CN101951114B - 一种永磁悬浮支承圆筒型直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁悬浮支承圆筒型直线电机。该直线电机包括永磁轴承定子永磁环、动子永磁环、圆筒型直线电机定子及动子永磁环阵列、直线位移传感器、紧固螺钉及相应直线电机驱动系统。采用被动型轴向永磁轴承支承直线电机动子，靠径向永磁轴承的自动定心和斥力作用使动子与定子之间没有机械接触，减小了摩擦(理论上没有摩擦)，无需提供润滑油，无主动控制线圈，不会发热，比机械轴承支承电机具有更好的动态性能，易于维护，寿命长。但被动磁轴承一旦设计定型，磁轴承刚度确定，刚度会随移动距离而变化，且比主动磁轴承低，精度有限。

Description

一种永磁悬浮支承圆筒型直线电机

技术领域

本发明涉及一种电机，特别是涉及一种永磁悬浮支承圆筒型直线电机。

技术背景

在一些微电子制造及生物制造领域，对设备运动的热变化和作业洁净度都提出了很高要求。机械直线轴承中机械摩擦带来的磨损、低速爬行、润滑液污染不利影响，系统的运动精度和动态响应能力低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可实现无接触的磁浮直线运动，能有效提高系统的运动精度和动态响应能力的永磁悬浮支承圆筒型直线电机。

为了解决上述技术问题，本发明提供的永磁悬浮支承圆筒型直线电机，包括直线电机定子铁芯、直线电机长定子线圈绕组、电机动子主轴和环形永久磁铁阵列，所述的直线电机定子铁芯的左端设有左内支承座和左外压板，右端设有右内支承座和右外压板，在所述的左内支承座内设有左端磁轴承定子永磁环，所述的电机动子主轴的左端设有与所述的左端磁轴承定子永磁环相互作用的左永磁轴承动子永磁环，在所述的电机动子主轴上所述的左端磁轴承定子永磁环与所述的环形永久磁铁阵列之间设有隔磁挡块，所述的右内支承座内设有右端磁轴承定子永磁环，所述的电机动子主轴的右端上设有与所述的右端磁轴承定子永磁环相互作用的右永磁轴承动子永磁环。

所述的电机动子主轴上设有直线光栅标尺，在所述的右外压板上设有读取所述的直线光栅标尺的直线光栅读数头。

所述的左内支承座和左外压板通过左紧固螺钉安装在所述的直线电机定子铁芯的左端上。

所述的右内支承座和右外压板通过右紧固螺钉安装在所述的直线电机定子铁芯的右端上。

所述的左永磁轴承动子永磁环通过左侧轴向紧固螺钉安装在所述的电机动子主轴的左端上。

所述的右永磁轴承动子永磁环通过右侧轴向紧固螺钉安装在所述的电机动子主轴的右端上。

所述的直线光栅读数头通过紧固螺钉安装在所述的右外压板上。

所述的直线电机定子铁芯和所述的电机动子主轴采用长定子、短动子结构。

采用上述技术方案的永磁悬浮支承圆筒型直线电机，是一种被动式永磁悬浮轴承与直线电机相结合的磁浮直线电机驱动技术。其中磁浮轴承为一种无控制的永磁轴承，无需要提供主动控制系统，只靠定子和动子间永磁环的相互静磁作用力即可保持动子在径向方向处于悬浮支承状态。直线电机可设计为三相或两相驱动圆筒型直线电机，与轴向直线电机的主动控制相结合，可保持直线运动时系统处于稳定悬浮状态。被动永磁轴承通过动子和定子上安装的至少两对永磁环的磁作用力，可保持动子相对定子在径向具有自动定心作用，从而使动子悬浮起来，使动子和定子之间没有任何机械接触，具有无摩擦、无磨损、无需润滑、寿命长、永磁轴承不发热等一系列优点。将磁轴承代替机械轴承形成一种新型磁浮直线驱动电机，可消除动子与定子间机械摩擦的影响，提高电机动态响应能力，并且因为无机械磨损，无需润滑油，特别适应于洁净度要求高的工作环境。应用电机现代交流伺服控制技术，可使系统在轴向达到极高的运动精度和运动速度。

综上所述，本发明是一种可实现无接触的磁浮直线运动，能有效提高系统的运动精度和动态响应能力的永磁悬浮支承圆筒型直线电机。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

参见图1，直线电机定子铁芯9上设有直线电机长定子线圈绕组12、电机动子主轴3上设有环形永久磁铁阵列10和隔磁环11，直线电机定子铁芯9和所述的电机动子主轴3采用长定子、短动子结构，直线电机定子铁芯9的左端通过右紧固螺钉15设有左内支承座7和左外压板6，右端通过右紧固螺钉15设有右内支承座16和右外压板18，在左内支承座7内设有左端磁轴承定子永磁环4，电机动子主轴3的左端通过左侧轴向紧固螺钉1设有与左端磁轴承定子永磁环4相互作用的左永磁轴承动子永磁环2，在电机动子主轴3上左端磁轴承定子永磁环4与环形永久磁铁阵列10之间设有隔磁挡块8，右内支承座16内设有右端磁轴承定子永磁环14，电机动子主轴3的右端通过右侧轴向紧固螺钉17设有与右端磁轴承定子永磁环14相互作用的右永磁轴承动子永磁环13，电机动子主轴3上设有直线光栅标尺19，在右外压板18上通过紧固螺钉21设有读取直线光栅标尺19的直线光栅读数头20。

参见图1，左永磁轴承动子永磁环2和右永磁轴承动子永磁环13为高磁能积永久磁铁，如钕铁硼、钐钴合金等，磁环长度可分块制造，然后叠在一起，可形成无限长磁环。电机动子主轴3为非导磁材料如高强度铝合金、奥氏体不锈钢等，左端磁轴承定子永磁环4和右端磁轴承定子永磁环14可径向或轴向磁化，其磁极化方向与相应的动子永磁环一致。左外压板6与右外压板18分别为固定定子永磁环的外压板，为非导磁材料。左内支承座7与右内支承座16分别为固定定子永磁环的内支承座，为非导磁材料。隔磁挡块8为非导磁材料，直线电机定子铁芯9为高磁导率软磁材料(如硅钢叠片或工业纯铁、低碳钢等)，内侧开有放置线圈的环形槽。本发明采用长定子、短动子结构。环形永久磁铁阵列10的极化方向如图箭头所示，相邻磁环极化方向交错排列，磁环为铁氧体永久磁铁或钕铁硼、钐钴等高磁能积稀土永磁铁。磁化方向可以是径向或轴向，磁极布置方式按图示箭头所示极化方向相间排列。如果极距需要加长，可将多个极性相同的同尺寸磁环叠加在一起，代替整体难以加工和装配的长轴向距离磁环。隔磁环11为非导磁材料(如轻金属铝合金、聚碳酸酯PC、聚四氟乙烯等)。直线电机长定子线圈绕组12为120°电角度差对称可控三相电流。通过对三相绕组电流大小及相序的控制，实现直线精密运动。

本发明的主要特点为：

1、取消了机械接触式直线移动轴承，代之以两个以上可在轴向滑移的被动式径向永磁悬浮轴承。由于磁轴承定子与动子之间无机械接触，靠控制其电磁吸力使电机动子处于稳定悬浮状态，具有无摩擦、无磨损、无需润滑、寿命长、刚度可变，安装维护方便等优点。

2、由于直线电机线圈电流采用交流驱动，而磁轴承为直流驱动，且磁轴承系统与直线电机系统在结构设计上保持了相距较远的距离，两者之间的相互耦合影响很小，永磁轴承与直线驱动系统可独立设计。由于永磁轴承静态时不能独立稳定悬浮，设计中需要考虑无电伺服时的机械限位。

3、本发明只设计了一维直线运动。由于采用了线性反馈元件(光栅尺)，为防止动子轴扭转，动子轴后端及定子后端设计了带方型轴和孔相配合，以确保移动轴只有轴向平移运动，而无法旋转。方型孔和轴之间的气隙略大于磁悬浮气隙。

4、由于动子与定子之间无机械接触，磁浮力与直线驱动力作用方向相互垂直，相互间无耦合影响，无摩擦和反向间隙作用，故系统直线运动响应迅速，系统运动精度高。但径向永磁轴承刚度较低，且径向间隙无主动控制，轴向移动会因动子磁环与定子的相对位置变化，刚度也会变化，因而系统整体运动精度有限。

5、为提高运动加速度，减少动子质量，本发明采用长定子、短动子结构，加长行程靠增加定子长度和直线磁轴承动子长度，动子上非导磁材料采用轻金属(如铝、镁合金)或非金属材料(如橡胶、塑料等)。

6、磁浮直线运动系统无机械磨损产生的颗粒，无需润滑系统，特别适于高速、高洁净度要求直线进给运动系统。

7、永磁悬浮直线电机至少在有两个永磁轴承，通常布置在两端。为了提高支承稳定性，永磁轴承轴向布置数量可以无限增加，但受几何约束和材料的限制。

Claims (7)

1.一种永磁悬浮支承圆筒型直线电机，包括直线电机定子铁芯(9)、直线电机长定子线圈绕组(12)、电机动子主轴(3)和环形永久磁铁阵列(10)，其特征是：所述的直线电机定子铁芯(9)的左端设有左内支承座(7)和左外压板(6)，右端设有右内支承座(16)和右外压板(18)，在所述的左内支承座(7)内设有左端磁轴承定子永磁环(4)，所述的电机动子主轴(3)的左端设有与所述的左端磁轴承定子永磁环(4)相互作用的左永磁轴承动子永磁环(2)，在所述的电机动子主轴(3)上所述的左端磁轴承定子永磁环(4)与所述的环形永久磁铁阵列(10)之间设有隔磁挡块(8)，所述的右内支承座(16)内设有右端磁轴承定子永磁环(14)，所述的电机动子主轴(3)的右端上设有与所述的右端磁轴承定子永磁环(14)相互作用的右永磁轴承动子永磁环(13)；所述的电机动子主轴(3)上设有直线光栅标尺(19)，在所述的右外压板(18)上设有读取所述的直线光栅标尺(19)的直线光栅读数头(20)。

2.根据权利要求1所述的永磁悬浮支承圆筒型直线电机，其特征是：所述的左内支承座(7)和左外压板(6)通过左紧固螺钉(5)安装在所述的直线电机定子铁芯(9)的左端上。

3.根据权利要求1或2所述的永磁悬浮支承圆筒型直线电机，其特征是：所述的右内支承座(16)和右外压板(18)通过右紧固螺钉(15)安装在所述的直线电机定子铁芯(9)的右端上。

4.根据权利要求1或2所述的永磁悬浮支承圆筒型直线电机，其特征是：所述的左永磁轴承动子永磁环(2)通过左侧轴向紧固螺钉(1)安装在所述的电机动子主轴(3)的左端上。

5.根据权利要求1或2所述的永磁悬浮支承圆筒型直线电机，其特征是：所述的右永磁轴承动子永磁环(13)通过右侧轴向紧固螺钉(17)安装在所述的电机动子主轴(3)的右端上。

6.根据权利要求1或2所述的永磁悬浮支承圆筒型直线电机，其特征是：所述的直线光栅读数头(20)通过紧固螺钉(21)安装在所述的右外压板(18)上。

7.根据权利要求1或2所述的永磁悬浮支承圆筒型直线电机，其特征是：所述的直线电机定子铁芯(9)和所述的电机动子主轴(3)采用长定子、短动子结构。

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