CN102361387A - 一种定位负载的直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种定位负载的直线电机，包括线圈组和磁铁排，线圈组和磁铁排呈直线排列，线圈组为两组，包括上线圈组和下线圈组，上线圈组包括上定子齿和缠绕于上定子齿上的线圈，下线圈组包括下定子齿和缠绕于下定子齿上的线圈，上定子齿与下定子齿相向设置，磁铁排设置于两组线圈组的中间。本发明具有的有益效果：无需磁铁护铁的铁芯电机，省略了磁铁护铁，并且支撑结构的质量非常轻，从而减小了移动质量，移动有效载荷时，可以实现更大加速度。

Description

一种定位负载的直线电机

技术领域

本发明涉及一种驱动电机，特别是涉及一种定位负载的直线电机。

背景技术

直线电机目前广泛用于电子元件和半导体设备制造中的负载定位。采用直接驱动的主要优点是加速度更大、速度更快、精度更高、移动质量减小、设计简洁，无需复杂的传输系统，可靠性更高，不存在传动装置活动部件的磨损。

动圈式直线电机是定位XY工作台常用的一种直线电机类型，俗称无铁芯直线电机。无铁芯直线电机仅包括模压在一起形成线圈组得若干铜线圈，不合钢铁叠片。虽然该类型的直线电机已得到广泛使用，但这种电机的缺点是其高昂的成本。运动线圈之间需放置两排高能量稀土磁铁，当电流通过线圈时，产生巨大能量。通常所用的磁铁为钕磁铁，这是一种用钕、铁和硼制成的高能量稀土永久磁铁。由于用于制作此类磁铁的稀土材料供应量有限，在过去几年中，此类磁铁的成本显著增加。这种电机的另一个缺点是，向线圈供电的电缆总是随线圈移动。在加速度和速度较大的情况下，必须考虑电缆的可靠性，且电缆弯曲形成的阻力会影响对运动系统的精确控制。线圈中产生的热量也很难去除，且热量还可能被转移到负荷，因膨胀影响系统的准确性。

另一种常用于XY工作台负载定位的直线电机是铁芯直线电机。与无铁和无芯直线电机相比，铁芯直线电机的优点是可以产生巨大的作用力。然而，由于线圈的移动质量相对较大，即使没有任何负荷，也限制了线圈可以达到的加速度。虽然可以移动磁铁并固定线圈，但是磁铁和护铁的总质量也非常大。铁芯电机的另一大缺点就是磁铁和线圈叠片之间的吸引力大。由于这类电机正常工作需要较小气隙，通常在0.8毫米至1.1毫米范围内，因此吸引力变得非常大。需要使用额定载荷较高的大型轴承来支撑电机。随之而来的是与这类电机系统相关的巨大静摩擦力。在启动和止动过程中，静摩擦力会影响电机响应。

所以针对上述直线电机中所存在的缺陷，急需一种能克服上述缺陷的直线电机来满足需求。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中直线电机所存在的诸多缺陷，提供一种定位负载的直线电机来解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种定位负载的直线电机，包括线圈组和磁铁排，线圈组和磁铁排呈直线排列，其特征在于，所述线圈组为两组，包括上线圈组和下线圈组，上线圈组包括上定子齿和缠绕于上定子齿上的线圈，下线圈组包括下定子齿和缠绕于下定子齿上的线圈，上定子齿与下定子齿相向设置，所述磁铁排设置于两组线圈组的中间。

上述一种定位负载的直线电机，其特征在于，所述磁铁排与上线圈组的距离等于磁铁排与下线圈组的距离。

上述一种定位负载的直线电机，其特征在于，所述磁铁排包括由非磁性材料制成的支撑结构和设置于支撑结构上的复数个永磁体，所述支撑结构上设置有与复数个永磁体个数相对应的空腔，复数个永磁体设置于空腔内。

上述一种定位负载的直线电机，其特征在于，所述支撑结构的材料为以下各项之一：铝、纤维增强树脂、塑料。

上述一种定位负载的直线电机，其特征在于，所述磁铁排上的复数个永磁铁倾斜设置于支撑结构上。

上述一种定位负载的直线电机，其特征在于，在定位XY工作台负载时，包括X轴上的直线电机和Y轴上的直线电机，并且：

Sx＝Mx-Cx；

Sy＝My-Cy；

Cyx-Myx＞Sx；

其中，

Sx是X轴的最大冲程；

Cx是在X轴行程方向上X线圈组的长度；

Mx是在X轴行程方向上电机的磁铁边缘之间的距离；

Sy是Y轴的最大冲程；

Cy是在Y轴方向上Y线圈组的长度；

My是在Y轴行程方向上Y电机磁铁边缘之间的距离；

Cyx是在X轴行程方向上Y线圈组的长度；

Myx是在X轴行程方向上Y电机磁铁边缘之间的距离。

上述一种定位负载的直线电机，其特征在于，在定位XY工作台负载时，包括X轴上的直线电机和Y轴上的直线电机，并且：

Sx＝Cx-Mx；

Sy＝Cy-My；

Cyx-Myx＞Sx；

其中，

Sx是X轴的最大冲程；

Cx是在X轴行程方向上X线圈组的长度；

Mx是在X轴行程方向上电机的磁铁边缘之间的距离；

Sy是Y轴的最大冲程；

Cy是在Y轴方向上Y线圈组的长度；

My是在Y轴行程方向上Y电机磁铁边缘之间的距离；

Cyx是在X轴行程方向上Y线圈组的长度；

Myx是在X轴行程方向上Y电机磁铁边缘之间的距离。

上述一种定位负载的直线电机，其特征在于，在定位单轴工作台负载时，包括单轴上的直线电机，并且：

Sx＝Mx-Cx，其中Mx长于Cx

其中，

Sx是直线电机系统在行程或驱动力方向上的最大冲程；

Cx是在行程或驱动力方向上的线圈组的长度；

Mx是在行程或驱动力方向上的直线电机磁铁边缘之间的距离。

上述一种定位负载的直线电机，其特征在于，在定位单轴工作台负载时，包括单轴上的直线电机，并且：

Sx＝Cx-Mx，其中Cx长于Mx

其中，

Sx是直线电机系统在行程或驱动力方向上的最大冲程；

Cx是在行程或驱动力方向上的线圈组的长度；

Mx是在行程或驱动力方向上的直线电机磁铁边缘之间的距离。

上述一种定位负载的直线电机，其特征在于，在定位单轴工作台负载时，包括单轴上的直线电机，所述直线电机沿驱动力方向移动，所述直线电机沿垂直于驱动力方向的方向移动，并且：

Sy＝My-Cy，其中My长于Cy；

Cyx-Myx＞Sx；

其中，

Sy是直线电机系统在行程或驱动力方向上的最大冲程；

Cy是在行程或驱动力方向上的线圈组的长度；

My是在行程或驱动力方向上的直线电机磁铁边缘之间的距离；

Sx是直线电机系统在垂直于驱动力方向上的最大冲程；

Cyx是在垂直于驱动力方向上的线圈组的长度；

Myx是在垂直于驱动力方向上的直线电机磁铁边缘之间的距离。

上述一种定位负载的直线电机，其特征在于，在定位单轴工作台负载时，包括单轴上的直线电机，所述直线电机沿驱动力方向移动，所述直线电机沿垂直于驱动力方向的方向移动，并且：

Sy＝Cy-My，其中Cy长于My；

Cyx-Myx＞Sx；

其中，

Sy是直线电机系统在行程或驱动力方向上的最大冲程；

Cy是在行程或驱动力方向上的线圈组的长度；

My是在行程或驱动力方向上的直线电机磁铁边缘之间的距离；

Sx是直线电机系统在垂直于驱动力方向上的最大冲程；

Cyx是在垂直于驱动力方向上的线圈组的长度；

Myx是在垂直于驱动力方向上的直线电机磁铁边缘之间的距离。

本发明具有的有益效果：无需磁铁护铁的铁芯电机，省略了磁铁护铁，并且支撑结构的质量非常轻，从而减小了移动质量，移动有效载荷时，可以实现更大加速度。

对于传统铁芯类直线电机，线圈和磁铁之间存在较大吸引力。运用本发明的布局，磁铁间不存在净吸引力。这使得我们可以在系统设计中使用较小的直线轴承，简化装配工艺。吸引力的消除使电机系统性能大大提高，因为静摩擦力大大减小。运动开始和行程结束的响应时间也将缩短。

由于线圈是固定的，移动电缆已无必要，这一点有别于传统动圈式设计。因为电机电缆是固定的，电缆不会经常弯曲，因此提高了电机可靠性。

由于线圈安装于线圈护铁，线圈产生的热量可从电机上轻易地消除。可以添加额外散热片或冷却液以进一步改善线圈的冷却效果，从而提高电机的连续电流和连续力。仅移动磁铁，线圈所产生的热量就不会直接转移到负载，而热量转移至负载会影响运动系统的准确性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的电流走向图；

图3为磁铁排的示意图；

图4为磁铁排的另一种实施方式的示意图；

图5为本发明在XY工作台的其中一种应用的示意图；

图6为图5中X轴的直线电机的示意图；

图7为图5中Y轴的直线电机的示意图；

图8为本发明在XY工作台的另一种应用的示意图；

图9为图8中X轴的直线电机的示意图；

图10为图8中Y轴的直线电机的示意图；

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

参看图1，一种定位负载的直线电机，包括线圈组100和磁铁排400，线圈组100和磁铁排400呈直线排列。线圈组100为两组，包括上线圈组200和下线圈组300，上线圈组200包括上定子齿210和缠绕于上定子齿210上的线圈220，下线圈组300包括下定子齿310和缠绕于下定子齿310上的线圈320，上定子齿210与下定子齿310相向设置，磁铁排400设置于两组线圈组100的中间。磁铁排400与上线圈组200的距离等于磁铁排400与下线圈组300的距离，这样使得磁铁排400与两组线圈组100之间的距离相等，从而让磁铁排400和上线圈组200之间的吸引力被磁铁排400和下线圈组300之间的吸引力完全平衡抵消，从而让磁铁排400再沿线圈组的直线方向运动时不会摩擦到上线圈组200和下线圈组300，减少了摩擦力，使得动力更强劲。

通过给线圈组100的线圈通电，使得线圈组100的上定子齿210和下定子齿310带有磁性，然后再通过与磁铁排400之间的磁力作用推动磁铁排400做支线运动，同时通过改变线圈组100内线圈的电流方向来改变磁铁排400的运动方向。由于本发明是采用了上下两组线圈组，所以驱动的动力更大。

参看图3，磁铁排400包括由非磁性材料制成的支撑结构410和设置于支撑结构410上的复数个永磁体420，支撑结构410上设置有与复数个永磁体420个数相对应的空腔，复数个永磁体420设置于空腔内。永磁体420放置于空腔内后，永磁体420的表面与支撑结构410的表面齐平，或者永磁体420比支撑结构410略薄，永磁体420可以通过高强度环氧树脂固定到支撑结构410上。

参看图4，在本发明的其中一个实施方式中，磁铁排400上的复数个永磁铁420倾斜设置于支撑结构410上，永磁体420倾斜一个角度可以减低齿槽力的可能性。

支撑结构410的材料为以下各项之一：铝、纤维增强树脂、塑料。采用这些材料的优点在于质量轻，使得磁铁排400的质量也很轻，在磁铁排400运动时可以增强驱动的动力。

参看图2，磁铁排400上的永磁体420具有交变极性，一端面向上线圈组200，另一端面向下线圈组300。上线圈组200的上定子齿210与下线圈组300的下定子齿310之间相互对齐。上定子齿210上缠绕的线圈220内的电流方向与下定子齿310上缠绕的线圈320内电流方向相同，使得磁通回路沿轴向直接通过永磁体400，从而与永磁体400极性平行。通过此种设计，大幅减少了永磁体400之间的磁漏，增强了电机的传动能力。

参看图5，图5为本发明在XY工作台上的其中一种应用，工作台包括一个底座500，一个负载台600，在工作台上设置了两台本发明的直线电机，一台放置在X轴上，一台放置在Y轴上，两台直线电机的磁铁排400均通过高硬度交叉滚柱轴承连接负载台600，两台直线电机可以驱动负载台600沿X轴或Y轴做直线运动。

熟谙本技术的人会发现，两个直线电机被去耦了。“去耦”指在某一配置中将两个电机分离，使两个电机同时工作，但电机的整机重量不由其中一台电机承载或支撑。有效去耦不会减少电机数量，这仅仅是布局电机和运动引导轴承的明智之举。如果将整个电机安装到另一台电机的运动支架上，这就意味着须支撑全部的重量，与之相反，去耦电机的效果意味着只需承受部分电机的重量，而另一部分则安装到一个固定的支座上。

参看图6，图6为图5中X轴的直线电机的示意图，包括线圈组100和磁铁排400，线圈组100为两组，包括上线圈组200和下线圈组300，由于视图的角度问题，下线圈组300被遮挡住，所以在图6中未示。

参看图7，图7为图5中Y轴的直线电机的示意图，包括线圈组100和磁铁排400，线圈组100为两组，包括上线圈组200和下线圈组300，由于视图的角度问题，下线圈组300被遮挡住，所以在图7中未示。从图7中可以观察到，线圈组100比支撑结构410宽很多，以使电机从X轴的直线电机上去耦。

在此种应用中，X轴电机和Y轴电机满足以下条件：

Sx＝Mx-Cx；

Sy＝My-Cy；

Cyx-Myx＞Sx。

其中，

Sx是X轴的最大冲程；

Cx是在X轴行程方向上X线圈组的长度；

Mx是在X轴行程方向上电机的磁铁边缘之间的距离；

Sy是Y轴的最大冲程；

Cy是在Y轴方向上Y线圈组的长度；

My是在Y轴行程方向上Y电机磁铁边缘之间的距离；

Cyx是在X轴行程方向上Y线圈组的长度；

Myx是在X轴行程方向上Y电机磁铁边缘之间的距离。

还应指出的是，X和Y方向上的预定行程可以小于Sx和Sy，而Sx和Sy是允许的最大行程。

看图8，图8为本发明在XY工作台上的另一种应用，工作台包括一个底座500，一个负载台600，在工作台上设置了两台本发明的直线电机，一台放置在X轴上，一台放置在Y轴上，两台直线电机的磁铁排400均通过高硬度交叉滚柱轴承连接负载台600，两台直线电机可以驱动负载台600沿X轴或Y轴做直线运动。

参看图9，图9为图8中X轴的直线电机的示意图，包括线圈组100和磁铁排400，线圈组100为两组，包括上线圈组200和下线圈组300，视图中，上线圈组200未示。

参看图10，图10为图8中Y轴的直线电机的示意图，包括线圈组100和磁铁排400，线圈组100为两组，包括上线圈组200和下线圈组300，视图中，上线圈组200未示。

在此种应用中，X轴电机和Y轴电机满足以下条件：

Sx＝Cx-Mx；

Sy＝Cy-My；

Cyx-Myx＞Sx。

其中，

Sx是X轴的最大冲程；

Cx是在X轴行程方向上X线圈组的长度；

Mx是在X轴行程方向上电机的磁铁边缘之间的距离；

Sy是Y轴的最大冲程；

Cy是在Y轴方向上Y线圈组的长度；

My是在Y轴行程方向上Y电机磁铁边缘之间的距离；

Cyx是在X轴行程方向上Y线圈组的长度；

Myx是在X轴行程方向上Y电机磁铁边缘之间的距离。

还应指出的是，X和Y方向上的预定行程可以小于Sx和Sy，而Sx和Sy是允许的最大行程。

本发明还可以在定位单轴工作台负载，参看图6，图6中的直线电机还可以作为单独电机轴进行使用，其满足以下条件：

Sx＝Mx-Cx，其中Mx长于Cx

其中，

Sx是直线电机系统在行程或驱动力方向上的最大冲程；

Cx是在行程或驱动力方向上的线圈组的长度；

Mx是在行程或驱动力方向上的直线电机磁铁边缘之间的距离。

参看图9，图9中的直线电机也可以作为单独电机轴进行使用，其满足以下条件：

Sx＝Cx-Mx，其中Cx长于Mx

其中，

Sx是直线电机系统在行程或驱动力方向上的最大冲程；

Cx是在行程或驱动力方向上的线圈组的长度；

Mx是在行程或驱动力方向上的直线电机磁铁边缘之间的距离。

本发明在定位单轴工作台负载时，还可以有其他实施方式，参看图7，图7中的直线电机可以作为单独电机轴进行使用，并且此直线电机不仅可以沿驱动力方向移动，还可以沿垂直于驱动力方向的方向移动，满足以下条件：

Sy＝My-Cy，其中My长于Cy；

Cyx-Myx＞Sx；

其中，

Sy是直线电机系统在行程或驱动力方向上的最大冲程；

Cy是在行程或驱动力方向上的线圈组的长度；

My是在行程或驱动力方向上的直线电机磁铁边缘之间的距离；

Sx是直线电机系统在垂直于驱动力方向上的最大冲程；

Cyx是在垂直于驱动力方向上的线圈组的长度；

Myx是在垂直于驱动力方向上的直线电机磁铁边缘之间的距离。

参看图10，图10中的电机也可以作为单独电机轴进行使用，并且此直线电机不仅可以沿驱动力方向移动，还可以沿垂直于驱动力方向的方向移动，满足以下条件：

Sy＝Cy-My，其中Cy长于My；

Cyx-Myx＞Sx；

其中，

Sy是直线电机系统在行程或驱动力方向上的最大冲程；

Cy是在行程或驱动力方向上的线圈组的长度；

My是在行程或驱动力方向上的直线电机磁铁边缘之间的距离；

Sx是直线电机系统在垂直于驱动力方向上的最大冲程；

Cyx是在垂直于驱动力方向上的线圈组的长度；

Myx是在垂直于驱动力方向上的直线电机磁铁边缘之间的距离。

综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims (11)

1.一种定位负载的直线电机，包括线圈组和磁铁排，线圈组和磁铁排呈直线排列，其特征在于，所述线圈组为两组，包括上线圈组和下线圈组，上线圈组包括上定子齿和缠绕于上定子齿上的线圈，下线圈组包括下定子齿和缠绕于下定子齿上的线圈，上定子齿与下定子齿相向设置，所述磁铁排设置于两组线圈组的中间。

2.根据权利要求1所述一种定位负载的直线电机，其特征在于，所述磁铁排与上线圈组的距离等于磁铁排与下线圈组的距离。

3.根据权利要求1所述一种定位负载的直线电机，其特征在于，所述磁铁排包括由非磁性材料制成的支撑结构和设置于支撑结构上的复数个永磁体，所述支撑结构上设置有与复数个永磁体个数相对应的空腔，复数个永磁体设置于空腔内。

4.根据权利要求3所述一种定位负载的直线电机，其特征在于，所述支撑结构的材料可用非磁性材料，包括但不限于以下各项之一：铝、纤维增强树脂、塑料。

5.根据权利要求3所述一种定位负载的直线电机，其特征在于，所述磁铁排上的复数个永磁铁倾斜设置于支撑结构上。

6.根据权利要求4或5所述一种定位负载的直线电机，其特征在于，在定位XY工作台负载时，包括X轴上的直线电机和Y轴上的直线电机，并且：

Sx＝Mx-Cx；

Sy＝My-Cy；

Cyx-Myx＞Sx；

其中，

Sx是X轴的最大冲程；

Cx是在X轴行程方向上X线圈组的长度；

Mx是在X轴行程方向上电机的磁铁边缘之间的距离；

Sy是Y轴的最大冲程；

Cy是在Y轴方向上Y线圈组的长度；

My是在Y轴行程方向上Y电机磁铁边缘之间的距离；

Cyx是在X轴行程方向上Y线圈组的长度；

Myx是在X轴行程方向上Y电机磁铁边缘之间的距离。

7.根据权利要求4或5所述一种定位负载的直线电机，其特征在于，在定位XY工作台负载时，包括X轴上的直线电机和Y轴上的直线电机，并且：

Sx＝Cx-Mx；

Sy＝Cy-My；

Cyx-Myx＞Sx；

其中，

Sx是X轴的最大冲程；

Cx是在X轴行程方向上X线圈组的长度；

Mx是在X轴行程方向上电机的磁铁边缘之间的距离；

Sy是Y轴的最大冲程；

Cy是在Y轴方向上Y线圈组的长度；

My是在Y轴行程方向上Y电机磁铁边缘之间的距离；

Cyx是在X轴行程方向上Y线圈组的长度；

Myx是在X轴行程方向上Y电机磁铁边缘之间的距离。

8.根据权利要求4或5所述一种定位负载的直线电机，其特征在于，在定位单轴工作台负载时，包括单轴上的直线电机，并且：

Sx＝Mx-Cx，其中Mx长于Cx

其中，

Sx是直线电机系统在行程或驱动力方向上的最大冲程；

Cx是在行程或驱动力方向上的线圈组的长度；

Mx是在行程或驱动力方向上的直线电机磁铁边缘之间的距离。

9.根据权利要求4或5所述一种定位负载的直线电机，其特征在于，在定位单轴工作台负载时，包括单轴上的直线电机，并且：

Sx＝Cx-Mx，其中Cx长于Mx

其中，

Sx是直线电机系统在行程或驱动力方向上的最大冲程；

Cx是在行程或驱动力方向上的线圈组的长度；

Mx是在行程或驱动力方向上的直线电机磁铁边缘之间的距离。

10.根据权利要求4或5所述一种定位负载的直线电机，其特征在于，在定位单轴工作台负载时，包括单轴上的直线电机，所述直线电机沿驱动力方向移动，所述直线电机沿垂直于驱动力方向的方向移动，并且：

Sy＝My-Cy，其中My长于Cy；

Cyx-Myx＞Sx；

其中，

Sy是直线电机系统在行程或驱动力方向上的最大冲程；

Cy是在行程或驱动力方向上的线圈组的长度；

My是在行程或驱动力方向上的直线电机磁铁边缘之间的距离；

Sx是直线电机系统在垂直于驱动力方向上的最大冲程；

Cyx是在垂直于驱动力方向上的线圈组的长度；

Myx是在垂直于驱动力方向上的直线电机磁铁边缘之间的距离。

11.根据权利要求4或5所述一种定位负载的直线电机，其特征在于，在定位单轴工作台负载时，包括单轴上的直线电机，所述直线电机沿驱动力方向移动，所述直线电机沿垂直于驱动力方向的方向移动，并且：

Sy＝Cy-My，其中Cy长于My；

Cyx-Myx＞Sx；

其中，

Sy是直线电机系统在行程或驱动力方向上的最大冲程；

Cy是在行程或驱动力方向上的线圈组的长度；

My是在行程或驱动力方向上的直线电机磁铁边缘之间的距离；

Sx是直线电机系统在垂直于驱动力方向上的最大冲程；

Cyx是在垂直于驱动力方向上的线圈组的长度；

Myx是在垂直于驱动力方向上的直线电机磁铁边缘之间的距离。

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