CN102710094A - 一种用于轴向进给的不等宽齿环圆筒型直线电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于轴向进给的不等宽齿环圆筒型直线电动机，电机初级包括大齿环，垫圈，小齿环沿轴向依次组合式排放在初级轭部套筒内侧形成间隔不等宽齿环的初级铁心齿槽结构，各相绕组线圈间隔放置在各大齿环两侧，轴向串联连接；电机次级由次级铁心和次级磁钢组成沿轴向交替放置主轴外圆，电机初级与次级之间产生的电磁推力驱动主轴实现轴向进给。本发明电机结构简单，加工方便，绕组线圈连接容易，输出电磁推力大，推力波动小；另外滑杆式微脉冲位移传感器精确测量电机的直线位置和速度，为实现高精度快速响应反馈控制奠定基础；本发明的圆筒型直线电动机可应用于实现各类高速高精度机床切削加工的轴向进给。

Description

一种用于轴向进给的不等宽齿环圆筒型直线电动机

技术领域

本发明涉及用于切削加工机床主轴进给驱动领域，特别涉及一种用于轴向进给的不等宽齿环圆筒型直线电动机。

背景技术

现今高档数控加工机床中用圆筒型永磁直线电动机替代“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的主轴轴向进给方式具有直线速度高，瞬时响应快，线性定位精度高等优势，越来越得到广泛的应用。正弦波直线永磁电机具有高功率密度和精确的控制性能，使其成为主轴进给驱动用圆筒型直线电机的首选。但该电机传统初级铁心圆筒齿槽数量庞大，结构复杂，加工困难；传统双层分布绕组线圈连接复杂，绕组因数低，使得电机输出推力低。另外，为提高电机轴向进给运动精度，降低机械噪声，需要减小齿槽结构产生的自定位推力对输出电磁推力波动的影响。

鉴于以上技术问题，实有必要提供一种可以克服上述缺陷的新型的用于轴向进给的圆筒型直线电动机。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于轴向进给的不等宽齿环圆筒型直线电动机，其采用极槽数相近的结构降低电机齿槽数，设计组合式齿槽使得电机初级铁心圆筒结构简单，大大降低加工难度，安装方便；采用不等宽齿环结构和单齿间隔绕组，提高电机绕组因数，增加电机输出推力，同时有效削弱齿槽推力，减小输出推力波动。另外，采用微脉冲位移传感器精确测量圆筒型直线电动机的位置和速度。本发明能够提高机床主轴轴向进给的快速响应和高精度的定位性能，实现机床切削加工的高速化高精化。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于轴向进给的不等宽齿环圆筒型直线电动机，包括：主轴、初级轭部套筒、大齿环、小齿环、垫圈、绕组线圈、次级铁心、次级磁钢和次级安装套筒；所述主轴外侧设置对称的两个用于对主轴的轴向进给运动进行导向的滑键；所述初级轭部套筒、大齿环、小齿环和垫圈组成本发明圆筒型直线电动机的初级铁心；所述初级轭部套筒通过其前端的凸缘嵌套于主轴箱体内并固定；所述大齿环、垫圈、小齿环沿轴向依次组合式排放在所述初级轭部套筒内侧，形成间隔不等宽齿环的初级铁心齿槽结构，由设置在所述初级轭部套筒两端的外螺纹螺母固定；所述次级铁心和次级磁钢沿轴向交替放置在次级安装套筒上组成圆筒型直线电动机次级，所述次级磁钢轴向充磁，相邻次级磁钢磁化方向相反；次级安装套筒设置在主轴后端部；所述次级安装套筒的一端设置凸缘，另一端设置内螺纹螺母用于固定圆筒型直线电动机次级，所述次级安装套筒两端内侧设置有滚子轴承支撑在主轴外圆上，并通过锁紧螺母轴向固定。

优选的，所述大齿环与小齿环的齿顶宽大小不相等，所述大齿环的齿顶宽度设置为极距大小。

优选的，所述初级铁心齿槽内设有垫圈；所述绕组线圈间隔地嵌套在所述大齿环和小齿环之间与垫圈内侧形成的环形槽内，为三相绕组的饼式线圈结构，所述大齿环两侧的绕组线圈属于同一相绕组且绕向相反，各相绕组线圈沿轴向串联连接。

优选的，初级轭部套筒的前后两端均设有挡板，所述次级安装套筒设置有轴向穿过筒壁的上滑杆和下滑杆，所述上滑杆两端通过螺母固定在初级轭部套筒前后两端的挡板上；所述下滑杆的前端设置螺母固定初级轭部套筒前端的的挡板上，下滑杆的后端设置有微脉冲位移传感器；次级安装套筒穿过下滑杆的筒壁后端嵌放有定位磁环，所述微脉冲位移传感器通过定位磁环在所述下滑杆的相对位置测量所述圆筒型直线电机的速度和位移。

上述次级磁钢在电机初级和电机次级之间的气隙产生轴对称的径向磁场，当绕组线圈通入三相交流电时产生沿轴向运动的行波磁场，与次级磁钢的磁场作用产生轴向电磁推力，直接驱动主轴轴向进给。圆筒型直线电动机采用极槽数相近结构，可方便地根据主轴进给推力和进给速度大小，选择合适数量的次级磁钢，次级铁心，大齿环和小齿环进行组合，满足主轴轴向进给要求。

与现有的技术相比较，本发明具有如下显而易见的突出特点和显著优点：所述圆筒型直线电动机的初级铁心由独立的轭部套筒，大齿环，小齿环，垫圈组合而成，加工方便；各相绕组线圈间隔放置在各大齿环两侧，安装连接简单，提高了绕组因数，增加电机输出推力；不等宽齿环结构有效的削弱齿槽推力，减小输出推力波动。滑杆式微脉冲位移传感器精确测量电机的直线位置和速度，为实现高精度快速响应反馈控制奠定基础。因此，本发明的圆筒型直线电动机可应用于实现各类高速高精度机床切削加工的轴向进给。

附图说明

图1是本发明一种用于轴向进给的不等宽齿环圆筒型直线电动机的轴向结构示意图；

图2是本发明一种用于轴向进给的不等宽齿环圆筒型直线电动机的三维结构示意图；

图3是图2中圆筒型直线电动机大齿环的结构示意图；

图4是图2中圆筒型直线电动机小齿环的结构示意图；

图5是图1中圆筒型直线电动机的绕组线圈连线示意图；

图6是图1中圆筒型直线电动机主磁场轴向截面的磁力线分布图；

图7是传统10极12槽圆筒型直线电动机的结构示意图;

图8是传统10极12槽圆筒型直线电动机各相绕组匝链磁通波形；

图9是图1中10极12槽圆筒型直线电动机各相绕组匝链磁通波形曲线；

图10是图1中圆筒型直线电动机和传统电机的输出电磁推力曲线；

图中标号与对应元件的关系如下：

1	主轴	2	主轴箱体
				3	滑键	4	初级轭部套筒
5	大齿环	6	小齿环
				7	凸缘	8	垫圈
9	绕组线圈	10	次级铁心
				11	次级磁钢	12	螺钉
13	次级安装套筒	14	螺母
				15	挡板	16	外螺纹螺母
17	上滑杆	18	下滑杆
				19	内螺纹螺母	20	滚子轴承
21	锁紧螺母	22	微脉冲位移传感器
				23	定位磁环

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种用于不等宽齿环轴向进给的圆筒型直线电动机的组成结构及电磁性能作具体介绍：

参阅图1所示，本发明一种用于不等宽齿环轴向进给的圆筒型直线电动机主要包括初级轭部套筒4，大齿环5，小齿环6，垫圈8，绕组线圈9，次级铁心10和次级磁钢11。所述圆筒型直线电动机设置在主轴1后端部，所述圆筒型直线电动机输出的电磁推力使主轴1在旋转的同时实现轴向进给。所述主轴1外侧设置对称的两个滑键3用于主轴1的轴向进给的运动导向。

结合图1和图2所示，所述初级轭部套筒4，大齿环5，小齿环6，垫圈8组成本发明圆筒型直线电动机的初级铁心，所述初级轭部套筒4通过凸缘7嵌套于主轴箱体2内固定，所述大齿环5，垫圈8，小齿环6沿轴向依次组合式排放在所述初级轭部套筒4内侧形成间隔不等宽齿环的初级铁心齿槽结构，由设置在所述初级轭部套筒4两端的外螺纹螺母16固定。所述次级铁心10和次级磁钢11沿轴向交替放置在次级安装套筒13上组成圆筒型直线电动机次级，所述次级磁钢11轴向充磁，相邻次级磁钢11磁化方向相反。所述次级安装套筒13外侧一端设置凸缘，另一端设置内螺纹螺母19用于固定圆筒型直线电动机次级，所述次级安装套筒13两端内侧设置有滚子轴承20支撑在主轴1外圆上，并通过锁紧螺母21轴向固定。

结合图2，图3，和图4所示，所述大齿环5与小齿环6的齿宽大小不相等（大齿环5的齿宽大于小齿环6的齿宽），所述大齿环5的齿顶宽度设置为极距大小，使得所述次级磁钢11一个极产生的磁通全部通过大齿环5。

结合图2和图5所示，所述绕组线圈9间隔地嵌套在所述大齿环5和小齿环6之间的垫圈8内侧形成的环形槽内，为三相绕组的饼式线圈结构，所述大齿环5两侧的绕组线圈9属于同一相绕组且绕向相反，各相绕组线圈9沿轴向串联连接，相比传统双层分布绕组，所述间隔绕组结构提高了绕组线圈9的分布系数。套在大齿环5两侧的各相绕组线圈9的跨距等于极距，使所述绕组线圈9的短距系数达到最大。

参阅图6所示，为通过有限元分析得到的本发明一种用于轴向进给的不等宽齿环圆筒型直线电动机主磁场轴向截面的磁力线分布图，所述次级磁钢11在电机初级和电机次级之间的气隙产生轴对称的径向磁场。本发明圆筒型直线电动机采用极槽数相近结构，可方便地根据主轴1进给推力和进给速度大小，选择合适数量的次级磁钢11，次级铁心10，大齿环5和小齿环6进行组合，满足主轴1轴向进给要求。作为本发明的其中一种实施例，本发明采用10极12槽结构，由于在齿环不饱和的前提下，流入某个单齿环的磁通量是与该齿环的顶宽与极距的比率相关的，由图可见设计所述大齿环5齿宽与一个极距相等，一个次级磁钢11产生的磁通能全部通过大齿环5内。

为体现本发明的圆筒型直线电动机在用于轴向进给方面的优势，利用有限元分析方法，对本发明一种10极12槽实施例与传统10极12槽圆筒型直线电动机进行输出性能比较。传统10极12槽圆筒型直线电动机结构如图7所示，电机初级各个齿部宽度相等，绕组线圈采用集中分布绕组结构。比较两种直线电动机各相匝链磁通波形曲线，如图8，9所示，传统10极12槽等齿宽直线电机的A相匝链磁通峰值为5.949Wb，而本发明不等宽齿环直线电机为6.303Wb,较等宽齿环直线电机提高了6.0%。比较两种直线电机输出电磁推力曲线，如图10所示，传统等宽齿直线电机次级移动一个周期的平均电磁推力为7448.154N，而不等齿宽直线电机的平均电磁推力为8167.397N，较等齿宽直线电机提高了9.66%。同时推力脉动幅度也得到减小。

再次参阅图1所示，所述次级安装套筒13设置有轴向穿过筒壁的上滑杆17和下滑杆18，所述上滑杆17两端设置螺母14固定在挡板15上，用于防止圆筒型电动机次级周向受力不均产生的旋转运动。所述下滑杆18一端设置螺母14固定在挡板15上，另一端设置微脉冲位移传感器22，定位磁环23嵌放在的所述次级安装套筒13穿过下滑杆18的筒壁一端，所述微脉冲位移传感器22通过定位磁环23在所述下滑杆18的相对位置测量所述圆筒型直线电机的速度和位移。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种用于轴向进给的不等宽齿环圆筒型直线电动机，其特征在于：包括：主轴（1）、初级轭部套筒（4）、大齿环（5）、小齿环（6）、垫圈（8）、绕组线圈（9）、次级铁心（10）、次级磁钢（11）和次级安装套筒（13）；所述主轴（1）外侧设置对称的两个用于对主轴（1）的轴向进给运动进行导向的滑键（3）；

所述初级轭部套筒（4）、大齿环（5）、小齿环（6）和垫圈（8）组成本发明圆筒型直线电动机的初级铁心；所述初级轭部套筒（4）通过其前端的凸缘（7）嵌套于主轴箱体（2）内并固定；所述大齿环（5）、垫圈（8）、小齿环（6）沿轴向依次组合式排放在所述初级轭部套筒（4）内侧，形成间隔不等宽齿环的初级铁心齿槽结构，由设置在所述初级轭部套筒（4）两端的外螺纹螺母（16）固定；所述次级铁心（10）和次级磁钢（11）沿轴向交替放置在次级安装套筒（13）上组成圆筒型直线电动机次级，所述次级磁钢（11）轴向充磁，相邻次级磁钢（11）磁化方向相反；次级安装套筒（13）设置在主轴（1）后端部；所述次级安装套筒（13）的一端设置凸缘，另一端设置内螺纹螺母（19）用于固定圆筒型直线电动机次级，所述次级安装套筒（13）两端内侧设置有滚子轴承（20）支撑在主轴（1）外圆上，并通过锁紧螺母（21）轴向固定。

2.如权利要求1所述的一种用于轴向进给的不等宽齿环圆筒型直线电动机，其特征在于：所述大齿环（5）与小齿环（6）的齿顶宽大小不相等，所述大齿环（5）的齿顶宽度设置为极距大小。

3.如权利要求1所述的一种用于轴向进给的不等宽齿环圆筒型直线电动机，其特征在于：所述初级铁心齿槽内设有垫圈（8）；所述绕组线圈（9）间隔地嵌套在所述大齿环（5）和小齿环（6）之间与垫圈（8）内侧形成的环形槽内，为三相绕组的饼式线圈结构，所述大齿环（5）两侧的绕组线圈（9）属于同一相绕组且绕向相反，各相绕组线圈（9）沿轴向串联连接。

4.如权利要求1所述的一种用于轴向进给的不等宽齿环圆筒型直线电动机，其特征在于：初级轭部套筒（4）的前后两端均设有挡板（15），所述次级安装套筒（13）设置有轴向穿过筒壁的上滑杆（17）和下滑杆（18），所述上滑杆（17）两端通过螺母（14）固定在初级轭部套筒（4）前后两端的挡板（15）上；所述下滑杆（18）的前端设置螺母（14）固定初级轭部套筒（4）前端的的挡板（15）上，下滑杆（18）的后端设置有微脉冲位移传感器（22）；次级安装套筒（13）穿过下滑杆（18）的筒壁后端嵌放有定位磁环（23），所述微脉冲位移传感器（22）通过定位磁环（23）在所述下滑杆（18）的相对位置测量所述圆筒型直线电机的速度和位移。

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