CN102510202B - 永磁直线同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁直线同步电机，包括动子、定子以及设于所述动子和定子之间的导轨，所述动子包括永磁体支架以及安装于所述永磁体支架上的若干永磁体，所述定子包括机座以及安装于所述机座上的若干电枢，所述电枢包括电枢铁芯和卷设于所述电枢铁芯上的线圈绕组，所述线圈绕组之间相互独立且与所述永磁体配合设置，所述每个线圈绕组分别连接有一个独立的逆变器。本发明的有益效果是：该永磁直线同步电机成本低，容错能力好，可靠性高，维修方便，而且可根据电机的功率和行程大小调整电枢和逆变器的数量。

Description

永磁直线同步电机

技术领域

本发明涉及一种直线电机，尤其涉及一种自律分散结构的永磁直线同步电机。

背景技术

在许多工业领域内，被控对象的运动路径往往是直线形式，在传统的旋转电机+滚珠丝杠传动系统中，要实现被控对象的直线运动，必须要经过一系列中间环节和变换环节及相应的支撑，从而使得整个伺服系统的鲁棒性、精确性和快速性随之而下降。

对矿山、冶金、石化、电磁弹射等行业各类直线负载和具有较大惯量的机械装备中通常采用高压电机驱动，这种电压等级给电机的设计制造和维修提出带来了诸多问题，而且这种电机中所采用逆变器的价格也相当昂贵。市场上逆变器的电流一般最高只能达到450A，从而限制了高压电机的设计规格。

永磁同步直线电机能直接产生直线推力，行程长、推力大、响应快，是构成直接驱动直线伺服单元的首选电机类型，不断在许多领域得到了应用。现有的三相交流永磁同步直线电机中，设置有多个线圈绕组串联在一起，线圈绕组之间电性连接并引出三个接头，接头与外部的电源以及逆变器相连接。这种永磁同步直线电机中，如果某个或某几个线圈绕组发生故障时，需要整台电机停止工作进行维修，容错能力差。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种具有改良结构的永磁直线同步电机，以克服上述缺陷。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种永磁直线同步电机，该永磁直线同步电机成本低，容错能力好，可靠性高，维修方便，而且可根据电机的功率和行程大小调整电枢和逆变器的数量。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种永磁直线同步电机，包括动子、定子以及设于所述动子和定子之间的导轨，其中，所述动子包括永磁体支架以及安装于所述永磁体支架上的若干永磁体，所述定子包括机座以及安装于所述机座上的若干电枢，所述电枢包括电枢铁芯和卷设于所述电枢铁芯上的线圈绕组，所述线圈绕组之间相互独立且与所述永磁体配合设置，所述每个线圈绕组分别连接有一个独立的逆变器。

优选的，在上述永磁直线同步电机中，所述电枢组装于所述机座上。

优选的，在上述永磁直线同步电机中，所述逆变器组装于所述机座上。

优选的，在上述永磁直线同步电机中，所述电枢和所述逆变器固定构成一整体模块，所述整体模块组装于所述机座上。

优选的，在上述永磁直线同步电机中，所述永磁体支架呈“T”形，包括水平设置的第一支架以及垂直设置的第二支架，所述机座包括水平设置的底座以及垂直所述底座的第一侧边和第二侧边，所述第二支架位于所述第一侧边和所述第二侧边之间，所述永磁体安装在所述第二支架的两侧壁上，所述电枢分别安装于所述第一侧边和第二侧边的内侧且与所述永磁体配合设置。

优选的，在上述永磁直线同步电机中，所述逆变器分别设置于所述第一侧边和第二侧边的外侧。

优选的，在上述永磁直线同步电机中，所述导轨分别设置于所述第一支架和所述第一侧边之间以及所述第一支架和所述第二侧边之间。

优选的，在上述永磁直线同步电机中，所述导轨设置于所述第二支架和所述底座之间。

优选的，在上述永磁直线同步电机中，所述永磁直线同步电机还包括有位移传感器，所述位移传感器包括动磁头和磁栅尺，所述动磁头设置于所述动子上，所述磁栅尺设置于所述定子上。

从上述技术方案可以看出，本发明涉及的永磁直线同步电机，由于线圈绕组和逆变器均为独立设置，且每个线圈绕组由一个逆变器进行独立控制，可以实现如下效果：成本低，容错能力好，可靠性高，维修方便，而且可根据电机的功率和行程大小调整电枢和逆变器的数量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明具体实施例中永磁直线同步电机的立体结构示意图；

图2所示为图1中永磁直线同步电机的剖面示意图；

图3所示为图1中永磁直线同步电机的俯视图。

具体实施方式

本发明目的在于提供一种永磁直线同步电机，该永磁直线同步电机成本低，容错能力好，而且可根据电机的功率和行程大小调整电枢和逆变器的数量。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参图1和图2所示，永磁直线同步电机10并列且相同的设置为多个，永磁直线同步电机10的上方固定有工作台20，工作台20的上方用以承载和运输载体，永磁直线同步电机10的下端可以安装于固定座30上。易于想到，在其他实施例中，永磁直线同步电机10也可单独设置为一个，其数量多少取决于实际应用中负载的重量。

永磁直线同步电机10相对于传统的旋转电机+滚珠丝杠传动系统，不需要任何中间转换机构，可以给被控对象直接提供直线运动形式的推力。

永磁直线同步电机10包括动子11、定子12以及导轨13。导轨13设置于动子11和定子12之间。动子11在磁力的驱动下可沿导轨13相对于定子12进行滑动。动子11的上方与工作台20相固定，动子11运动进而可带动工作台20一起运动。

动子11包括永磁体支架111和若干永磁体112。永磁体112阵列分布于永磁体支架111上，永磁体112可以通过内嵌安装(TL-IPM)方式安装于永磁体支架111上，也可以直接安装于永磁体支架111的表面(TL-IPM)。

永磁体支架111呈“T”形，包括水平设置的第一支架1111以及垂直设置的第二支架1112。第二支架1112设置于第一支架1111的下方且位于第一支架1111的中垂线上。

永磁体112对称安装于第二支架1112的左右两侧壁上，所有的永磁体112均采用相同的磁体。

定子12包括机座121以及安装于所述机座121上的若干电枢122。机座121包括底座1211、第一侧边1212和第二侧边1213。底座1211水平设置，第一侧边1212和第二侧边1213分别自底座1211的左右两端向上垂直延伸。第一侧边1212和第二侧边1213的高度相同且分别位于第二支架1112的左右两侧。电枢122分别安装于第一侧边1212和第二侧边1213的内侧，且每个电枢122分别对应于一个永磁体112设置。电枢122包括电枢铁芯1221和线圈绕组1222，电枢铁芯1221安装于第一侧边1212和第二侧边1213上，线圈绕组1222卷绕设于电枢铁芯1221上。逆变器15分别设置于第一侧边1212和第二侧边1213的外侧表面且与电枢122之间一一对应连接。逆变器15为通用的低压逆变器，他们分别对线圈绕组1222进行控制并为其提供电流，线圈绕组1222产生的磁场与永磁体112相作用并驱动第二支架1112运动，第二支架1112带动第一支架1111沿导轨13进行滑动。

参图3所示，线圈绕组1222之间是独立设置的，每个线圈绕组1222分别卷绕在一个独立的电枢铁芯1221上，并分别由一个单独的逆变器15进行控制。一个线圈绕组1222和另一个线圈绕组1222之间无物理连接关系，逆变器15彼此之间也不存在直接通信。每个线圈绕组1222自电枢铁芯1221卷绕后引出线圈的两端，然后分别与对应的逆变器15电性连接。如此，由线圈绕组1222、电枢铁芯1221以及逆变器15构成的定子模块也是独立设置的，当一个定子模块或几个定子模块出现故障时对其他模块不构成影响，电机依旧可以正常工作，从而提高系统的可靠性；同时，由于一个定子模块或几个定子模块出现故障时会对动子11的速度造成影响，此时其他定子模块接收来自位移传感器14的信号，并由逆变器15对电流进行控制，进而对上述速度的变化进行补偿，保持速度的稳定性，提高了系统的容错性和协调性；每个线圈绕组1222分别由一个独立的逆变器15进行控制，逆变器15所需的电压较低，从而提高了系统的安全性。由于本实施例中每个逆变器15的价格非常低，在电机达到同样的电压等级或电流等级的情况下，本实施例中所有逆变器15的成本总和也远远低于现有技术中仅设置有一个逆变器的成本，这种成本优势在高压电机中更为明显。

为了方便维修，线圈绕组1222、逆变器15以及电枢铁芯1221可以设置成一整体模块，该整体模块与机座121之间可以自由拆卸，当其中一个或几个整体模块发生故障时可立即更换，维修方便。同时也可根据电机的功率和行程大小调整整体模块的数量，从而可以方便地设计不同电压等级或电流等级的电机，而且不受逆变器规格的限制。在其他实施方式中，电枢122可以作为一个单独的模块与机座121之间可拆卸，逆变器15也可以作为一个单独的模块与机座121之间可拆卸。

导轨13为直线形导轨，其分别设置于第一支架1111和第一侧边1212之间、第一支架1111和第二侧边1213之间以及第二支架1112和底座1211之间。设置于第一侧边1212和第二侧边1213顶端的导轨13同时对动子11起到支撑的作用。易于想到，如果第一侧边1212和第二侧边1213完全可以满足对动子11的支撑作用时，第二支架1112和底座1211之间也可以不设置有导轨13。

永磁直线同步电机10还包括有位移传感器14，位移传感器14包括动磁头(未标号)和磁栅尺(未图示)，动磁头设置于所述动子11上，磁栅尺设置于所述定子12上。位移传感器14用以感应和完成对位移的测量。显然，在更多的具体实施方式中，所说的位移传感器14并不限于上述的列举，其还应包括本领域普通技术人员所了解的其它可应用在永磁直线同步电机内的位移传感器，例如：光电编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅尺等。

在上述技术方案中，每个逆变器15都接收来自位移传感器14的位移信号，进而根据弹射的要求实现闭环独立控制。逆变器15与位移传感器14之间的通信可以采用有线方式，也可以以一定的无线传输协议采用无线方式进行。逆变器15彼此之间不存在直接通信，但是每个逆变器15都可以根据动子11的滑动位移以及负载的变化提供最优的控制电流。同时由于线圈绕组1222、逆变器15以及电枢铁芯1221构成一个独立的可拆卸的整体模块，当其中一个整体模块或几个整体模块出现故障时可立即更换，从整个构架上提高了系统的可靠性、安全性、系统的容错性以及协调性。

本发明通过研究低压代替高压多支路永磁直线同步电动机及其多逆变器系统，将大功率电机设计成集中绕组，每个线圈绕组对应一个逆变器进行控制，分别由通用低压逆变器供电，并可根据负载的需要，调整线圈绕组的数量，实现逆变器容量的最优冗余控制。本发明解决了大功率调速系统的电压等级和电流等级问题，为大型机械装备的变频节能降耗技术研究，提出了新的技术方案。

本发明的主要技术方案在于：线圈绕组的独立设置以及每个线圈绕组分别由单独的逆变器控制。但是该方案并不限应用于上述的实施例，其还可以应用于单边平板式的永磁直线同步电机、圆筒形永磁直线同步电机等。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种永磁直线同步电机，包括动子、定子以及设于所述动子和定子之间的导轨，其特征在于：所述动子包括永磁体支架以及安装于所述永磁体支架上的若干永磁体，所述定子包括机座以及安装于所述机座上的若干电枢，所述电枢包括电枢铁芯和卷设于所述电枢铁芯上的线圈绕组，所述线圈绕组之间相互独立且与所述永磁体配合设置，所述每个线圈绕组分别连接有一个独立的逆变器，所述电枢和所述逆变器固定构成一整体模块，所述整体模块组装于所述机座上,所述永磁直线同步电机还包括有位移传感器，所述位移传感器包括动磁头和磁栅尺，所述动磁头设置于所述动子上，所述磁栅尺设置于所述定子上，所述的定子模块接收来自位移传感器的信号，并由逆变器对电流进行控制，对动子的速度变化进行补偿。

2.根据权利要求1所述永磁直线同步电机，其特征在于：所述永磁体支架呈“T”形，包括水平设置的第一支架以及垂直设置的第二支架，所述机座包括水平设置的底座以及垂直所述底座的第一侧边和第二侧边，所述第二支架位于所述第一侧边和所述第二侧边之间，所述永磁体安装在所述第二支架的两侧壁上，所述电枢分别安装于所述第一侧边和第二侧边的内侧且与所述永磁体配合设置。

3.根据权利要求2所述永磁直线同步电机，其特征在于：所述逆变器分别设置于所述第一侧边和第二侧边的外侧。

4.根据权利要求2或3所述永磁直线同步电机，其特征在于：所述导轨分别设置于所述第一支架和所述第一侧边之间以及所述第一支架和所述第二侧边之间。

5.根据权利要求2或3所述永磁直线同步电机，其特征在于：所述导轨设置于所述第二支架和所述底座之间。