CN102011828A - 混合励磁直线电磁阻尼器 - Google Patents

Abstract

混合励磁直线电磁阻尼器，属于电机技术领域。它解决了现有直线电机驱动系统中使用的阻尼器可控性差及控制难度大的问题。它包括初级和次级，初级和次级之间为气隙，所述初级由铁心、永磁体和励磁线圈组成，所述永磁体和励磁线圈均设置在铁心上，并且永磁体和励磁线圈在铁心上形成并联磁路，所述次级与初级相对应设置，并且所述铁心上并联磁路的磁力线垂直穿过次级。本发明适用于直线驱动系统中。

Description

混合励磁直线电磁阻尼器

技术领域

本发明涉及一种混合励磁直线电磁阻尼器，属于电机技术领域。

背景技术

在现代加工工业领域，诸如激光切割、高速磨床、精密车床、加工中心等很多场合都需要高速度高精度的直线运动，而传统的方法只能借助于旋转电动机和滚珠丝杆等中间环节来获得直线运动，这就不可避免地存在惯性大、摩擦大、有反向间隙等缺点。近年来，随着直线电机技术的进步，越来越多的场合开始直接应用它来获得直线运动。由于采用直接驱动技术，直线电机具有速度快、加速度高、定位精度高、行程长和动态响应快等优点，它能更好的满足高速精密加工技术的要求。

由于直线电机驱动系统缺少中间阻尼环节，使得系统的阻尼小、抗扰动能力弱，当由于系统加速度突变或外部扰动不经过任何中间环节的衰减而直接传到直线电机上，易使直线电机产生振荡和超调，定位所需要的整定时间长，从而限制了系统稳定性、快速性和定位精度的进一步提高。

在直线电机驱动系统中，通常采用在系统中安装阻尼器的方法来产生阻尼力。用于直线电机驱动系统中常见的阻尼器主要有以下两种：机械阻尼器和磁流变阻尼器。机械阻尼器由于需要维护，可控性差，而难以满足系统的高精度要求；磁流变阻尼器采用一种有效的半主动阻尼控制技术，具有响应迅速、阻尼力大、使用方便、设备要求低等优点，近年来成为研究的热点。但是，磁流变阻尼器的成本高、结构复杂、控制难度大，这限制了其在高精度运动控制系统中的应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有直线电机驱动系统中使用的阻尼器可控性差及控制难度大的问题，提供一种混合励磁直线电磁阻尼器。

本发明包括初级和次级，初级和次级之间为气隙，所述初级由铁心、永磁体和励磁线圈组成，

所述永磁体和励磁线圈均设置在铁心上，并且永磁体和励磁线圈在铁心上形成并联磁路，

所述次级与初级相对应设置，并且所述铁心上并联磁路的磁力线垂直穿过次级。

本发明的优点是：本发明所述的阻尼器构成简单、成本低、容易控制、可控性强并且可靠性高，将其使用于高精度直线驱动系统中，在直线电机定位时产生电磁阻尼力，能够提高系统的阻尼、提高抗扰动能力，它能有效抑制直线电机驱动系统定位控制时动子的振动，抑制系统振荡和超调，缩短定位所需要的整定时间，进而提高系统的稳定性、快速性和定位精度。

附图说明

图1为实施方式三所述阻尼器的结构示意图；

图2为实施方式四所述阻尼器的结构示意图，此时N＝3；

图3为实施方式六所述阻尼器的结构示意图；

图4为实施方式七所述阻尼器的结构示意；

图5为实施方式八所述阻尼器的结构示意；此时N＝3；

图6为实施方式十所述阻尼器的结构示意。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式包括初级和次级2，初级和次级2之间为气隙，所述初级由铁心1-1、永磁体1-2和励磁线圈1-3组成，

所述永磁体1-2和励磁线圈1-3均设置在铁心1-1上，并且永磁体1-2和励磁线圈1-3在铁心1-1上形成并联磁路，

所述次级2与初级相对应设置，并且所述铁心1-1上并联磁路的磁力线垂直穿过次级2。

当励磁线圈1-3不通电时，初级和次级2无磁通交链。

本实施方式所述的混合励磁直线电磁阻尼器可以是动初级结构，也可以是动次级结构。当该电磁阻尼器应用于高精度直线驱动系统中时，将阻尼器的次级固定在直线电机的次级上，将阻尼器的初级固定在直线运动机构的初级上，将阻尼器的励磁线圈1-3与驱动系统中励磁控制器的电流输出端连接在一起。

在直线电机动子的运动过程中，要保持所述阻尼器的初级和次级2之间的气隙不变。

直线驱动系统中的直线电机动子，可以采用气浮导轨支撑，也可以采用磁浮导轨或机械直线导轨支承。所述的直线电机可以为动初级结构，也可以为动次级结构；所述直线电机可以为单边结构，也可以为双边结构；所述直线电机可以是单自由度或多自由度运动的直线直流电机、直线永磁同步电机、直线磁阻电机、直线感应电机。

具体实施方式二：本实施方式为对实施方式一的进一步说明，所述次级2为高电导率材料制成的次级或者为高电导率材料层与高磁导率材料层制成的复合次级，所述复合次级的气隙侧表面层为高电导率材料层。其它组成及连接关系与实施方式一相同。

所述高电导率材料可以为铜或铝。当所述阻尼器为双边双初级结构时，次级2可采用高电导率材料层分别作为两侧的气隙侧表面层，而采用高磁导率材料层作为中间层。

具体实施方式三：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式二的进一步说明，所述阻尼器为双边单初级结构，

初级铁心1-1由水平段与两个竖直心柱形成门字形结构，所述水平段的中部缠绕励磁线圈1-3或者每个竖直心柱的上段缠绕一个励磁线圈1-3，两个竖直心柱的中段之间夹固永磁体1-2，次级2设置于两个竖直心柱的下段内侧壁之间，次级2与两个竖直心柱的下段内侧壁之间分别形成气隙。其它组成及连接关系与实施方式二相同。

所述次级2沿与磁力线垂直的方向呈薄板状。

图1所示，初级铁心1-1由心柱段、永磁体磁轭段和次级交链段构成，励磁绕组由两个励磁线圈1-3串联而成，永磁体1-2可采用平板形稀土永磁体，对其平行充磁，当励磁线圈1-3通电时产生的磁力线会穿过气隙。

本实施方式所述的直线电磁阻尼器，更适用于带有单边结构直线电机或者双边单初级结构直线电机的直线驱动系统中。

具体实施方式四：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式二的进一步说明，所述阻尼器为双边单初级并联结构，

初级铁心1-1由水平段与N个竖直心柱形成N-1个齿的梳状结构，N为大于等于3的自然数，所述每相邻两个竖直心柱之间的水平段的中部缠绕一个励磁线圈1-3或者每个竖直心柱的上段缠绕一个励磁线圈1-3，每相邻两个竖直心柱的中段之间夹固一个永磁体1-2，每相邻两个竖直心柱的下段内侧壁之间设置一个次级2，每个次级2与其两侧的竖直心柱的内侧壁之间分别形成气隙，N-1个次级2通过固定板3固定连接。其它组成及连接关系与实施方式二相同。

图2所示，相当于将两个初级并联在一起，并分别对应一个次级。还可以根据需要将更多的初级关联在一起，以提高阻尼力。

本实施方式所述的直线电磁阻尼器，更适用于带有单边结构直线电机或者双边单初级结构直线电机的直线驱动系统中。

具体实施方式五：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式三或四的进一步说明，所述每个竖直心柱的下段内侧壁具有输出端凸起。其它组成及连接关系与实施方式三或四相同。

具体实施方式六：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式为对实施方式二的进一步说明，所述阻尼器为单边直线结构，

初级铁心1-1由水平段与两个竖直心柱形成门字形结构，所述水平段的中部缠绕励磁线圈1-3或者每个竖直心柱的上段缠绕一个励磁线圈1-3，两个竖直心柱的中段之间夹固永磁体1-2，

次级2与两个竖直心柱的底面相对，且平行设置，次级2与两个竖直心柱的底面之间形成气隙。其它组成及连接关系与实施方式二相同。

图3所示，当励磁线圈1-3通电时，产生的磁力线会垂直穿过气隙和次级2。

本实施方式所述的直线电磁阻尼器，更适用于带有单边结构直线电机的直线驱动系统中。

具体实施方式七：下面结合图4说明本实施方式，本实施方式与实施方式二的不同之处在于，所述阻尼器为双边双初级结构，两个初级呈镜像对称设置于次级2的两侧，

每个初级铁心1-1由水平段与两个竖直心柱形成门字形结构，所述水平段的中部缠绕励磁线圈1-3或者每个竖直心柱的上段缠绕一个励磁线圈1-3，两个竖直心柱的中段之间夹固永磁体1-2，

次级2与每个初级的两个竖直心柱的底面之间分别形成气隙；

所述两个初级上的磁路形成串联磁路。其它组成及连接关系与实施方式二相同。

本实施方式中次级2夹在两个初级之间，两个初级上的励磁线圈1-3通电后产生的磁力线形成串联磁路，垂直穿过次级2，次级2沿运动方向呈薄板状。

图4所示，两个初级上的励磁线圈1-3相串联，通电时产生的磁力线方向相同，并穿过气隙和次级2。

本实施方式所述的直线电磁阻尼器，更适用于带有双边结构直线电机的直线驱动系统中。

具体实施方式八：下面结合图5说明本实施方式，本实施方式为对实施方式二的进一步说明，所述阻尼器为双边双初级并联结构，两个初级呈镜像对称设置于次级2的两侧，

每个初级铁心1-1由水平段与N个竖直心柱形成N-1个齿的梳状结构，所述每相邻两个竖直心柱之间的水平段的中部缠绕一个励磁线圈1-3或者每个竖直心柱的上段缠绕一个励磁线圈1-3，两个竖直心柱的中段之间夹固永磁体1-2，

次级2与每个初级的N-1个竖直心柱的底面之间分别形成气隙；

所述两个初级上的磁路形成串联磁路。其它组成及连接关系与实施方式二相同。

图5所示，本实施方式相当于将两个初级并联在一起作为一个初级，而共用一个次级2，它能够增大阻尼力。根据使用的需要，还可以沿动子的运动方向，按照相同的方式，将更多的初级并联在一起，以提高阻尼力。

本实施方式所述的直线电磁阻尼器，更适用于带有双边结构直线电机的直线驱动系统中。

具体实施方式九：下面结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式为对实施方式三、四、六、七或八的进一步限定，所述夹固永磁体1-2的两个竖直心柱的中段内侧壁均具有中段凸起，永磁体1-2夹固在两个中段凸起的内侧表面之间，所述中段凸起与永磁体1-2相接触的表面形状与该永磁体1-2的表面形状相同。其它组成及连接关系与实施方式三、四、六、七或八相同。

具体实施方式十：下面结合图6说明本实施方式，本实施方式为对实施方式九的进一步限定，所述每个竖直心柱与次级2相对的表面上开有多个相互平行的矩形槽，所述多个矩形槽的形状相同，每个矩形槽沿与动子运动方向垂直的方向贯穿其所在竖直心柱的表面，每个矩形槽的底面平行于次级2。其它组成及连接关系与实施方式九相同。

所述齿槽的槽截面可以是方形、半圆形或其它形状。

所述竖直心柱上开矩形槽的结构，有利于提高铁心1-1上形成的磁场的波形频率，并使谐波次数增多，进而在次级2上形成的涡流变大，使所述阻尼器的阻尼效果更好。

在直线驱动系统中，为提高阻尼力，可以在一个直线电机上安装多个本发明所述的阻尼器，也可以将阻尼器采用单次级、多初级的结构。

另外，本发明所述的阻尼器，其次级2还可以做成圆筒形，初级可沿次级2的轴向或圆周方向固定在次级的外侧，初级与次级2之间为气隙。根据需要，阻尼器的次级2还可以做成截面为三角形或方形等的形状。

本发明不局限于上述实施方式，还可以是上述各实施方式中所述技术特征的合理组合。

Claims (10)

1.一种混合励磁直线电磁阻尼器，其特征在于：它包括初级和次级(2)，初级和次级(2)之间为气隙，所述初级由铁心(1-1)、永磁体(1-2)和励磁线圈(1-3)组成，

所述永磁体(1-2)和励磁线圈(1-3)均设置在铁心(1-1)上，并且永磁体(1-2)和励磁线圈(1-3)在铁心(1-1)上形成并联磁路，

所述次级(2)与初级相对应设置，并且所述铁心(1-1)上并联磁路的磁力线垂直穿过次级(2)。

2.根据权利要求1所述的混合励磁直线电磁阻尼器，其特征在于：所述次级(2)为高电导率材料制成的次级或者为高电导率材料层与高磁导率材料层制成的复合次级，所述复合次级的气隙侧表面层为高电导率材料层。

3.根据权利要求2所述的混合励磁直线电磁阻尼器，其特征在于：所述阻尼器为双边单初级结构，

初级铁心(1-1)由水平段与两个竖直心柱形成门字形结构，所述水平段的中部缠绕励磁线圈(1-3)或者每个竖直心柱的上段缠绕一个励磁线圈(1-3)，两个竖直心柱的中段之间夹固永磁体(1-2)，次级(2)设置于两个竖直心柱的下段内侧壁之间，次级(2)与两个竖直心柱的下段内侧壁之间分别形成气隙。

4.根据权利要求2所述的混合励磁直线电磁阻尼器，其特征在于：所述阻尼器为双边单初级并联结构，

初级铁心(1-1)由水平段与N个竖直心柱形成N-1个齿的梳状结构，N为大于等于3的自然数，所述每相邻两个竖直心柱之间的水平段的中部缠绕一个励磁线圈(1-3)或者每个竖直心柱的上段缠绕一个励磁线圈(1-3)，每相邻两个竖直心柱的中段之间夹固一个永磁体(1-2)，每相邻两个竖直心柱的下段内侧壁之间设置一个次级(2)，每个次级(2)与其两侧的竖直心柱的内侧壁之间分别形成气隙，N-1个次级(2)通过固定板(3)固定连接。

5.根据权利要求3或4所述的混合励磁直线电磁阻尼器，其特征在于：所述每个竖直心柱的下段内侧壁具有输出端凸起。

6.根据权利要求2所述的混合励磁直线电磁阻尼器，其特征在于：所述阻尼器为单边直线结构，

初级铁心(1-1)由水平段与两个竖直心柱形成门字形结构，所述水平段的中部缠绕励磁线圈(1-3)或者每个竖直心柱的上段缠绕一个励磁线圈(1-3)，两个竖直心柱的中段之间夹固永磁体(1-2)，

次级(2)与两个竖直心柱的底面相对，且平行设置，次级(2)与两个竖直心柱的底面之间形成气隙。

7.根据权利要求2所述的混合励磁直线电磁阻尼器，其特征在于：所述阻尼器为双边双初级结构，两个初级呈镜像对称设置于次级(2)的两侧，

每个初级铁心(1-1)由水平段与两个竖直心柱形成门字形结构，所述水平段的中部缠绕励磁线圈(1-3)或者每个竖直心柱的上段缠绕一个励磁线圈(1-3)，两个竖直心柱的中段之间夹固永磁体(1-2)，

次级(2)与每个初级的两个竖直心柱的底面之间分别形成气隙；

所述两个初级上的磁路形成串联磁路。

8.根据权利要求2所述的混合励磁直线电磁阻尼器，其特征在于：所述阻尼器为双边双初级并联结构，两个初级呈镜像对称设置于次级(2)的两侧，

每个初级铁心(1-1)由水平段与N个竖直心柱形成N-1个齿的梳状结构，所述每相邻两个竖直心柱之间的水平段的中部缠绕一个励磁线圈(1-3)或者每个竖直心柱的上段缠绕一个励磁线圈(1-3)，两个竖直心柱的中段之间夹固永磁体(1-2)，

次级(2)与每个初级的N-1个竖直心柱的底面之间分别形成气隙；

所述两个初级上的磁路形成串联磁路。

9.根据权利要求3、4、6、7或8所述的混合励磁直线电磁阻尼器，其特征在于：所述夹固永磁体(1-2)的两个竖直心柱的中段内侧壁均具有中段凸起，永磁体(1-2)夹固在两个中段凸起的内侧表面之间，所述中段凸起与永磁体(1-2)相接触的表面形状与该永磁体(1-2)的表面形状相同。

10.根据权利要求9所述的混合励磁直线电磁阻尼器，其特征在于：所述每个竖直心柱与次级(2)相对的表面上开有多个相互平行的矩形槽，所述多个矩形槽的形状相同，每个矩形槽沿与动子运动方向垂直的方向贯穿其所在竖直心柱的表面，每个矩形槽的底面平行于次级(2)。

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