CN101826786A - 直线电动机 - Google Patents

Abstract

当多个直线电动机沿动子的移动方向平行布置时会存在直线电动机的安装面积变大的问题。在本直线电动机中，设置在相邻的动子51a、51b之间的定子整体形成。整体形成的定子52c在相对所述动子51a、51b的两个表面中的每个表面上具有凸极50。结果，与多个直线电动机简单地相对于动子的移动方向平行布置的情况相比，可减小安装面积。

Description

直线电动机

相关申请的交叉引用

本申请要求在2009年3月6日提交的第2009-53518号日本专利申请的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及用在诸如机床的工业机械中的直线电动机。

背景技术

直线电动机通常用在诸如机床这种工业机械中以实现高速和高精度。在这种直线电动机中，已经有一些通过将昂贵的永久磁铁布置在动子侧上从而允许使用较少的永久磁铁，由此实现了低成本，特别是在长行程机械中。(例如，见下面的日本专利特许公开第2007-318839号。)常规的直线电动机的实例将参照图7至图9进行说明。图7A为常规的直线电动机的示意性构造图，图7B和7C示出永久磁铁的排列。图8是图7A中的直线电动机沿C-C线的剖面图。图9是在直线电动机内缠绕的线圈的连接图。

直线电动机具有平行延伸的两个定子52a、52b和动子51，动子51在定子52a、52b之间沿着定子52a、52b的延伸方向移动。

定子52a、52b由层压磁钢板形成。定子52a、52b在彼此相对的表面上以预定的间距，如间距P，具有凸极50。此外，定子52a、52b制备成预定的长度L，如图7A所示。多个定子52a、52b在动子51的运动方向上沿着动子51的行程布置。定子52a、52b固定在例如机床的底座72上(图8示出)。特别地，如图8所示，定子52a、52b通过螺栓71固定，以使定子的下表面74接触底座72。

另一方面，动子51由设置在底座72和工作台(未示出)之间并固定到工作台的滚动导轨或类似物在图7的X轴方向上可动地支撑。动子51具有通过层压磁钢板形成的动子块(mover block)53、54、55。动子块53是用于U相的动子块，动子块54是用于W相的动子块，以及动子块55是用于V相的动子块。动子块53、54、55布置成在X轴向上相对位移120，也就是，在作为动子51的移动方向的X轴方向上达到定子52a、52b的极距P的1/3。动子块53、54、55的一部分在某些情况下互相机械连接，以便保持块间的尺寸精度。三相交流线圈缠绕在动子块53、54、55中的每一个的周围。就是说，分别地，用于U相的三相交流线圈56缠绕在动子块53的周围，用于W相的三相交流线圈57缠绕在动子块54的周围，以及用于V相的三相交流线圈58缠绕在动子块55的周围。三相交流线圈56、57、58缠绕的动子块53、54、55由压模树脂76整体形成。

永久磁铁59、64以N极和S极交替的方式排列在动子块53、54、55的表面上。特别地，如图7B和7C所示，三对永久磁铁以间距P排列，每对包括N和S。这里，如图7A所示，假定定子52a侧是A侧，定子52b侧是B侧，那么A侧上的永久磁铁59和B侧上的永久磁铁64的排列成从A侧看到的极性与从B侧看到的极性相反。

三相交流线圈56、57、58为星形连接，如图9所示。例如，如图7A所示，当从U沿V和W的方向施加电流到三相交流线圈56、57、58时，在直线电动机中励磁磁通量62。

下面，将对直线电动机的操作进行描述。当施加电流到三相交流线圈56、57、58时，动子块53、54、55沿Y轴的正向或反方向(参照图7A)励磁。这时，在永久磁铁59、64外，在与交流线圈励磁的方向相同的磁化方向上的永久磁铁的磁通量将增强。另一方面，在与交流线圈励磁的方向相反的方向上的永久磁铁的磁通量将减弱。因此，永久磁铁59和64会励磁成极性彼此相反，就是说，一个用作N极而另一个用作S极。经过各个动子块53、54、55和定子52a侧、52b侧的磁通量形成磁路，如图7A中的附图标记62所示。这时，根据动子51和定子52a、52b的位置产生磁引力，在动子51内产生推力，导致动子51移动。

下面将对磁通量流动进一步详细说明。假定电流定向为从U相到V和W相，就是说，在三相交流线圈56的情况下沿图7A所示的缠绕方向，而在三相交流线圈57、58的情况下沿图7A所示的缠绕方向的反方向。因此，在动子块53中A侧成为S极而B侧成为N极。与此相反，在动子块54、55中，A侧成为N极而B侧成为S极。因此，如图7A所示，磁路62形成为磁通量从动子块53经过定子52b到动子块54、55，然后经过定子52a回到动子块53。因此，在X轴方向上的磁引力作用在动子51上从而产生推力。

发明内容

然而，上述常规的直线电动机具有下述的缺点：

当操作大型机床的工作台时需要推动重的工件。经常通过使用多个动子51来获得大的推力。在这种情况下，可在动子51的移动方向上平行布置多个直线电动机，也就是，在图7A的Y轴方向上，以便增加推力。然而，由于在Y轴方向上平行布置多个直线电动机，直线电动机在Y轴方向上的安装面积会变大。这会产生直线电动机不适合机械空间的问题。

此外，如在日本专利公开第2007-318839号中所公开的，定子制备成预定的长度L，并且多个定子沿着动子的行程布置在动子的移动方向上。这时，相邻的定子布置成在定子之间所形成的边界部形成有小的间隙。例如，在由于切割而产生的碎片进入动子和定子之间的空隙时，允许仅移走目标定子来进行替换，并且位于行程的中心的定子中断。然而，在直线电动机运行时，由于磁通量通过边界部的间隙，在该间隙处磁阻增加。在动子位于两个相邻的边界部之间时，就是说，在动子位于定子的两端的内侧时，由于磁通量通过边界部的间隙而使磁阻增加，这是因为磁通量不通过边界部。然而，当动子51通过边界部101时，如图7A所示，磁通量62通过边界部101，并且由于边界部101的间隙而使磁阻增加。这就产生了推力波动的问题，因为磁通量62的磁通量强度根据动子51的位置而变化。

如图8所示，直线电动机的定子52a、52b固定到底座72。具体地，固定对应于于定子52a、52b的下表面的定子底面74，以便与底座72接触。然而，由于对应于定子52a、52b的上表面的定子顶面73不固定，会存在定子52a、52b的刚性小的问题。特别地，在具有由层压磁钢板构成的定子52a、52b的常规的直线电动机中，磁钢板在垂直于磁引力的方向上进行层压。结果，沿此方向作用以产生横向位移的力作用在磁钢板上，使得定子52a、52b的刚性特别小。

另外，在这种定子52a、52b中，由于只有定子顶面73因磁引力而弯曲，在动子51和定子52a、52b之间的空隙仅在定子顶面73处变窄。此外，定子52a、52b的部件布置在动子51的移动方向上，并且每个定子52a、52b的刚性根据磁钢板的层压状况而变化。因此，在动子51和定子52a、52b之间的空隙根据定子52a、52b的位置而变化。因此，就存在电动机推力根据定子52a、52b的位置而变化的缺点。

再进一步，在常规的直线电动机中，施加电流到布置在动子51侧上的三相交流线圈56、57、58，以通过空隙使定子52a、52b励磁。由于空隙的高磁阻，空隙越小，推力越大。然而，由于如上所述定子52a、52b弯曲，在考虑到弯曲量时需要预先考虑空隙。结果，空隙必须制作得比期望的更宽，由此产生电动机推力减小的问题。更进一步，从电动机控制方面，必须增加增益来提高反馈可控性。然而，增加的增益引起刚性小的定子振动。由于增益不能增加到理想的水平，这会造成位置误差变大的问题，从而导致机床精度和机械加工面质量的水平的降低。

本发明的目的是解决至少其中一个缺点，并且本发明的一个目的是提供一种直线电动机，在相对于动子的移动方向平行布置多个直线电动机时，所述直线电动机能够获得尽可能小的安装面积。

本发明的另一个目的是提供一种直线电动机，在相对于动子的移动方向平行布置多个直线电动机时，所述直线电动机能够减小根据动子的位置而产生的推力波动。

本发明的又一个目是提供一种直线电动机，所述直线电动机能够防止根据定子的位置而引起的电动机推力的变化。

本发明的再一个目是提供一种能够提高电动机推力的直线电动机。

本发明的另一个目的是提供一种能够提高机床的精度和机械加工表面质量的直线电动机。

本发明的直线电动机包括：两个定子，其平行延伸并且具有以预定的间距布置在相对面上的凸极；动子，其具有三种动子块，所述动子块由构成三相磁极的三相交流线圈和永久磁铁组成，永久磁铁以交替极性布置在相对每个定子中的每一个的动子块的两个表面上，所述动子在两个定子之间沿定子延伸的方向可移动；其中，多个直线电动机相对于动子的移动方向平行布置；并且设置在相邻动子之间的两个定子整体形成，以使两个定子在相对动子的两个表面上具有凸极。

直线电动机可进一步包括：底座，其与定子的下表面接触以固定定子；两个定子安装构件，其设置在位于相对于动子的移动方向垂直的方向上的外侧的最外侧定子的外侧，最外侧定子是平行布置的多个直线电动机在最外侧上的两个直线电动机的定子；两个定子安装构件向上延伸到与从底座到最外侧定子的顶面的高度基本一致的高度；以及两个板状支承件，其连接并固定到最外侧定子的顶面和两个定子安装构件的顶面。最外侧定子可在其底面固定到底座，并可通过在其顶面上的板状支承件固定到定子安装构件。

另外，在多个直线电动机的最外侧上的两个直线电动机的定子平行布置，并且位于相对于动子的移动方向垂直的方向的外侧上，所述定子可具有与整体形成的定子相同的形状。

再进一步，整体形成的定子是位于平行布置的多个直线电动机的最外侧的两个直线电动机的定子，并且所述整体形成的定子可形成为使其在垂直于动子的移动方向的方向上的宽度小于位于相对于动子的移动方向的外侧上的最外侧定子。

根据本发明的直线电动机，可获得尽可能小的安装面积，在相对于动子的移动方向平行布置多个直线电动机的情况下，也可减小基于动子的位置而产生的推力波动。同样，也可防止电动机推力根据定子的位置而变化。另外，由于能够在定子和动子之间以预定的间距设置空隙，因此可以提高电动机推力。更进一步，关于电动机控制方面，刚性的改进将允许增益的增加，由此提高反馈控制的可控性，从而降低位置误差，这将提高机床的精度和机械加工表面的质量。

附图说明

图1为表示根据本实施例的直线电动机的示意性构造图。

图2为表示根据本实施例的直线电动机的安装结构图。

图3为定子的立体图。

图4为相对于动子的移动方向平行布置的两个直线电动机的图。

图5为表示根据另一个实施例的直线电动机的另一种安装结构的图。

图6A为表示应用了本发明的具有不同凸极位置的直线电动机的构造的示例图。

图6B示出永久磁铁的排列。

图6C示出永久磁铁的排列。

图7A为表示常规的直线电动机的示意性结构图。

图7B为永久磁铁的排列图。

图7C为永久磁铁的排列图。

图8为沿图7A中的C-C线获取的剖面图。

图9为在直线电动机内缠绕的线圈的连接图。

具体实施方式

在下文中，将结合附图对根据本发明的直线电动机的实施例进行说明。下面将给出平行于动子的移动方向排成两行布置的直线电动机的说明作为示例。本发明不限于布置成两行的直线电动机，同样适用于布置成多行的直线电动机。

图1为表示根据本实施例的直线电动机的示意性构造图。图2为表示根据本实施例的直线电动机的安装结构图。图3为定子的立体图。这里，与作为相关技术进行说明的直线电动机相似的构造将用相似的附图标记表示，其详细说明将予以省略。

首先，对直线电动机的安装结构进行说明。底座72的截面形状为U-形。在图2中，底座72的各个部分的附图标记表示如下。也就是，85表示形成在底座72内的U-形槽；82表示形成在底座72的侧壁内的U-形槽表面壁；84表示U-形端部，换句话说，底座顶面对应于底座72的顶面。底座顶表面84形成为其高度与定子顶面73的高度基本相同。平板形式的板状支承件81的布置使得在底座顶面84和定子52a、52b的定子顶面73的上方形成桥接，所述定子52a、52b位于在Y方向上的直线电动机(参考图1)的外侧(在下文中简称为最外侧定子)。多个螺栓孔77形成在板状支承件81内，如图3所示。板状支承件81通过螺栓83固定到底座顶面84，并且板状支承件81通过螺栓71固定到最外侧定子52a、52b的定子顶面73。结果，在最外侧定子52a、52b通过固定到定子顶面73的板状支承件81从而固定到底座72的底座顶面84的同时，最外侧定子52a、52b通过螺栓71固定到底座72的U-形槽85的底部。虽然本实施例是参照最外侧定子是在Y方向上的位于直线电动机(参考图1)的外侧的定子的情况进行的说明，在两行或更多行直线电动机平行布置的情况下，最外侧定子分别指位于平行布置的多个直线电动机的最外侧和位于Y方向上的外侧的两个直线电动机的定子。如上所述，由于最外侧定子52a、52b的定子顶面73由底座顶面84经由板状支承件81支撑，从而作用在动子51a和最外侧定子52a之间的磁引力和作用在动子51b和最外侧定子52b之间的磁引力，能防止最外侧定子52a、52b分别朝向动子51a、51b弯曲。因此，在动子51a和最外侧定子52a之间形成的空隙和在动子51b和最外侧定子52b之间形成的空隙，可在定子顶面73到定子底面74之间保持恒定。而且，由于最外侧定子52a、52b的定子顶面73通过板状支承件81固定到底座72，从而增加了最外侧定子52a、52b的刚性。结果，可防止电动机推力根据最外侧定子52a、52b的位置而变化。此外，由于在动子51a和最外侧定子52a之间形成的空隙和在动子51b和最外侧定子52b之间形成的空隙，可设置为预定的间隙，因此在考虑到最外侧定子52a、52b的弯曲时不再需要设定较宽的空隙，电动机推力从而提高。而且，在电动机控制方面，增加的刚性将增加增益，这反过来将提高反馈可控性，因而减小位置误差，从而提高机床的精度和机械加工表面的质量。

在通过使用这种结构相对于动子的移动方向平行布置现有技术的多个直线电动机时，需要在相邻的直线电动机之间设置U-形槽侧表面壁107，如图4所示，以通过板状支承件81来固定定子顶面73。然而，这将使直线电动机的安装面积变得太大以致直线电动机不适合机械加工空间。而且，在机械具有更长行程的情况下，图4所示的底座顶面108需要宽的机械加工范围，这将需要许多次的攻丝(tapping)来固定更多的螺栓83，从而产生机械加工成本高的问题。

为解决上述问题，本实施例的直线电动机的特征在于设置在相邻的动子51a、51b之间的两个定子整体形成。整体形成的一体的定子在下文中称作整体定子52c。整体定子52c的特征在于在与动子51a、51b相对的两个表面上分别具有凸极50。整体定子52c通过螺栓71固定到底座72，如图2所示。

在如此构造的直线电动机中，整体定子52c在其上与动子51a、51b相对的两个表面上形成凸极50，使作用在动子51a和整体定子52c之间的磁引力和作用在动子51b和整体定子52c之间的磁引力相等，但作用方向相反，从而磁引力相互抵消。因此，能够防止整体定子52c分别朝动子51a、51b弯曲，从而能够获得在上文中提到的优点。另外，由于在具有最外侧定子52a、52c的情况下，磁引力并不是仅在朝向动子51a、51b的一个方向上作用在整体定子52c上，因此不需要通过板状支承件81将整体定子52c固定到U-形槽侧表面壁107，如图4所示。因此，在相邻的直线电动机之间不需要设置U-形槽侧表面壁107，由此相对于动子51的移动方向平行布置的多个直线电动机的安装面积可小一些。

另外，在相对于动子51的移动方向平行布置多个直线电动机时，根据本实施例的直线电动机的安装面积可更小一些。详细的说明将随后给出。

如图1所示，当从U到V和W的方向施加电流到动子51a、51b的三相交流线圈56、57、58时，直线电动机将由磁通量110励磁。这时，在最外侧定子52a、52b的定子磁轭61处产生从动子块54、55到动子块53的磁通量110。因此，定子磁轭61的宽度或定子磁轭61在Y方向上的长度可选择以便不会发生磁通量饱和。

然而，在整体定子52c的情况下，如图1所示，在垂直于动子51a、51b的移动方向的Y方向上产生磁通量110。要确保定子磁轭102的宽度具有对应于在动子51a、51b的移动方向上的长度。因此，在定子磁轭102处不会发生磁饱和，从而能够使定子磁轭102的宽度小于通过增加最外侧定子52a的定子磁轭61的宽度和增加最外侧定子52b的定子磁轭61的宽度而得到的总长度。结果，与将设置在相邻的动子51a、51b之间的两个定子简单地结合在一起的情况相比，具有整体定子52c的定子磁轭102能获得更小的宽度，从而直线电动机的安装面积进一步减小。

在现有技术的直线电动机中，如图7A所示，将定子52a、52b制成预定的长度L，并且多个这种定子52a、52b沿着动子51的行程布置在动子51的移动方向上。此时，如果在相邻的定子52a和相邻的定子52b之间的边界部101设置有间隙，那么磁通量62将通过此间隙，从而增加磁阻。当动子51通过边界部101位于X轴方向上的位置时，磁通量62通过边界部10，从而磁阻增加。另一方面，在动子51不通过边界部101位于X轴方向上的位置时，磁通量62不通过边界部10，由此产生低磁阻。这样，由于在定子52a、52b内部产生的磁通量62的变化取决于动子51的位置，存在有推力波动变大的缺点。

在按如上所述安装的直线电动机中，在整体定子52c内部产生的磁通量110的产生方向是Y方向，其垂直于动子51a、51b的移动方向。结果，在整体定子52c的定子磁轭102处产生的磁通量110不通过整体定子52c的边界部101。因此，定子磁轭的磁阻的变化减少，并且与相对于动子的移动方向平行布置多个现有技术的直线电动机的情况相比，推力波动减小。例如，在两个直线电动机相对于动子51的移动方向排成两行的情况下，与现有技术的直线电动机相比，本发明的直线电动机的定子磁轭61、102的磁阻会变为二分之一，从而推力波动减小。此外，相对于动子51的移动方向布置越多的直线电动机，在动子51之间布置的整体定子52c就越多，整体定子52c在垂直于动子51的移动方向的方向上产生磁通量110，从而推力波动的减小效果就越高。

图5示出另一实施例的直线电动机的安装结构图。虽然图1中的U-形槽侧表面壁82通过切开底座72的一部分而形成，而在图5中，U-形剖面通过螺栓将定子安装构件90固定到底座72而形成。结果，最外侧定子52a、52b通过板状支承件81安装在定子安装构件90的顶面上，从而可获得与上述实施例的直线电动机获得的效果相似的效果。

另外，虽未示出，通过使图1中的最外侧定子52a、52b的形状与整体定子52c的形状相同，可降低诸如用于制作定子52的模具成本。然而，在这种情况，整体定子52c的定子磁轭102的宽度尺寸需要制作得与最外侧定子52a、52b的定子磁轭61的相同，这会稍微增加直线电动机的安装面积。

虽然在图1中示出的定子52a、52b、52c的凸极50都位于X轴方向上的相同位置，但即使不是所有的凸极50都位于相同的位置也能获得与本发明相同的效果。下面将说明其原因。

图6表示采用具有不同的凸极位置的本发明的直线电动机结构的构造图的实例。最外侧定子52a在与动子51a相对的表面上具有凸极50b。最外定子52b在相对动子51b的表面上具有凸极50b。整体定子52c在与动子51a相对的表面上具有凸极50cb，在与动子51b相对的表面上具有凸极50ca。凸极50ca、50cb相对于凸极50a、50b在动子51的移动方向上以二分之一间距P布置。另一方面，设置在动子块53、54、55的A侧、B侧上的磁铁64和59的排列如图6B和图6C所示。换句话说，只有在图7C中示出的B侧上的磁铁被排列成N极和S极相对于图7B和图7C示出的根据本发明的直线电动机的一个实施例的磁铁的排列相反。这也表示磁铁的磁极以二分之一间距P布置。因此，在动子51周围产生与图1相同的磁引力，并且即使是图6所示的直线电动机的结构也会产生相同的推力。

如上所述，由于通过图6示出的直线电动机的结构可获得直线电动机的相同性能，并且整体定子52c的宽度和在整体定子52c的内部产生的磁通量110与图1中的相同，因此可获得与本发明相似的效果。

凸极50a、50ca、50cb位于相同位置并且仅凸极50b以二分之一间距P布置的结构，或者凸极50b、50ca、50cb位于相同位置并且仅凸极50a以二分之一间距P布置的结构，同样如此。如上所述，布置在动子51的移动方向上的各个定子52的凸极50的结构产生与本发明相似的效果，因而这种结构包含在本发明内。

虽在所有前述实施例中已给出关于具有如图1和图6所示的结构的动子51的直线电动机的说明，但动子51的结构不限于此。本发明适用于具有与图1和图6示出的不同类型的动子51结构的直线电动机，只要定子52的形状相同。

Claims (4)

1.一种直线电动机，包括：

两个定子，其平行延伸并且具有以预定的间距布置在相反面上的凸极；动子，其具有三种动子块，所述动子块由构成三相磁极的三相交流线圈和永久磁铁组成，所述永久磁铁以交替极性布置在与所述两个定子中的每一个相对的所述动子块的两个表面上，所述动子能够在所述两个定子之间沿所述定子延伸的方向移动；其中

多个直线电动机相对于所述动子的移动方向平行布置；并且设置在相邻动子之间的所述两个定子整体形成，以使所述两个定子在与所述动子相对的两个表面上具有所述凸极。

2.根据权利要求1所述的直线电动机，进一步包括：

底座，其与所述定子的底面接触以固定所述定子；

两个定子安装构件，其设置于在与所述动子的移动方向垂直的方向上位于外侧的最外侧定子的外侧；所述最外侧定子在是平行布置的所述多个直线电动机的最外侧的两个直线电动机的定子；所述两个定子安装构件向上延伸到与从所述底座到所述最外侧定子的顶面的高度基本一致的高度；以及

两个板状支承件，其连接并固定到所述最外侧定子的顶面和所述两个定子安装构件的顶面；其中

所述最外侧定子在其底面固定到所述底座，并通过所述板状支承件在所述定子安装构件的顶面上固定到所述定子安装构件。

3.根据权利要求1所述的直线电动机，其中：

所述最外侧定子是平行布置的所述多个直线电动机的最外侧的两个直线电动机的定子，并且在与所述动子的移动方向垂直的方向上位于外侧，所述最外侧定子具有与所述整体形成的定子相同的形状。

4.根据权利要求1所述的直线电动机，其中：

所述整体形成的定子是位于平行布置的多个直线电动机的最外侧的两个直线电动机的定子，并且被形成为使其在与所述动子的移动方向垂直的方向上的宽度小于位于相对于所述动子的移动方向的外侧的最外侧定子。

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