CN102545537B

CN102545537B - 初级短齿槽结构直线同步电机

Info

Publication number: CN102545537B
Application number: CN 201110400542
Authority: CN
Inventors: 寇宝泉; 李春艳; 张子娇
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2011-12-06
Filing date: 2011-12-06
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2031-12-06
Also published as: CN102545537A

Abstract

初级短齿槽结构直线同步电机，属于电机领域。本发明解决了现有无铁心直线电机存在的绕组电感小、电流尖峰大、精确控制电流难度大、散热条件差、连续推力密度低、初级支撑难度大、不容易实现大推力的问题。本发明在初级绕组的每个线圈中间均设置一个线圈定位齿，还可以在相邻两个线圈之间设置线圈间隔齿，线圈定位齿和线圈间隔齿固定在初级铁心上或与初级铁心为一体结构，线圈定位齿和线圈间隔齿的齿顶的截面是向气隙侧凸起的圆弧，线圈定位齿和线圈间隔齿的高度均为线圈厚度的20％～80％，所述厚度是指线圈沿垂直于气隙侧表面的高度；还可以在相邻两个线圈之间设置线圈间隔槽。本发明所述的初级短齿槽结构直线同步电机既可是平板电机还可是圆筒电机。

Description

初级短齿槽结构直线同步电机

技术领域

本发明是关于初级短齿槽结构直线同步电机，属于电机领域。

背景技术

图18为目前现有的U形次级、初级无铁心直线电机的基本结构。该类型直线电机的初级上没有铁磁材料，次级产生的磁场穿过初级，初级绕组电流与气隙磁场相互作用产生电磁力，驱动动子做直线运动。

同有铁心直线电机相比，无铁心直线电机具有如下特点：(1)零齿槽效应，即无齿槽效应引起的定位力；(2)初级与次级之间没有磁吸力；(3)速度范围宽，通常可实现超过5m/s或低于1μm/s的运行速度；(4)系统动态性能高，由于仅受动子支撑装置的限制，所以轻载情况下很容易得到超过10g的加速度；(5)运行平稳、定位精度高。由于消除了齿槽效应，因此推力波动和速度波动低，定位精度也仅受回馈组件分辨率的限制，通常可以达到μm以下的定位精度。因此，无铁心直线电机尤其适用于半导体光刻、PC板检查和钻孔、芯片处理加工、离子注入、电子装配及坐标测量等精密伺服领域。

但是，无铁心直线电机也存在如下缺点：绕组电感小，电流尖峰大，精确控制电流难度大；散热条件差，连续推力密度低；初级支撑难度大，不容易实现大推力；加工难度大、永磁体用量多、成本高。

发明内容

本发明的目的是解决现有无铁心直线电机存在的绕组电感小，电流尖峰大，精确控制电流难度大；散热条件差，连续推力密度低；初级支撑难度大，不容易实现大推力；加工难度大、永磁体用量多、成本高的问题。

本发明所述的初级短齿槽结构直线同步电机包括初级、次级和气隙，初级包括初级铁心和初级绕组，电枢绕组为集中绕组，构成绕组的每个线圈为先成型的线圈，所有线圈沿运动方向均匀分布在初级铁心的气隙侧表面，每个线圈的中间均有一个线圈定位齿，所述线圈定位齿固定在初级铁心上或与初级铁心为一体结构，所述线圈定位齿的齿顶的截面是向气隙侧凸起的圆弧，所述截面是指沿与运动方向相平行的平面所作的截面，每个线圈的沿运动方向的两个内侧壁与其内侧的线圈定位齿的外侧壁紧密接触，线圈定位齿的高度为线圈厚度的20％～80％，所述厚度是指线圈沿垂直于气隙侧表面的高度。

本发明还提供另一种初级短齿槽结构直线同步电机，该种直线同步电机包括初级、次级和气隙，初级包括初级铁心和初级绕组，电枢绕组为集中绕组，构成绕组的每个线圈为先成型的线圈，所有线圈沿运动方向均匀分布在初级铁心的气隙侧表面，每个线圈内均设置有两个线圈定位齿，所述两个线圈定位齿沿运动方向排列，每个线圈定位齿与线圈内侧壁相邻的侧壁与线圈紧密接触，所述线圈定位齿固定在初级铁心上或与初级铁心组成一体结构，所述线圈定位齿的齿顶的截面是向气隙侧凸起的圆弧形，所述截面是指沿与运动方向相平行的平面所作的截面；线圈定位齿的高度为线圈厚度的20％～80％，所述厚度是指线圈沿垂直于气隙侧表面的高度。

本发明所述的初级短齿槽结构直线同步电机，还可以是在上述两种结构的基础之上，增加多个线圈间隔齿，相邻两个线圈之间均设置有一个线圈间隔齿，所述线圈间隔齿固定在初级铁心上或与初级铁心为一体结构，所述线圈间隔齿的齿顶的横截面为向气隙侧凸起的圆弧，所述横截面是指沿与运动方向平行的平面所作的截面，每个线圈间隔齿与其相邻的两个线圈紧密接触；线圈间隔齿的高度为线圈厚度的20％～80％。

所述的线圈间隔齿为横向整齿结构或者为横向分段结构。

本发明所述的初级短齿槽结构直线同步电机，还可以是在上述两种结构的基础之上，在每相邻两个线圈之间的铁心气隙侧均开有一个线圈间隔槽，所述线圈间隔槽的沿电机横向的长度d4大于或等于定位齿的长度d2、并小于定位齿的长度d2与一个线圈端部的宽度d1之和，所述线圈间隔槽沿运动方向的长度小于或等于相邻两个线圈的相邻边之间的距离。

本发明所述的初级短齿槽结构直线同步电机的次级为表面永磁体结构、内嵌永磁体结构或Halbach永磁体结构。

本发明所述的初级短齿槽结构直线同步电机既可以是平板电机还可以是圆筒电机。

本发明通过采用特殊的初级铁心结构，既可以有效地抑制电机定位力，又能够提高电机推力密度、增加绕组电感、减小电机损耗、提高电机散热能力与可靠性，同时，还可以改善电机制造工艺、提高电机加工精度、降低电机成本。

附图说明

图1是具体实施方式一所述的初级短齿槽结构直线同步电机的结构示意图，图2是图1的A-A向示图，图3是图1的B-B向示图，图4是具体实施方式二所述的初级短齿槽结构直线同步电机的结构示意图，图5是图1的C-C向示图，图6是具体实施方式三所述的一种初级短齿槽结构直线同步电机的结构示意图，图7是图6的D-D向示图，图8是具体实施方式三所述的另一种初级短齿槽结构直线同步电机的结构示意图，图9是图8的E-E向示图，图10是图1中所述的初级的局部放大图，图11是具体实施方式五所述的结构中的线圈定位齿的结构示意图。图12是具体实施方式四所述的初级短齿槽结构直线同步电机的初级的结构示意图，该示意图是从气隙侧看初级获得的示意图，图13是图12的F-F剖视图。图14是具体实施方式六所述的初级短齿槽结构直线同步电机的初级结构示意图，图15是图14的仰视图。图16是具体实施方式七所述的一种初级短齿槽结构直线同步电机的次级结构示意图，该图是从气隙侧看次级获得的结构示意图，图17是图16的侧视图。图18是一种现有U形次级、初级无铁心直线电机的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1、2和3说明本实施方式，本实施方式所述的初级短齿槽结构直线同步电机包括初级、次级和气隙，初级包括初级铁心3和初级绕组，电枢绕组为集中绕组，构成绕组的每个线圈2为先成型的线圈，所有线圈2沿运动方向均匀分布在初级铁心3的气隙侧表面，每个线圈2的中间均有一个线圈定位齿1，所述线圈定位齿1固定在初级铁心3上或与初级铁心3为一体结构，所述线圈定位齿1的齿顶的截面是向气隙侧凸起的圆弧，所述截面是指沿与运动方向相平行的平面所作的截面，每个线圈2的沿运动方向的两个内侧壁与其内侧的线圈定位齿1的外侧壁紧密接触，线圈定位齿1的高度为线圈厚度的20％～80％，所述厚度是指线圈2沿垂直于气隙侧表面的高度。

本实施方式中所述的线圈定位齿的形状参见图10所示，线圈定位齿的气隙侧的端部为弧形，方便在制作电机时成型线圈2的套接，线圈定位齿的齿身两侧与线圈内侧紧密接触，起到固定线圈的作用。

具体实施方式二：参见图4和5所示说明本实施方式。本实施方式所述的初级短齿槽结构直线同步电机包括初级、次级和气隙，初级包括初级铁心3和初级绕组，电枢绕组为集中绕组，构成绕组的每个线圈2为先成型的线圈，所有线圈2沿运动方向均匀分布在初级铁心3的气隙侧表面，每个线圈2内均设置有两个线圈定位齿1，所述两个线圈定位齿1沿运动方向排列，每个线圈定位齿1与线圈2内侧壁相邻的侧壁与线圈2紧密接触，所述线圈定位齿1固定在初级铁心3上或与初级铁心3组成一体结构，所述线圈定位齿1的齿顶的截面是向气隙侧凸起的圆弧形，所述截面是指沿与运动方向相平行的平面所作的截面；线圈定位齿1的高度为线圈厚度的20％～80％，所述厚度是指线圈2沿垂直于气隙侧表面的高度。

本实施方式中，每个线圈内有两个线圈定位齿，所述两个线圈定位齿1的高度和宽度相同或不同均可，所述两个线圈定位齿1是为了对套在器上的线圈2进行限位和固定作用的。

具体实施方式三：参见图6、7、8和9所示说明本实施方式。本实施方式所述的与具体实施方式一或二所述的初级短齿槽结构直线同步电机的区别在于，它还包括多个线圈间隔齿6，相邻两个线圈2之间均设置有一个线圈间隔齿6，所述线圈间隔齿6固定在初级铁心3上或与初级铁心3为一体结构，所述线圈间隔齿6的齿顶的横截面为向气隙侧凸起的圆弧，所述横截面是指沿与运动方向平行的平面所作的截面，每个线圈间隔齿6与其相邻的两个线圈2紧密接触；线圈间隔齿6的高度为线圈2厚度的20％～80％。

本实施方式中，在相邻两个线圈2之间增加了线圈间隔齿6，能够更好的对线圈进行定位和固定。

图6是本实施方式所述的一种初级短齿槽结构直线同步电机的结构示意图，该种结构中，每个线圈内有一个线圈定位齿，两个相邻线圈之间有一个线圈间隔齿，图7是图6的E-E向示图。

图8是本实施方式所述的另一种初级短齿槽结构直线同步电机的结构示意图，该种结构中，每个线圈内有两个线圈定位齿，两个相邻线圈之间有一个线圈间隔齿，图9是图8的E-E向示图。

本实施方式中增加的线圈间隔齿6，可以是横向整齿结构，还可以是横向分段结构。

具体实施方式四：参见图12和13所示说明本实施方式。本实施方式所述的与具体实施方式一或二所述的初级短齿槽结构直线同步电机的区别在于，每相邻两个线圈2之间的铁心气隙侧均开有一个线圈间隔槽7，所述线圈间隔槽7的沿电机横向的长度d4大于或等于定位齿的长度d2、并小于定位齿的长度d2与一个线圈2端部的宽度d1之和，所述线圈间隔槽7沿运动方向的长度小于或等于相邻两个线圈2的相邻边之间的距离。

参见图12和13所示，本实施方式在相邻线圈2之间增加线圈间隔槽7，在电机工作过程中，线圈定位齿1要产生一个定位力，本实施方式增加的线圈间隔槽7也会产生一个定位力，并且该定位力与线圈定位齿1所产生的定位力的方向相反，因此，能够达到减小电枢铁心所产生的整体定位力的效果。

具体实施方式五：参见图11所示说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式二所述的初级短齿槽结构直线同步电机的区别在于，所述线圈定位齿1的气隙侧宽度小于与初级铁心连接一侧的宽度。

本实施方式所述的宽度是指沿运动方向的长度。本实施方式中，所述线圈定位齿1与线圈相邻接的一个侧面与线圈紧密接触，与其相对的另一个侧面与该侧面夹角大于零度，具体结构参见图11所示，所述两个线圈定位齿1的齿根部的宽度大于齿顶部的宽度，在不影响定位功能的前提下，增加了线圈定位齿的强度。

具体实施方式六：参见图14和15说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一或二所述的初级短齿槽结构直线同步电机的区别在于，所述初级铁心3沿横向分为绕组固定区C1和两个端部区C2，所述电枢绕组的有效边位于绕组固定区C1内，所述电枢绕组两端的端部分别位于两个端部区(C2)内，每个端部区C2上开有多条狭缝8，每条狭缝8位于一个线圈2的中心线上。

本实施方式在电枢铁心上的每个线圈2的两端均增加有狭缝结构，参见图16所示，该结构能够阻断窝电流，进而达到减小初级铁心端部产生的涡流的效果。

具体实施方式七：参见图16和17说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一或二所述的初级短齿槽结构直线同步电机的区别在于，次级包括次级永磁体4和次级轭板5，次级轭板5为平板形，所述次级轭板沿横向分为永磁体固定区C3和两个端部区C4，所述永磁体固定区C3位于两个端部区C4之间，端部区C4的厚度大于永磁体固定区C3的厚度，并且小于或等于永磁体固定区C3的厚度与永磁体4的厚度之和，永磁体固定区C3的横向宽度大于或等于线圈定位齿1的横向宽度d2，且小于或等于线圈定位齿1的横向宽度d2与一个线圈2端部宽度d1之和，所述永磁体4固定在永磁体固定区C3内。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一至七任意一个实施方式所述的初级短齿槽结构直线同步电机中的次级结构的进一步限定，本实施方式中，所述次级为表面永磁体4结构、内嵌永磁体4结构或Halbach永磁体4结构。

具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式一至七任意一个实施方式所述的初级短齿槽结构直线同步电机中的次级结构的进一步限定，本实施方式中所述的次级永磁体4横向长度d5为线圈定位齿1的横向宽度d2与线圈2一个端部长度d1之和。

上述各种具体实施方式所述的初级短齿槽结构直线同步电机可以是平板电机还可以是圆筒电机。

本发明不局限于上述各种具体实施方式所述的具体结构，还可以是上述各种实施方式所记载的技术特征的合理的组合。

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Claims

1.初级短齿槽结构直线同步电机，所述同步电机包括初级、次级和气隙，初级包括初级铁心(3)和初级绕组，电枢绕组为集中绕组，构成绕组的每个线圈(2)为先成型的线圈，所有线圈(2)沿运动方向均匀分布在初级铁心(3)的气隙侧表面，每个线圈(2)的中间均有一个线圈定位齿(1)，所述线圈定位齿(1)固定在初级铁心(3)上或与初级铁心(3)为一体结构，所述线圈定位齿(1)的齿顶的截面是向气隙侧凸起的圆弧，所述截面是指沿与运动方向相平行的平面所作的截面，每个线圈(2)的沿运动方向的两个内侧壁与其内侧的线圈定位齿(1)的外侧壁紧密接触，线圈定位齿(1)的高度为线圈厚度的20%～80%，所述厚度是指线圈(2)沿垂直于气隙侧表面的高度，其特征在于，所述同步电机还包括多个线圈间隔齿(6)，相邻两个线圈(2)之间均设置有一个线圈间隔齿(6)，所述线圈间隔齿(6)固定在初级铁心(3)上或与初级铁心(3)为一体结构，所述线圈间隔齿(6)的齿顶的横截面为向气隙侧凸起的圆弧，所述横截面是指沿与运动方向平行的平面所作的截面，每个线圈间隔齿(6)与其相邻的两个线圈(2)紧密接触;线圈间隔齿(6)的高度为线圈(2)厚度的20%～80%。

2.初级短齿槽结构直线同步电机，所述直线同步电机包括初级、次级和气隙，初级包括初级铁心(3)和初级绕组，电枢绕组为集中绕组，构成绕组的每个线圈(2)为先成型的线圈，所有线圈(2)沿运动方向均匀分布在初级铁心(3)的气隙侧表面，其特征在于，每个线圈(2)内均设置有两个线圈定位齿(1)，所述两个线圈定位齿(1)沿运动方向排列，每个线圈定位齿(1)与线圈(2)内侧壁相邻的侧壁与线圈(2)紧密接触，所述线圈定位齿(1)固定在初级铁心(3)上或与初级铁心(3)组成一体结构，所述线圈定位齿(1)的齿顶的截面是向气隙侧凸起的圆弧形，所述截面是指沿与运动方向相平行的平面所作的截面;线圈定位齿(1)的高度为线圈厚度的20%～80%，所述厚度是指线圈(2)沿垂直于气隙侧表面的高度。

3.根据权利要求2所述的初级短齿槽结构直线同步电机，其特征在于，它还包括多个线圈间隔齿(6)，相邻两个线圈(2)之间均设置有一个线圈间隔齿(6)，所述线圈间隔齿(6)固定在初级铁心(3)上或与初级铁心(3)为一体结构，所述线圈间隔齿(6)的齿顶的横截面为向气隙侧凸起的圆弧，所述横截面是指沿与运动方向平行的平面所作的截面，每个线圈间隔齿(6)与其相邻的两个线圈(2)紧密接触;线圈间隔齿(6)的高度为线圈(2)厚度的20%～80%。

4.根据权利要求1或3所述的初级短齿槽结构直线同步电机，其特征在于所述线圈间隔齿(6)为横向整齿结构或者为横向分段结构。

5.根据权利要求1或2所述的初级短齿槽结构直线同步电机，其特征在于，每相邻两个线圈(2)之间的铁心气隙侧均开有一个线圈间隔槽(7)，所述线圈间隔槽(7)的沿电机横向的长度d4大于或等于定位齿的长度d2、并小于定位齿的长度d2与一个线圈(2)端部的宽度d1之和，所述线圈间隔槽(7)沿运动方向的长度小于或等于相邻两个线圈(2)的相邻边之间的距离。

6.根据权利要求1或2所述的初级短齿槽结构直线同步电机，其特征在于初级铁心(3)沿横向分为绕组固定区(C1)和两个端部区(C2)，所述绕组固定区(C1)位于两个端部区(C2)之间，所述电枢绕组的有效边位于绕组固定区(Cl)内，所述电枢绕组两端的端部分别位于两个端部区(C2)内，每个端部区(C2)上开有多条狭缝(8)，每条狭缝(8)位于一个线圈(2)的中心线上。

7.根据权利要求1或2所述的初级短齿槽结构直线同步电机，其特征在于，次级包括次级永磁体(4)和次级轭板(5)，次级轭板(5)为平板形，所述次级轭板沿横向分为永磁体固定区(C3)和两个端部区(C4)，所述永磁体固定区(C3)位于两个端部区(C4)之间，端部区(C4)的厚度大于永磁体固定区(C3)的厚度，并且小于或等于永磁体固定区(C3)的厚度与永磁体(4)的厚度之和，永磁体固定区(C3)的横向宽度大于或等于线圈定位齿(1)的横向宽度d2，且小于或等于线圈定位齿(1)的横向宽度d2与一个线圈(2)端部宽度d1之和，所述永磁体(4)固定在永磁体固定区(C3)内。

8.根据权利要求1或2所述的初级短齿槽结构直线同步电机，其特征在于，次级为表面永磁体(4)结构、内嵌永磁体(4)结构或Halbach永磁体(4)结构。

9.根据权利要求1或2所述的初级短齿槽结构直线同步电机，其特征在于，次级永磁体(4)横向长度d5为线圈定位齿(1)的横向宽度d2与线圈(2)一个端部长度d1之和。

10.根据权利要求1或2所述的初级短齿槽结构直线同步电机，其特征在于，所述直线同步电机是平板电机或者圆筒电机。