CN103956880A - 一种动铁式直线电机多盘式线圈切换装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种动铁式直线电机多盘式线圈切换装置及方法，所述切换装置含有布置在一根转轴上的多相圆盘组，每一相圆盘组包含线圈圆盘和驱动器圆盘，线圈圆盘上布置有线圈电极，驱动器圆盘上布置有驱动器电极，每一相线圈通过导线与该相线圈电极相连，每一相驱动器通过导线与该相驱动器电极相连，线圈圆盘和驱动器圆盘随着磁钢阵列的运动而绕着转轴相对转动，实现线圈电极与驱动器电极的接触与分离，从而实现驱动器对线圈阵列中不同相线圈的供电。本发明降低能耗和电机发热，减少驱动器数量，能够实现在动铁式直线电机行程较大，参与切换的线圈数量较多的场合中线圈的有效切换。

Description

一种动铁式直线电机多盘式线圈切换装置及方法

技术领域

本发明涉及一种改变驱动器所供电线圈的切换装置，尤其涉及采用多个圆盘结构实现动铁式直线电机线圈阵列的线圈切换。

背景技术

直线电机中含有线圈阵列和磁钢阵列，磁钢阵列形成的磁场和线圈阵列中线圈中的电流之间有洛伦兹力作用，驱动运动部分的运动，实现直线运动，根据运动部分的不同分为动圈式和动铁式。动圈式直线电机以磁钢阵列作为定子，线圈阵列作为动子。动铁式直线电机以磁钢阵列作为动子，线圈阵列作为定子。由于动铁式直线电机的动子是磁钢阵列，不需要有线缆连接，不会对动子造成运动干扰，适用于超精密微动台等高速高精度场合。

在动铁式直线电机中，如果所有线圈均通电，不在磁钢覆盖下的线圈也要通入电流，浪费能源且增大电机的发热。如果每个线圈分别用一个驱动器供电，可以实现只给磁钢覆盖下的线圈供电，但这样会使驱动器数量较多，会提升成本。所以，需要采用线圈切换方法，使用较少的驱动器，不断切换驱动器所供电的线圈，保证每时刻只有磁钢覆盖下的线圈和驱动器相连，这样既降低了发热又减少了驱动器数量。专利200910243477.1提出一种动铁式直线电机线圈阵列功率驱动分配方法，通过对驱动器进行分配，减少驱动器数目。该种方案提出了用线圈阵列功率驱动分配方法来减少驱动器数量，并要求零电流切换，但其未提出具体的切换装置和方法来实现线圈的切换。另外，在动铁式直线电机行程较大，参与切换的线圈数量较多的场合中，线圈的切换会更加复杂。

目前，多采用电子开关产品实现电流的切换，即设计专门的逻辑电路控制各个线圈的切换，例如矩阵开关等，这种方法控制较为复杂，并且存在漏电流和电子切换时间延迟等问题，影响电机运动精度。

发明内容

本发明的目的在于提供动铁式直线电机多盘式线圈切换装置及方法,降低能耗和电机发热，减少驱动器数量。实现在动铁式直线电机行程较大，参与切换的线圈数量较多的场合中线圈的有效切换。

本发明的技术方案如下：

一种动铁式直线电机多盘式线圈切换装置，所述动铁式直线电机含有由线圈组成的线圈阵列和磁钢组成的磁钢阵列，线圈阵列中的线圈分为n相，n为大于等于2的正整数，每相有m个线圈，m为大于等于2的正整数，其特征在于：所述多盘式线圈切换装置包含布置在同一根转轴上的n个圆盘组，每个圆盘组实现一相线圈的切换，每相圆盘组含有一个线圈圆盘和一个驱动器圆盘；每相线圈圆盘上布置有该相的线圈电极，该相的线圈电极的数量等于线圈阵列中该相线圈数量的2倍，相邻的两个线圈电极的中心线的夹角均为相邻两个线圈电极之间保持绝缘；每相驱动器圆盘上布置有该相的驱动器电极，该相的驱动器电极的数量等于该相同时被磁钢阵列覆盖的线圈数量的2倍，两个相邻驱动器电极的中心线的夹角均为α，并且两者保持绝缘；每相圆盘组中的驱动器圆盘和线圈圆盘轴向的相对位置固定,并随着磁钢阵列的运动绕着转轴相对转动,驱动器圆盘圆周上的驱动器电极和线圈圆盘圆周上的线圈电极相接触并在圆周方向相对滑动；相邻两相圆盘组之间轴向安装距离相同或不同，相邻两相圆盘组中的线圈圆盘在圆周方向依次相差一个角度安装，各相线圈圆盘在转动过程中相对位置保持不变；相邻两相圆盘组中的驱动器圆盘在圆周方向对齐安装，各相驱动器圆盘在转动过程中相对位置保持不变；每一相驱动器圆盘圆周上关于圆心相对称的两个驱动器电极通过导线分别与对应的该相驱动器的两端相连，每一相驱动器的数量和该相同时被磁钢阵列覆盖的线圈数量相等，每一相线圈圆盘圆周上关于圆心相对称的两个线圈电极通过导线分别与线圈阵列中对应的该相线圈的两端相连。

一种动铁式直线电机多盘式线圈切换装置，所述动铁式直线电机含有由线圈组成的线圈阵列和磁钢组成的磁钢阵列，线圈阵列中的线圈分为n相，n为大于等于2的正整数，每相有m个线圈，m为大于等于2的正整数，其特征在于：所述多盘式线圈切换装置包含布置在同一根转轴上的n个圆盘组，每个圆盘组实现一相线圈的切换，每相圆盘组含有一个线圈圆盘和一个驱动器圆盘；每相线圈圆盘上布置有该相的线圈电极，该相的线圈电极的数量等于线圈阵列中该相线圈数量的2倍，相邻的两个线圈电极的中心线的夹角均为相邻两个线圈电极之间保持绝缘；每相驱动器圆盘上布置有该相的驱动器电极，该相的驱动器电极的数量等于该相同时被磁钢阵列覆盖的线圈数量的2倍，两个相邻驱动器电极的中心线的夹角均为α，并且两者保持绝缘；每相圆盘组中的驱动器圆盘和线圈圆盘轴向的相对位置固定,并随着磁钢阵列的运动绕着转轴相对转动,驱动器圆盘圆周上的驱动器电极和线圈圆盘圆周上的线圈电极相接触并在圆周方向相对滑动；相邻两相圆盘组之间轴向安装距离相同或不同，相邻两相圆盘组中的驱动器圆盘在圆周方向依次相差一个角度安装，各相驱动器圆盘在转动过程中相对位置保持不变；相邻两相圆盘组中的线圈圆盘在圆周方向对齐安装，各相线圈圆盘在转动过程中相对位置保持不变；每一相驱动器圆盘圆周上关于圆心相对称的两个驱动器电极通过导线分别与对应的该相驱动器的两端相连，每一相驱动器的数量和该相同时被磁钢阵列覆盖的线圈数量相等，每一相线圈圆盘圆周上关于圆心相对称的两个线圈电极通过导线分别与线圈阵列中对应的该相线圈的两端相连。

采用上述装置的一种动铁式直线电机多盘式线圈切换方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)每一相的驱动器电极和该相的线圈电极分别接触导通，这些驱动器电极所连接的驱动器分别向这些线圈电极所连接的线圈供电；

2)在磁钢阵列运动L距离的过程中，根据动铁式直线电机磁钢阵列反馈的速度信号v，线圈圆盘和驱动器圆盘以角速度相对转动角度，此时某一相驱动器中的电流正好为零，这一相中的每对驱动器电极分别与原来的线圈电极分离并与相邻的一对线圈电极接触，其余相的驱动器电极仍然和原来的线圈电极接触导通，所对应的驱动器仍然向原来的线圈供电，这个过程即完成了这一相的驱动器所供电的线圈的切换；

3)重复步骤1)和2)，依次实现线圈阵列中不同相中的线圈的切换。

本发明与现有技术方案相比，具有以下优点及突出性的技术效果：

实现了动铁式直线电机的线圈切换，降低能耗和电机发热，减少驱动器数量。采用机械式的圆盘结构，结构简单，简化了控制，使线圈切换易于实现，解决了漏电流和电子切换时间延迟等问题。在电机行程较大，参与切换的线圈数量较多的场合中，需要的线圈电极和驱动器电极数量较多，把不同相的驱动器电极和线圈电极分别布置在不同的驱动器圆盘和线圈圆盘上，每个驱动器电极和线圈电极所占的角度就不至于过小，方便制造和装配。

附图说明

图1是动铁式直线电机示意图

图2是本发明提供的动铁式直线电机多盘式线圈切换装置实施例示意图

图3是实施例中切换装置的安装位置示意图

图4是实施例中线圈切换过程示意图

图中：1-驱动器圆盘，2-驱动器电极，3-线圈圆盘，4-线圈电极，5-转轴，6-驱动器，7-线圈，8-磁钢阵列，9-线圈阵列，10-导线，11-圆盘组。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1是动铁式直线电机示意图，包含磁钢阵列8和线圈阵列9。其中线圈阵列9作为电机的定子，磁钢阵列8作为电机的动子。线圈阵列中的线圈7分为n相，每相有m个线圈，本实施例中取n＝3，m＝6，即动铁式直线电机的线圈阵列为3相，分别编号为A,B,C，每相有6个线圈，线圈阵列9中的线圈依次编号为A1,B1,C1,A2,B2,C2,A3,B3,C3,A4,B4,C4,A5,B5,C5,A6,B6,C6，相同的字母代表同一相。根据动铁式直线电机线圈阵列中通入电流的规律，每个线圈中电流的幅值相同，相邻的同相线圈中电角度初始相位相同，相位相差一个周期360°。相邻的不同相线圈中的初始相位从0°开始，依次增加则图中A1和A2之间的电角度为360°，A1和B1之间的电角度为所以相邻的两个线圈之间的电角度均为120°。图中每一相同时有3个线圈被磁钢阵列8覆盖，则总共有9个线圈被磁钢阵列8覆盖。初始状态下磁钢阵列8覆盖着线圈A1,B1,C1,A2,B2,C2,A3,B3,C3。磁钢阵列8向右运动，当磁钢阵列8右端接触到线圈A4时，磁钢阵列最左边还未与线圈A1分离，此时A相中通电的线圈由A1，A2，A3切换为A2，A3，A4。磁钢阵列8继续向右运动，下一时刻将依次进行B,C相线圈的切换。

图2是本发明提供的动铁式直线电机多盘式线圈切换装置实施例示意图，图中所示为适用于图1中动铁式直线电机的切换装置。动铁式直线电机多盘式线圈切换装置包含布置在同一根转轴5上的n个圆盘组11，每个圆盘组实现一相线圈的切换，每相圆盘组含有一个线圈圆盘3和一个驱动器圆盘1，线圈圆盘上布置有该相的线圈电极4，该相的线圈电极的数量等于线圈阵列中该相线圈数量的2倍。驱动器圆盘上布置有该相的驱动器电极2，该相的驱动器电极的数量等于该相同时被磁钢阵列覆盖的线圈数量的2倍。本实施例中包含布置在同一根转轴5上的三相圆盘组A,B,C，圆盘组A,B,C分别实现A,B,C相线圈的切换。图中主要画出圆盘组A的布置，圆盘组B,C布置类似，在图中简略画出。A相圆盘组含有A相线圈圆盘3和A相驱动器圆盘1,线圈圆盘上3布置有A相线圈电极4，线圈电极的数量是线圈阵列中A相线圈数量的2倍，因为每相有6个线圈，所以A相线圈电极为6对，分别编号为A1，A2，A3，A4，A5，A6，关于圆心相对称的两个线圈电极编号相同。A相驱动器圆盘1上布置有A相的驱动器电极，A相的驱动器电极的数量是A相同时被磁钢阵列覆盖的线圈数量的2倍，所以A相驱动器电极有3对，分别编号为a1,a2,a3，关于圆心相对称的两个驱动器电极编号相同。每相圆盘组中的驱动器圆盘和线圈圆盘轴向的相对位置固定,并随着磁钢阵列的运动绕着转轴相对转动,驱动器圆盘圆周上的驱动器电极和线圈圆盘圆周上的线圈电极相接触并在圆周方向相对滑动，本实施例中，转轴随着磁钢阵列的运动而转动，驱动器圆盘随转轴转动，线圈圆盘不随转轴转动，或者是线圈圆盘随转轴转动，驱动器圆盘不随转轴转动，从而实现线圈圆盘和驱动器圆盘的相对转动。每一相驱动器圆盘圆周上关于圆心相对称的两个驱动器电极通过导线10分别与对应该相驱动器6的两端相连，每一相驱动器的数量和该相同时被磁钢阵列覆盖的线圈数量相等，每一相线圈圆盘圆周上关于圆心相对称的两个线圈电极通过导线分别与线圈阵列中对应该相线圈7的两端相连。本实施例中，线圈阵列中线圈A1，A2，A3，A4，A5，A6的两端分别通过导线10连接在A相线圈圆盘上关于圆心相对称的线圈电极A1，A2，A3，A4，A5，A6上，图中只画出了A1，A2，A3。A相的驱动器a1,a2,a3的两端分别与A相的驱动器圆盘圆周上的驱动器电极a1,a2,a3相连。相同的字母，大写表示对应相连的线圈7和线圈电极4，小写代表对应相连的驱动器6和驱动器电极2。

当驱动器圆盘相对线圈圆盘转动一个角度，驱动器电极a1,a2,a3分别与线圈电极A1,A2,A3分离而和线圈电极A2,A3,A4接触，即驱动器a1,a2,a3分别停止给原来的线圈A1,A2,A3供电而给线圈A2,A3,A4供电，并且此时A相驱动器a1,a2,a3中电流均为零，这个过程即完成了A相的驱动器所供电的线圈的切换，而此时B,C相的驱动器仍然向原来的线圈供电而不参与切换。在磁钢阵列8运动过程中，驱动器圆盘1和线圈圆盘3随着磁钢阵列8运动而相对转动，依次实现线圈阵列9中B,C相线圈的切换。

图3是实施例中切换装置的安装位置示意图。线圈电极4在线圈圆盘3上是均布的，相邻两个线圈电极4中心线的夹角为并且两者保持绝缘。驱动器圆盘上两个相邻驱动器电极2中心线的夹角也均为α，并且两者保持绝缘，则驱动器电极2的角度γ要稍小于α。为了实现每一相单独切换，相邻两个圆盘组11之间的安装原则是：相邻两个圆盘组11之间轴向距离相同或不相同，相邻两相圆盘组中的驱动器圆盘在圆周方向对齐安装，各相驱动器圆盘在转动过程中相对位置保持不变；相邻两相圆盘组中的线圈圆盘在圆周方向依次相差一个角度β安装，各相线圈圆盘在转动过程中相对位置保持不变，可以实现每一次只切换一相而其余相仍处于原状态的要求。安装角度β确定方法为：A1、A2线圈连接的两对线圈电极中心线的夹角为α，A1、A2线圈中电流电角度差为360°，A1、B1两线圈中电流的电角度之差为相邻两个圆盘组11在圆周方向的位置安装原则是线圈中电流的电角度和它连接的线圈电极所在的线圈圆盘的安装角度相对应，具体例如：A1、A2线圈中电流电角度差/A1、B1两线圈中电流的电角度差＝A1、A2线圈连接的两对线圈电极中心线的夹角/A1、B1两线圈连接的线圈电极所在的线圈圆盘的安装角度β，得到计算得到A1、B1两线圈连接的线圈电极所在的线圈圆盘的安装角度为述结论在B，C等其余相邻两相之间仍然成立，所以相邻两相线圈圆盘的安装角度

本实施例中，n＝3，m＝6，相邻两个线圈电极4之间的角度为两个相邻驱动器电极2之间的中心线的夹角也均为驱动器电极2的角度γ取28°。相邻两个线圈圆盘3的安装角度为

图4是实施例中线圈切换过程示意图。在磁钢阵列运动L距离的过程中，根据动铁式直线电机磁钢阵列反馈的速度信号v，线圈圆盘和驱动器圆盘以角速度相对转动角度。本实施例中每一相切换过程中磁钢阵列8的位移为L，此过程中线圈圆盘和驱动器圆盘相对转动的角度为相对转动角速度图4中的a为初始状态各相线圈电极4与驱动器电极2位置，此时磁钢阵列覆盖着线圈A1,B1,C1,A2,B2,C2,A3,B3,C3，线圈电极A1,A2,A3分别和驱动器电极a1,a2,a3接触导通，线圈电极B1,B2,B3分别和驱动器电极b1,b2,b3接触导通，线圈电极C1,C2,C3分别和驱动器电极c1,c2,c3接触导通，这些驱动器电极连接的驱动器分别向这些线圈供电。图4中的b代表驱动器圆盘1相对于线圈圆盘3以角速度ω转动10°后，进行A相线圈切换，驱动器电极a1,a2,a3由和线圈电极A1,A2,A3接触改为和线圈电极A2,A3,A4接触，此时，B和C相未切换，仍保持原来接触导通状态。图4中的c和d分别表示磁钢阵列8每运动L，驱动器圆盘1相对线圈圆盘3于以角速度ω相对转动10°，B,C相的线圈分别进行切换而其余相不切换时线圈电极4与驱动器电极2的位置。

Claims (3)

1.一种动铁式直线电机多盘式线圈切换装置，所述动铁式直线电机含有由线圈(7)组成的线圈阵列(9)和磁钢组成的磁钢阵列(8)，线圈阵列中的线圈分为n相，n为大于等于2的正整数，每相有m个线圈，m为大于等于2的正整数，其特征在于：所述多盘式线圈切换装置包含布置在同一根转轴(5)上的n个圆盘组(11)，每个圆盘组实现一相线圈的切换，每相圆盘组含有一个线圈圆盘(3)和一个驱动器圆盘(1)；每相线圈圆盘上布置有该相的线圈电极(4)，该相的线圈电极的数量等于线圈阵列中该相线圈数量的2倍，相邻的两个线圈电极的中心线的夹角均为相邻两个线圈电极之间保持绝缘；每相驱动器圆盘上布置有该相的驱动器电极(2)，该相的驱动器电极的数量等于该相同时被磁钢阵列覆盖的线圈数量的2倍，两个相邻驱动器电极的中心线的夹角均为α，并且两者保持绝缘；每相圆盘组中的驱动器圆盘和线圈圆盘轴向的相对位置固定,并随着磁钢阵列的运动绕着转轴相对转动,驱动器圆盘圆周上的驱动器电极和线圈圆盘圆周上的线圈电极相接触并在圆周方向相对滑动；相邻两相圆盘组之间轴向安装距离相同或不同，相邻两相圆盘组中的线圈圆盘在圆周方向依次相差一个角度安装，各相线圈圆盘在转动过程中相对位置保持不变；相邻两相圆盘组中的驱动器圆盘在圆周方向对齐安装，各相驱动器圆盘在转动过程中相对位置保持不变；每一相驱动器圆盘圆周上关于圆心相对称的两个驱动器电极通过导线(10)分别与对应的该相驱动器(6)的两端相连，每一相驱动器的数量和该相同时被磁钢阵列覆盖的线圈数量相等，每一相线圈圆盘圆周上关于圆心相对称的两个线圈电极通过导线分别与线圈阵列中对应的该相线圈(7)的两端相连。

2.一种动铁式直线电机多盘式线圈切换装置，所述动铁式直线电机含有由线圈(7)组成的线圈阵列(9)和磁钢组成的磁钢阵列(8)，线圈阵列中的线圈分为n相，n为大于等于2的正整数，每相有m个线圈，m为大于等于2的正整数，其特征在于：所述多盘式线圈切换装置包含布置在同一根转轴(5)上的n个圆盘组(11)，每个圆盘组实现一相线圈的切换，每相圆盘组含有一个线圈圆盘(3)和一个驱动器圆盘(1)；每相线圈圆盘上布置有该相的线圈电极(4)，该相的线圈电极的数量等于线圈阵列中该相线圈数量的2倍，相邻的两个线圈电极的中心线的夹角均为相邻两个线圈电极之间保持绝缘；每相驱动器圆盘上布置有该相的驱动器电极(2)，该相的驱动器电极的数量等于该相同时被磁钢阵列覆盖的线圈数量的2倍，两个相邻驱动器电极的中心线的夹角均为α，并且两者保持绝缘；每相圆盘组中的驱动器圆盘和线圈圆盘轴向的相对位置固定,并随着磁钢阵列的运动绕着转轴相对转动,驱动器圆盘圆周上的驱动器电极和线圈圆盘圆周上的线圈电极相接触并在圆周方向相对滑动；相邻两相圆盘组之间轴向安装距离相同或不同，相邻两相圆盘组中的驱动器圆盘在圆周方向依次相差一个角度安装，各相驱动器圆盘在转动过程中相对位置保持不变；相邻两相圆盘组中的线圈圆盘在圆周方向对齐安装，各相线圈圆盘在转动过程中相对位置保持不变；每一相驱动器圆盘圆周上关于圆心相对称的两个驱动器电极通过导线(10)分别与对应的该相驱动器(6)的两端相连，每一相驱动器的数量和该相同时被磁钢阵列覆盖的线圈数量相等，每一相线圈圆盘圆周上关于圆心相对称的两个线圈电极通过导线分别与线圈阵列中对应的该相线圈(7)的两端相连。

3.采用如权利要求1或2所述装置的一种动铁式直线电机多盘式线圈切换方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)每一相的驱动器电极和该相的线圈电极分别接触导通，这些驱动器电极所连接的驱动器分别向这些线圈电极所连接的线圈供电；

2)在磁钢阵列运动L距离的过程中，根据动铁式直线电机磁钢阵列反馈的速度信号v，线圈圆盘和驱动器圆盘以角速度相对转动角度，此时某一相驱动器中的电流正好为零，这一相中的每对驱动器电极分别与原来的线圈电极分离并与相邻的一对线圈电极接触，其余相的驱动器电极仍然和原来的线圈电极接触导通，所对应的驱动器仍然向原来的线圈供电，这个过程即完成了这一相的驱动器所供电的线圈的切换；

3)重复步骤1)和2)，依次实现线圈阵列中不同相中的线圈的切换。