大；磁场利用率高，因而直线电机的效率高；易于制成低速大推力的直线电机；散热条件好，有冷却通道，冷却液包围了发热部件，直线电机的发热可全部被冷却液带走，不会造成机床的热变形，有利于提高数控机床的加工精度。由于次级是U形槽状，永磁材料贴在两侧，对初级和次级的上下位置关系要求很低，磁场的气隙大于1毫米，精度要求较低，因而该直线电机的加工和装配都很方便。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是一种双极驱动的直线电机的立体结构原理图。
图2是图1的B-B剖面图。
图3是图2的A-A剖面图。
图4是图3的C-C剖面图。
图5是一个铁芯块的结构示意图。
图6是一个采用双排铁芯块的结构示意图。
图中：1、第一固定螺栓，2、U形槽状部件，2a、连接凸肩，2b、连接孔，3、连接螺栓，3a、通孔，4、第二固定螺栓，5、冷却板，5a、冷却槽，6、铁芯块，6a、硅钢片，6b、线圈，6c、安装孔，7、第一连接板，8、铁芯块压板，8a、冷却孔，9、永磁材料，10、支承部件，11、直线移动的部件，12、双U形槽状部件，13、第二连接板。
具体实施方式
图1、2示出了一种双极驱动的直线电机主要结构。该直线电机的次级部件是一个安装在支承部件10上的U形槽状部件2，在U形槽状部件2两侧的内侧贴有永磁材料9，初级部件是安装在相对次级部件做直线移动的部件11上的带有绕组线圈的铁芯块6的部件，铁芯块6都位于U形槽状部件2两侧的永磁材料9之间，并可随直线移动的部件11沿U形槽移动。在每个铁芯块6的下部设有铁芯块压板8，上部设有冷却板5，然后采用连接螺栓3把它们紧固在一起。在冷却板5的上平面设有靠第一连接板7封闭的冷却槽5a，冷却板5和第一连接板7一起紧固在直线移动的部件11上。
图3、4示出，该直线电机采用了30个铁芯块6。双极驱动的直线电机的速度通过以下两个途径调整：一、改变铁芯块的数量。由于电网是三相交流电，频率为50赫兹。因此铁芯块的数量应是3的倍数。极对数为一的直线电机应有6个(或3个)铁芯块，直线电机的速度最快。极对数为10的直线电机有30个铁芯块，直线电机的转速要慢10倍。二、调频变速：调频的方法通常是交-直-交变频。把三相交流电变成直流电，再变成需要的交流频率。这种变频方法是数控机床上常用的变频方法，频率高速度快。在要求低速大转矩的情况下，为了减少齿谐波，克服电机的转矩脉动，此电机还可以采用分数槽绕组。
图5示出，铁芯块6由硅钢片6a叠加并在硅钢片堆上绕有线圈6b，在硅钢片6a的两端设有安装孔6c。图2示出，连接螺栓3的中央设有通孔3a，在铁芯块压板8内设有冷却孔8a，使得冷却槽5a、通孔3a和冷却孔8a构成一个循环冷却回路。冷却液可在初级铁芯的四周通过，冷却液包围了初级铁芯，冷却液可完全带走电机的发热量，不会引起机床的热变形。
图6示出了一种采用双排铁芯块的结构示意图。双排铁芯块安装在一个双U形槽状部件12中，在每个U形槽的两内侧贴有永磁材料9；在双U形槽状部件12的每个U形槽中各设有一排铁芯块6，一个第二连接板13把二排铁芯块6连接在一起。所有铁芯块6都位于U形槽两侧的永磁材料9之间，并可随直线移动的部件沿U形槽移动。
从上可知，铁芯块6组成初级铁芯，每个铁芯块6的形状完全一样。每个铁芯块由许多硅钢片叠成。在每一个铁芯块的腰部缠绕线圈绕组，绕组通电后在铁芯块的两端产生所需要的磁场，与U形槽两侧永磁体的S、N磁极作用，用来驱动移动部件。每一个铁芯块两端有穿螺栓的孔，用连接螺栓3和铁芯块压板8固定到冷却板5上。冷却板5用螺钉固定在第一连接板7上，形成了一个初级元件。在数控机床上，可将这个初级元件用第二固定螺栓4固定到移动部件(如工作台、床鞍、龙门机床的动梁)上，代替滚珠丝杠驱动部件移动。实现数控机床加工的多坐标联动或快速移动。U形槽状部件2的两内侧槽壁上贴有永磁材料9，初级铁芯装在槽内，与次级永磁体形成磁场气隙，初级铁芯、磁场气隙、永磁体、U形槽壁形成闭合的磁路。装配时先把初级元件装在移动部件上，并使铁芯的气隙面与导轨平行，第一连接板7的连接面与导轨平行。U形槽状部件2用第一固定螺栓1固定在支承件(如机床的床身、立柱、横梁)上。并使U形槽状部件2的装配面和贴有永磁体的两侧面与导轨平行。将初级部件装到U形槽状部件2内时要保证两侧的磁场气隙相等，初级铁芯和次级永磁体的上下位置合适。由于位置精度要求不高，加工和装配都很方便。采用双U形槽状部件12的情况与上述相同，不再重复。
根据推力要求，铁芯块的大小可以变化，推力要求大时，铁芯块可大些，长些，绕线线径可粗些；根据速度要求，铁芯块的数量可变化，低速时铁芯块的数量可多些，电机的极数可多些。
上述双极驱动的直线电机与光栅尺配合使用可实现全闭环控制，提高了加工精度，用在高精度数控机床上代替滚珠丝杠可直接驱动，避免了机械传动链带来的缺陷，提高了刚度和定位精度，有效的提高了加工精度。
Claims (5)
1、一种双极驱动的直线电机，它主要包括一个初级部件和一个次级部件；其特征是：所述次级部件是一个安装在支承部件(10)上的U形槽状部件(2)，在U形槽状部件(2)两侧的内侧贴有永磁材料(9)；所述初级部件是安装在相对次级部件做直线移动的部件(11)上的带有绕组线圈的铁芯块(6)的部件，所有铁芯块(6)都位于U形槽状部件(2)两侧的永磁材料(9)之间，并可随直线移动的部件(11)沿U形槽移动；在每个铁芯块(6)的下部设有铁芯块压板(8)，上部设有冷却板(5)，然后采用连接螺栓(3)把它们紧固在一起；在冷却板(5)的上平面设有靠第一连接板(7)封闭的冷却槽(5a)，冷却板(5)和第一连接板(7)一起紧固在直线移动的部件(11)上。
2、据权利要求1所述的双极驱动的直线电机；其特征是：所述铁芯块(6)由硅钢片(6a)叠加并在硅钢片堆上绕有线圈(6b)，在硅钢片(6a)的两端设有安装孔(6c)。
3、据权利要求1所述的双极驱动的直线电机；其特征是：在所述连接螺栓(3)的中央设有通孔(3a)，在铁芯块压板(8)内设有冷却孔(8a)，使得冷却槽(5a)、通孔(3a)和冷却孔(8a)构成一个循环冷却回路。
4、据权利要求1所述的双极驱动的直线电机；其特征是：所述铁芯块(6)的两端面与永磁材料(9)之间形成气隙磁场，气隙的间距为0.5～3mm。
5、据权利要求1所述的双极驱动的直线电机；其特征是：所述次级部件采用一个双U形槽状部件(12)，在每个U形槽的两内侧贴有永磁材料(9)；在双U形槽状部件(12)的每个U形槽中各设有一排铁芯块(6)，一个第二连接板(13)把二排铁芯块(6)连接在一起；所有铁芯块(6)都位于U形槽两侧的永磁材料(9)之间，并可随直线移动的部件沿U形槽移动。
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| CN104578681A (zh) * | 2015-01-21 | 2015-04-29 | 朱福善 | 一种触发式无刷直流直线电动机的构成及驱动方法 |
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