CN102437705B - 一种直线电机 - Google Patents

Abstract

一种直线电机，属于平板铁芯直线电机技术领域。包括定子机构和动子机构，定子机构包括磁轨、一组第一、第二磁铁，磁轨包括磁轨底板、第一、第二磁铁固定板，动子机构包括铁芯本体、一组第一、第二线圈，特点：第一磁铁固定板与磁轨底板的垂直面之间构成有第一夹角，第二磁铁固定板与磁轨底板的垂直面之间构成有第二夹角，第一线圈的第一端面与铁心本体的纵向中心线之间构成有第三夹角，第二线圈的第二端面与铁芯本体的纵向中心线之间构成有第四夹角。优点：既可实现大推力又可保证合理的预载荷，获得理想的吸力与推力比，提高搭载在动子机构上的运动平台的运动精度，避免在运动中产生不希望出现的扭矩力。

Description

一种直线电机

技术领域

本发明属于平板铁芯直线电机技术领域，具体涉及一种直线电机，应用于诸如半导体、精密机床和精密测量设备之类的制造行业。

背景技术

如业界所知，由直线电机驱动的并搭载在动子上的高速度高精度运动平台被广泛应用于半导体装备、精密加工机床和精密测量设备等制造行业。已有技术中的直线电机主要有以下三种结构形式：一是中间为线圈而两侧为磁轨的U形无铁芯直线电机；二是一侧为铁芯及线圈而另一侧为磁轨的单边磁轨（也称单磁轨）平板铁芯直线电机；三是两侧为并行的磁轨的双边并行磁轨平板铁芯直线电机。U形无铁芯直线电机的欠缺在于推力小并且磁铁利用率低；单边磁轨平板铁芯直线电机的弊端在于运行过程中铁芯与磁轨之间吸力过大，同等推力下，平板铁芯电机的吸力是推力的八倍之多，因此增加了导轨的负载，这样为了维持这么大的负载，导轨尺寸必须增大，如果导轨尺寸不增大，那么导轨的寿命就会缩短；双边并行磁轨平板铁芯直线电机由于能够利用两侧的的抵销吸力，因而对导轨不产生预载荷，但是合理的预载荷不仅可以改善导轨的刚性，而且可以提高运动平台的运动精度，然而人们往往注重了前者而偏废于后者，因而已有技术中的双边并行磁轨平板铁芯直线电机恰恰表现出了这方面的因技术偏见所产生的缺憾。

在已公开的中国专利文献中不乏见诸直线电机的技术信息,略以例举的如授权公告号CN2865117Y推荐的直线电机、CN202034884U提供的永磁同步直线电机、CN201656737U介绍的一种铁芯式直线电机、CN201918376U揭示的一种基于直线电机的双载具运动平台、CN201774438U给出的一种双铁芯直线电机、公布号CN101834511A披露的一种平面型横向磁通开关磁链永磁直线电机和公告号CN201956875U公开的梯形线圈型永磁无铁直线电机（相同技术内容的公布号为CN102088237A）。并不限于这些文献公开的技术内容均未给出如何解决目前广为使用的平板铁芯直线电机在运动过程中铁芯与磁轨之间吸力过大的技术问题的启示。更具体地讲，已有技术中的平板铁芯直线电机在运动过程中（工作过程中）作为动子的铁芯与磁轨之间的吸力约为工作推力的八倍左右，由于吸力大大超过了运动平台的预负载，从而使导轨尺寸庞大化而致有失廉价，并且有损导轨的使用寿命。

因此，如何既满足大推力要求又对预负载可靠控制成了业界关注并且期望解决的技术问题，为此，本申请人作了长期而有益的探索，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明的任务在于提供一种有助于体现大推力、有利于控制预载荷和有益于形成合理的吸力与推力比而藉以减小搭载在动子机构上的运动平台在运动中的扭矩力并提高运动精度的直线电机。

本发明的任务是这样来完成的，一种直线电机，包括定子机构和与定子机构相配合的动子机构，定子机构包括磁轨、一组第一磁铁和一组第二磁铁，磁轨包括磁轨底板、构成于磁轨底板的长度方向的一侧的第一磁铁固定板和构成于磁轨底板的长度方向的另一侧的并且与第一磁铁固定板相对应的第二磁铁固定板，一组第一磁铁以间隔状态固定在第一磁铁固定板朝向第二磁铁固定板的一侧，而一组第二磁铁以间隔状态固定在第二磁铁固定板朝向第一磁铁固定板的一侧，动子机构包括铁芯本体、一组第一线圈和一组第二线圈，一组第一线圈固定在铁芯本体朝向所述第一磁铁的一侧，而一组第二线圈固定在铁芯本体朝向所述第二磁铁的一侧，特征在于：所述第一磁铁固定板与所述磁轨底板的垂直面之间构成有一第一夹角，而所述的第二磁铁固定板与磁轨底板的垂直面之间构成有一第二夹角，第一线圈的第一端面与所述的铁心本体的纵向中心线之间构成有一第三夹角，而第二线圈的第二端面与铁芯本体的纵向中心线之间构成有一第四夹角。

在本发明的一个具体的实施例中，所述的第一、第二夹角是彼此相等或不相等的，所述的第三夹角与第一夹角相等，所述的第四夹角与第二夹角相等。

在本发明的另一个具体的实施例中，所述的第一夹角和第二夹角的角度为15°、30°、45°或60°。

在本发明的又一个具体的实施例中，固定在所述第一磁铁固定板上的一组第一磁铁的磁极呈N-S-N-S的循环交替方式排列，而固定在第二磁铁固定板上的一组第二磁铁的磁极呈S-N-S-N的循环交替方式排列。

在本发明的再一个具体的实施例中，固定在所述第一磁铁固定板上的一组第一磁铁的磁极呈S-N-S-N的循环交替方式排列，而固定在第二磁铁固定板上的一组第二磁铁的磁极其呈N-S-N-S的循环交替方式排列。

在本发明的还有一个具体的实施例中，所述的铁芯本体的两侧均构成有线圈固定凹槽，所述的一组第一线圈嵌置在铁芯本体朝向所述第一磁铁一侧的线圈固定凹槽内，而所述的一组第二线圈嵌置在铁芯本体朝向所述第二磁铁一侧的线圈固定凹槽内，其中，与第一线圈相对应的线圈固定凹槽与铁芯本体的中心线之间构成有与所述的第三夹角相等的夹角，而与第二线圈相对应的线圈固定凹槽与铁芯本体的中心线之间构成有与所述第四夹角相等的夹角。

在本发明的更而一个具体的实施例中，所述的第一、第二磁铁固定板均与所述磁轨底板构成为一体结构，并且由高导磁材料制作。

在本发明的进而一个具体的实施例中，所述的高导磁材料为纯铁、钢或稀土合金。

在本发明的又更而一个具体的实施例中，在所述的磁轨底板的长度方向间隔开设有安装螺钉孔。

在本发明的又进而一个具体的实施例中，所述的铁芯本体是由复数枚磁钢片叠合后并且由螺栓固定连接在一起而构成的，在该铁芯本体的长度方向开设有自一端贯通至另一端的一组散热孔。

本发明提供的技术方案由于将第一、第二磁铁固定板与磁轨底板的水平面之间分别构成有第一、第二夹角并且将第一线圈的第一端面以及第二线圈的第二端面与铁芯本体的中心线间分别构成有第三、第四夹角，通过改变第一、第二夹角而既可实现大推力又可保证合理的预载荷，获得理想的吸力与推力比，提高搭载在动子机构上的运动平台的运动精度，避免在运动中产生不希望出现的扭矩力。

附图说明

图1为本发明的整体结构图。

图2为图1所示的定子机构的俯视图。

图3为本发明的第一应用例示意图。

图4为本发明的第二应用例示意图。

具体实施方式

为了使专利局的审查员尤其是公众能够更加清楚地理解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明方案的限制，任何依据本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明的技术方案范畴。

请见图1和图2，给出了定子机构1，该定子机构1包括磁轨11、一组第一磁铁12和一组第二磁铁13，而磁轨11包括磁轨底板111、第一磁铁固定板112和第二磁铁固定板113，第一磁铁固定板112构成于磁轨底板111的长度方向的一侧，而第二磁铁固定板113位于磁轨底板111的长度方向的另一侧，并且与第一磁铁固定板112相对应。第一、第二磁铁固定板112、113和磁轨底板113三者构成为一体结构，并且优选而非绝对限于地使用高导磁材料制作，高导磁材料如纯铁、钢或者稀土合金材料。一组第一磁铁12以间隔状态并且优选以粘贴固定方式固定在第一磁铁固定板112朝向第二磁铁固定板113的一侧，而一组第二磁铁13同样以间隔状态并且同样优选以粘贴固定方式固定在第二磁铁固定板113朝向第一磁铁固定板112的一侧，并且第一、第二磁铁12、13彼此对应。在磁轨底板111的长度方向间隔开设有安装螺钉孔1111。前述的一组第一磁铁12在第一磁铁固定板112上的固定方式按磁极或称冲磁方向N-S-N-S的循环交替方式排列，而一组第二磁铁13在第二磁铁固定板113上的固定方式按磁极或称冲磁方向S-N-S-N的循环交替方式排列。反之亦然。

请重点见图1，给出的动子机构2与定子机构1相配合，并且与定子机构1的第一、第二磁铁12、13之间形成有微隙，动子机构2包括铁芯本体21、一组第一线圈22和一组第二线圈23，铁芯本体21的两侧各构成有线圈固定凹槽211，并且铁芯本体21由复数枚磁钢片叠合构成，进而由一组（图示为四根）螺栓212固定。优选地，在铁芯本体21上开设有一组散热孔213，当需要水冷时，那么将水冷管道置入于散热孔213中。并且在铁芯本体21的上部开设有用于与运动平台或称工作平台固定的连接孔214。一组第一线圈22（本实施例为三个）嵌置在铁芯本体21朝向第一磁铁12一侧的线圈固定凹槽211内，而一组第二线圈23（本实施例为三个）嵌置在铁芯本体21朝向第二磁铁13一侧的线圈固定凹槽211内。在第一、第二线圈22、23嵌合后采用树脂灌封。

请见图3，作为本发明提供的技术方案的技术要点，前述的第一磁铁固定板112与磁轨底板111的垂直面之间构成有一第一夹角α ₁ ，而第二磁铁固定板113与磁轨底板111的垂直面之间构成有一第二夹角β ₁ 。并且，前述的一组第一线圈22的第一端面221与铁芯本体1的纵向中心线之间构成有一第三夹角α ₂ ，而一组第二线圈23的第二端面231与铁芯本体1的纵向中心线之间构成有一第四夹角β ₂ 。由于第一、第二线圈22、23分别与铁芯本体21的纵向中心线之间构成有第三、第四夹角α ₂ 、β ₂ ，因此位于铁芯本体21两侧的线圈固定凹槽211同样构成有与铁芯本体1的纵向中心线之间的夹角。

在本实施例中，即在本应用例中，第一、第二夹角α ₁ 、β ₁ 的角度彼此相等，并且在本实施例中，第一、第二夹角α ₁ 、β ₁ 均为15°。在该情形下，动子机构2为对称结构，动子机构2与定子机构1的吸力下的侧向分量相互抵销，仅剩下垂直方向受力F（垂直）=2×F（吸力）×Sin（第一夹角α ₁ ），因此第一、第二夹角α ₁ 、β ₁ 越小吸力越小，从而可通过夹角的不同设计来实现不同的垂直分量预负载。当然，第一、第二夹角α ₁ 、β ₁ 也可均为45°或60°。

请见图4，给出了第一、第二夹角α ₁ 、β ₁ 的不相等的情形，α ₁ 为45°，β ₁ 为60°，侧向力不完全抵销，垂直力也不一样，长处是用于垂直安装的负载平台，两侧吸合力可以抵销负载的重力，同时保证合理的推力和吸力比，提高磁轨11的寿命和精度。

Claims (8)

1.一种直线电机，包括定子机构(1)和与定子机构(1)相配合的动子机构(2)，定子机构(1)包括磁轨(11)、一组第一磁铁(12)和一组第二磁铁(13)，磁轨(11)包括磁轨底板(111)、构成于磁轨底板(111)的长度方向的一侧的第一磁铁固定板(112)和构成于磁轨底板(111)的长度方向的另一侧的并且与第一磁铁固定板(112)相对应的第二磁铁固定板(113)，一组第一磁铁(12)以间隔状态固定在第一磁铁固定板(112)朝向第二磁铁固定板(113)的一侧，而一组第二磁铁(13)以间隔状态固定在第二磁铁固定板(113)朝向第一磁铁固定板(112)的一侧，动子机构(2)包括铁芯本体(21)、一组第一线圈(22)和一组第二线圈(23)，一组第一线圈(22)固定在铁芯本体(21)朝向所述第一磁铁(12)的一侧，而一组第二线圈(23)固定在铁芯本体(21)朝向所述第二磁铁(13)的一侧，特征在于：所述第一磁铁固定板(112)与所述磁轨底板(111)的垂直面之间构成有一第一夹角（α ₁ ），而所述的第二磁铁固定板(113)与磁轨底板(111)的垂直面之间构成有一第二夹角（β ₁ ），第一线圈(22)的第一端面(221)与所述的铁心本体(21)的纵向中心线之间构成有一第三夹角（α ₂ ），而第二线圈(23)的第二端面(231)与铁芯本体(21)的纵向中心线之间构成有一第四夹角（β2），固定在所述第一磁铁固定板(112)上的一组第一磁铁(12)的磁极呈N-S-N-S的循环交替方式排列，而固定在第二磁铁固定板(113)上的一组第二磁铁(13)的磁极呈S-N-S-N的循环交替方式排列，或者固定在所述第一磁铁固定板(112)上的一组第一磁铁(12)的磁极呈S-N-S-N的循环交替方式排列，而固定在第二磁铁固定板(113)上的一组第二磁铁(13)的磁极其呈N-S-N-S的循环交替方式排列。

2.根据权利要求1所述的一种直线电机，其特征在于所述的第一、第二夹角（α ₁ 、β ₁ ）是彼此相等或不相等的，所述的第三夹角（α ₂ ）与第一夹角（α ₁ ）相等，所述的第四夹角（β ₂ ）与第二夹角（β ₁ ）相等。

3.根据权利要求1或2所述的一种直线电机，其特征在于所述的第一夹角（α ₁ ）和第二夹角（β ₁ ）的角度为15°、30°、45°或60°。

4.根据权利要求1所述的一种直线电机，其特征在于所述的铁芯本体(21)的两侧均构成有线圈固定凹槽(211)，所述的一组第一线圈(22)嵌置在铁芯本体(21)朝向所述第一磁铁(12)一侧的线圈固定凹槽(211)内，而所述的一组第二线圈(23)嵌置在铁芯本体(21)朝向所述第二磁铁(13)一侧的线圈固定凹槽(211)内，其中，与第一线圈(22)相对应的线圈固定凹槽(211)与铁芯本体(21)的中心线之间构成有与所述的第三夹角（α ₂ ）相等的夹角，而与第二线圈(23)相对应的线圈固定凹槽(211)与铁芯本体(21)的中心线之间构成有与所述第四夹角（β ₂ ）相等的夹角。

5.根据权利要求1所述的一种直线电机，其特征在于所述的第一、第二磁铁固定板(112、113)均与所述磁轨底板(111)构成为一体结构，并且由高导磁材料制作。

6.根据权利要求5所述的一种直线电机，其特征在于所述的高导磁材料为纯铁、钢或稀土合金。

7.根据权利要求1或5所述的一种直线电机，其特征在于在所述的磁轨底板(111)的长度方向间隔开设有安装螺钉孔(1111)。

8.根据权利要求1或4所述的一种直线电机，其特征在于所述的铁芯本体(21)是由复数枚磁钢片叠合后并且由螺栓(212)固定连接在一起而构成的，在该铁芯本体(21)的长度方向开设有自一端贯通至另一端的一组散热孔(213)。

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