CN102185459B - 磁悬浮双边磁阻驱动式直接线性传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮双边磁阻驱动式直接线性传动装置，该装置主要由直线型双边长机座、双边长定子直线磁阻电机、运动承载台、定子机座固定连接杆、动子相间连接杆、直线运动位移传感尺、辅助支承导轨副、悬浮气隙检测传感器、散热风扇等组成。本发明的磁悬浮支承导磁回路与直线磁阻电机定转子导磁回路复用，无需机座导磁，运动部件无永磁体且无需外部供电，具有结构简单紧凑，制造成本低，功率体积比高，电磁推力大，磁路路径短、相间封闭性好、容错能力强和零摩擦运行等优点。

Description

磁悬浮双边磁阻驱动式直接线性传动装置

技术领域

本发明涉及一种直驱式传动、直线磁阻电机和磁悬浮技术等领域，具体涉及一种磁悬浮双边磁阻驱动式直接线性传动装置。

背景技术

直线电机直接驱动系统的“零传动”特性，消除了传统直线往复运动由机械传动带来的间隙、柔度以及与之相关的其它问题，精简了装置结构，提高了传动精度和速度，受到了人们的普遍重视。

目前，大功率直接线性传动常采用的交流感应式直线电机和永磁同步直线电机，存在起动困难、调速设备复杂、功率因数和效率低、整机制造成本高、容错运行能力差等问题。磁阻式直线电机作为一种新型驱动电机，具有制造成本低、起动性能好(大推力小电流)、功率密度高、无极调速性能好、机电效率高、易四象限运行、可适应恶劣环境等，欧美日等发达工业国正在竞相开发相关的技术。如俄罗斯Emetron公司与德国Paderborn大学合作研制了基于6相12/10结构磁阻式直线电机驱动的“RailCab”铁路机车样机；美国维吉尼亚州立理工学院Hong S L等人研制了基于3相6/4结构磁阻式直线电机驱动的垂直驱动电力提升机样机；日本横滨国立大学Sato Y等人讨论并理论验证了3相6/4结构磁阻式直线电机作为2自由度精密定位工作平台驱动电机的可行性等。但综合文献可知，现有磁阻式直线电机的结构形式主要为旋转型磁阻电机的直线展开方式，该种结构导致电机定子与动子间的电磁磁通回路路径长，需要机座导磁，且磁路开放，由此形成了相间电磁耦合度高、磁滞损耗大和对外电磁干扰强的不良特性，因此，有必要进一步改进磁阻式直线电机的结构形式，以减小磁通路径和封闭磁路。

另外，在直线电机直接驱动方式的线性传动装置中，移动部件与传统机械支承导轨之间的摩擦是影响驱动性能的主要因素，因此，消除导轨摩擦产生的不良影响是提高直接线性传动的关键。应用磁悬浮形式的支承导轨是消除摩擦的常用方式，例如专利文献ZL200310107945.5中提出的一种工业应用型主动磁悬浮机床导轨直线电机进给平台，专利文献ZL200710026069.1中提出的一种智能型磁悬浮直线进给单元，均采用6自由度的磁悬浮支承导轨来消除直接线性传动过程中的摩擦。但此类磁悬浮系统由于引入了机械结构上相对独立的磁悬浮功能部件，如专用的承载电磁铁、导向电磁铁以及这些电磁铁的导磁回路等，导致了装置的体积和总质量增大，机械结构趋于复杂，机械部件增多，功率体积比下降；同时，由于运动部件的质量和体积增加，引起动态响应速度降低，并在理论上抑制了临界运动线速度的进一步提高。因此，依据磁悬浮支承电磁结构和直线电机定子电磁结构的相似性，研究磁悬浮支承导磁回路和直线电机定转子导磁回路复用的，紧凑结构的磁悬浮直接线性传动装置，具有良好的工程实用意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑，电磁推力大，磁路路径短且相间封闭性好，容错能力强的磁悬浮双边磁阻驱动式直接线性传动装置。

本发明的技术解决方案是：

一种磁悬浮双边磁阻驱动式直接线性传动装置，其特征是：双边长定子直线磁阻电机的定子通过定子机座固定连接杆与直线型双边长机座连接；双边长定子直线磁阻电机的动子通过动子相间连接杆与运动承载台连接；直线运动位移传感尺的动尺部件和静尺部件分别与运动承载台和直线型双边长机座连接；运动承载台与直线型双边长机座之间的两侧各安装一套辅助支承导轨副，其中，辅助支承导轨副的静导轨与直线型双边长机座固定安装，辅助支承导轨副的动导轨与运动承载台固定安装，直线型双边长机座的始末两端均安装一组散热风扇；所述双边长定子直线磁阻电机的每相定子由一个“E”形的定子铁心和绕在该定子铁心上的4套相互独立的定子线圈绕组组成，每个“E”形定子铁心由一组“E”形截面的电工钢片叠压而成，在“E”形定子铁心开口处的3个断截面末端各安装1个悬浮气隙检测传感器；所述双边长定子直线磁阻电机的每相动子仅由一个矩形的动子铁心组成，每个矩形动子铁心由一组矩形截面的电工钢片叠压而成。

一套辅助支承导轨副的静导轨纵截面为“凹”形。

所述双边长定子直线磁阻电机的定子为双边n相，n≥4，动子为双边n-1相；定子和动子的安装布局为左右两边对称结构，同一纵截面下两边的一对“E”形定子铁心开口相向；在动子前后运动方向上，各相定子等间距排列，各相动子也等间距排列，各相定子间的间距长度与各相动子间的间距长度之比等于动子相数与定子相数之比。

所述定子机座固定连接杆和动子相间连接杆均由非导磁材料制成。所述双边长定子直线磁阻电机的磁路封闭于各相定子铁心和动子铁心之内。

所述“E”形定子铁心上的4套相互独立的定子线圈绕组分类为：由1套线圈绕组组成的电机电磁推力绕组部分和由3套线圈绕组组成的磁悬浮气隙控制绕组部分。电机电磁推力绕组部分由1套线圈绕组组成，其功能是：通过对该线圈绕组的励磁电流控制，实现动子和运动承载台在Z轴方向上的前后运动；磁悬浮气隙控制绕组部分由其余3套线圈绕组组成，其功能是：通过对该3套线圈绕组的励磁电流控制，实现动子和运动承载台在X轴和Y轴方向上的悬浮气隙控制。

在装置Z轴方向上，通过直线运动位移传感尺对运动承载台的实时位移反馈，可以获得双边长定子直线磁阻电机各相动子与相应定子之间的相对位置，依据磁阻电机的“磁阻最小”控制原理以及用户需要的运动承载台运动方向(Z轴正方向或Z轴负方向)和速度，即可计算得出双边长定子直线磁阻电机各相定子电机电磁推力绕组所需的励磁控制电流的时序和幅值。

在装置X-Y轴平面上，通过与定子相对固定安装的多个悬浮气隙检测传感器对动子与定子间气隙间距大小的实时检测，可以获得动子在X轴和Y轴方向上相对于定子的悬浮位置，依据磁悬浮技术中悬浮气隙的差动控制原理，即可计算得出各相定子上的磁悬浮气隙控制绕组所需的励磁控制电流的幅值和方向。

依据上述控制原理，磁悬浮双边磁阻驱动式直接线性传动装置正常工作时，即可实现无摩擦、高加速度、高速、大推力、线性直驱运行。

辅助支承导轨副在装置停止工作时，以及工作时突发机械故障或断电等特殊情况下，起到动子及运动承载台在X-Y轴方向上的辅助支承与导向作用。

本发明的优点在于：

(1)在磁悬浮支承特性方面，磁悬浮气隙控制绕组与电机电磁推力绕组共用定子铁心，实现了磁悬浮功能部件与定子部件机械结构合一，提高了铁心的利用率，极大地简化了机械结构，缩减了装置体积。

(2)在励磁磁路特性方面，直线电机的电机电磁推力绕组和磁悬浮气隙控制绕组的励磁工作磁路均局限于单个“E”形定子铁心及其相对应的动子铁心内部，无需机座等其他部件导磁，磁路呈内部封闭状态，因此，磁路闭合路径短，磁滞损耗小，相间电磁耦合度低，对外电磁干扰少，省去了隔磁防护部件。

(3)在运动部件结构方面，装置的运动部件均由无源部件组成，无需外部供电或拖挂导线(铰链)，结构简单坚固，运动惯量小，可实现高速运动。

(4)在装置性能及制造成本方面，兼具了磁阻电机、磁悬浮和直线传动的优点；整机无永磁材料，结构简单，制造难度小，功率体积比大，成本低；电机(机座)内部空间大，散热方便。

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为本发明一个实施例的装置结构主视图。

图2为图1的俯视图。

图3为图1的左视图。

在图1、图2和图3中：1直线型双边长机座、2定子机座固定连接杆、3双边长定子直线磁阻电机的定子、4双边长定子直线磁阻电机的动子、5动子相间连接杆、6运动承载台、7直线运动位移传感尺的静尺、8直线运动位移传感尺的动尺、9辅助支承导轨副的静导轨、10辅助支承导轨副的动导轨、11悬浮气隙检测传感器、12定子线圈绕组、13散热风扇。

图4、图5、图6为图1示例中，定子线圈绕组4种励磁磁路的磁力线分布示意图。

图4、图5、图6中，箭头方向代表相应的线圈经励磁后，产生的磁力线方向。

以上附图是以由双边四相长定子直线磁阻电机(即定子为双边四相，动子为双边三相)构成的磁悬浮双边磁阻驱动式直接线性传动装置结构来说明的。根据磁阻电机的基本原理，同样可适用于采用相数更多的双边长定子直线磁阻电机构成的磁悬浮双边磁阻驱动式直接线性传动装置。

具体实施方式

以由双边四相长定子直线磁阻电机构成的磁悬浮双边磁阻驱动式直接线性传动装置结构为例，结合附图对本发明作进一步说明。

所述的磁悬浮双边磁阻驱动式直接线性传动装置由直线型双边长机座1、定子机座固定连接杆2、双边长定子直线磁阻电机的定子3、双边长定子直线磁阻电机的动子4、动子相间连接杆5、运动承载台6、直线运动位移传感尺的静尺7、直线运动位移传感尺的动尺8、辅助支承导轨副的静导轨9、辅助支承导轨副的动导轨10、悬浮气隙检测传感器11、定子线圈绕组12、散热风扇13等组成。

参见附图1、图2和图3，双边长定子直线磁阻电机的定子3通过定子机座固定连接杆2与直线型双边长机座1连接；双边长定子直线磁阻电机的动子4通过动子相间连接杆5与运动承载台6连接；直线运动位移传感尺的动尺部件8和静尺部件7分别与运动承载台6和直线型双边长机座1连接；运动承载台6与直线型双边长机座1之间的两侧各安装一套辅助支承导轨副，其中，辅助支承导轨副的静导轨9与直线型双边长机座1固定安装，辅助支承导轨副的动导轨10与运动承载台6固定安装，此外，其中一套辅助支承导轨副的静导轨纵截面为“凹”形，此静导轨“凹”形开口的宽度稍大于其内的动导轨纵截面宽度，以限制运动承载台6在X轴方向上的位移摆动幅度；直线型双边长机座1的始末两端均安装一组散热风扇13，使得在机座内部形成一定的气流，达到散热的目的。所述双边长定子直线磁阻电机的每相定子3由一个“E”形的定子铁心和绕在该定子铁心上的4套相互独立的定子线圈绕组12组成，每个“E”形定子铁心由一组“E”形截面的电工钢片叠压而成，在“E”形定子铁心开口处的3个断截面末端各安装1个悬浮气隙检测传感器11；所述双边长定子直线磁阻电机的每相动子4仅由一个矩形的动子铁心组成，每个矩形动子铁心由一组矩形截面的电工钢片叠压而成。

本实施附图例中，双边长定子直线磁阻电机的定子为双边四相结构，分别为X轴左边SA、SB、SC、SD四相和X轴右边NA、NB、NC、ND四相，这些双边定子按X轴方向左右两边对称，以及Z轴方向前后间隔一致(附图中此间距为ls)的布局方式安装固定。每相定子由一个“E”形的定子铁心和绕在该定子铁心上的4套相互独立的定子线圈绕组12组成。每个“E”形定子铁心由一组“E”形截面的电工钢片叠压而成，在“E”形定子铁心开口处的3个断截面末端各安装1个悬浮气隙检测传感器11。同一纵截面下电机左右两边的一对“E”形定子铁心开口相向。

依据本装置的新型结构，通过磁阻电机的基本原理分析可推知，当定子为双边n相(n≥4)时，动子为双边n-1相。因此，该双边四相长定子直线磁阻电机的动子应为双边三相。每相动子仅由一个矩形的动子铁心组成，该动子铁心上没有绕组，每个矩形动子铁心由一组矩形截面的电工钢片叠压而成。这些动子按X轴方向左右两边对称，以及Z轴方向前后间隔一致(附图中此间距为lm)的布局方式排列。同一纵截面下，左右两边对称的2个动子通过1个动子相间连接杆5连接后，形成1组双边动子相，故该双边四相长定子直线磁阻电机共有3个双边动子相TA、TB、TC。定子间距ls与动子间距lm的比值等于动子相数与定子相数之比，即：

$\frac{\mathrm{ls}}{\mathrm{lm}}=\frac{n-1}{n},$ n≥4。

每相定子铁心上的4套线圈绕组按照其励磁控制的功能不同，可分为两类，即由1套线圈绕组组成的电机电磁推力绕组部分和由3套线圈绕组组成的磁悬浮气隙控制绕组部分。以同一纵截面下双边的一组定子和动子为例，参见附图4至附图6，左边定子铁心上的1套电机电磁推力绕组为A1-A1′，左边定子铁心上的3套磁悬浮气隙控制绕组为B1、C1和D1，右边定子铁心上的1套电机电磁推力绕组为A2-A2′，右边定子铁心上的3套磁悬浮气隙控制绕组为B2、C2和D2。现将左右两边定子铁心上共8套线圈绕组的功能和工作原理阐述如下：绕组A1-A1′和绕组A2-A2′为一对电机电磁推力绕组，二者同时上电和断电，上电时需按照图4所示的磁通方向进行励磁，即可使得动子获得Z方向上前进或后退的电磁推力；绕组B1和绕组C1为一对磁悬浮气隙控制绕组，依据悬浮气隙检测传感器检测值，采用差动电流控制方式，按照图5所示的磁通方向进行励磁，即可控制左侧动子在Y轴方向的上下两端与相应定子间的悬浮气隙y1和y1′的值；绕组B2和绕组C2为一对磁悬浮气隙控制绕组，依据悬浮气隙检测传感器检测值，采用差动电流控制方式，按照图5所示的磁通方向进行励磁，即可控制右侧动子在Y轴方向的上下两端与相应定子间的悬浮气隙y2和y2′的值；绕组D1和绕组D2为一对磁悬浮气隙控制绕组，依据悬浮气隙检测传感器检测值，采用差动电流控制方式，按照图6所示的磁通方向进行励磁，即可控制双边动子在X轴方向的左右两侧与相应定子间的悬浮气隙x0和x0′的值。

双边长定子直线磁阻电机的动子相对于定子的实时位置，可以通过直线运动位移传感尺的实时位移反馈计算得到。参见附图2，若此时双边定子上的电机电磁推力绕组，按照左侧SB→SC→SD→SA→SB时序通电，右侧NB→NC→ND→NA→NB时序通电，则动子及运动承载台可获得Z轴负方向上的持续推力；若此时双边定子上的电机电磁推力绕组，按照左侧SD→SC→SB→SA→SD时序通电，右侧ND→NC→NB→NA→ND时序通电，则动子及运动承载台可获得Z轴正方向上的持续推力。控制了各电机电磁推力绕组的励磁电流幅值，即可控制动子及运动承载台的移动速度。

辅助支承导轨副的动导轨10随着动子及运动承载台6同步移动。正常工作时，由于悬浮控制作用，动导轨10与静导轨9无接触；在装置停止工作时，以及工作状态时突发机械故障或断电等特殊情况下，辅助支承导轨副的动导轨10与静导轨9接触，起到动子及运动承载台6在X-Y轴方向上的辅助支承与导向作用。

为了保证运动承载台6在所需的行程范围内，双边长定子直线磁阻电机的定子与动子之间的相数耦合关系始终保持不变(即定子为双边n相，动子为双边n-1相，n≥4)，在装置制造时，实际安装在机座两边的定子相数可取为双边K₁×n相(K₁为正整数)，动子的相数取为双边K₂×(n-1)相(K₂为正整数)。该双边K₁×n相定子铁心上的线圈绕组可采用分段励磁的工作方式，依据直线运动位移传感尺的实时位移反馈计算得出双边长定子直线磁阻电机的动子相对于定子的实时位置，在定子与动子形成相对位置耦合的区间上，按照前述的工作原理，对此区间内定子线圈的相应电机电磁推力绕组和磁悬浮气隙控制绕组进行励磁，即可实现运动承载台6在长行程范围内的磁悬浮直接线性传动运行。

Claims (6)

1. 一种磁悬浮双边磁阻驱动式直接线性传动装置，其特征是：双边长定子直线磁阻电机的定子通过定子机座固定连接杆与直线型双边长机座连接；双边长定子直线磁阻电机的动子通过动子相间连接杆与运动承载台连接；直线运动位移传感尺的动尺部件和静尺部件分别与运动承载台和直线型双边长机座连接；运动承载台与直线型双边长机座之间的两侧各安装一套辅助支承导轨副，其中，辅助支承导轨副的静导轨与直线型双边长机座固定安装，辅助支承导轨副的动导轨与运动承载台固定安装，直线型双边长机座的始末两端均安装一组散热风扇；所述双边长定子直线磁阻电机的每相定子由一个“E”形的定子铁心和绕在该定子铁心上的4套相互独立的定子线圈绕组组成，每个“E”形定子铁心由一组“E”形截面的电工钢片叠压而成，在“E”形定子铁心开口处的3个断截面末端各安装1个悬浮气隙检测传感器；所述双边长定子直线磁阻电机的每相动子仅由一个矩形的动子铁心组成，每个矩形动子铁心由一组矩形截面的电工钢片叠压而成。

2. 根据权利要求1所述的磁悬浮双边磁阻驱动式直接线性传动装置，其特征是：所述“E”形定子铁心上的4套相互独立的定子线圈绕组分类为：由1套线圈绕组组成的电机电磁推力绕组部分和由3套线圈绕组组成的磁悬浮气隙控制绕组部分。

3. 根据权利要求1或2所述的磁悬浮双边磁阻驱动式直接线性传动装置，其特征是：所述双边长定子直线磁阻电机的定子为双边n相，n≥4，动子为双边n-1相；定子和动子的安装布局为左右两边对称结构，同一纵截面下两边的一对“E”形定子铁心开口相向；在动子前后运动方向上，各相定子等间距排列，各相动子也等间距排列，各相定子间的间距长度与各相动子间的间距长度之比等于动子相数与定子相数之比。

4. 根据权利要求1或2所述的磁悬浮双边磁阻驱动式直接线性传动装置，其特征是：所述定子机座固定连接杆和动子相间连接杆均由非导磁材料制成。

5. 根据权利要求1或2所述的磁悬浮双边磁阻驱动式直接线性传动装置，其特征是：所述双边长定子直线磁阻电机的磁路封闭于各相定子铁心和动子铁心之内。

6. 根据权利要求1或2所述的磁悬浮双边磁阻驱动式直接线性传动装置，其特征是：一套辅助支承导轨副的静导轨纵截面为“凹”形。

Images