CN103973074B - 一种动铁式直线电机单盘式线圈切换装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种动铁式直线电机单盘式线圈切换装置及方法，所述切换装置含有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。线圈阵列中的线圈通过导线与线圈电极相连，驱动器通过导线与驱动器电极相连。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线圈的供电。本发明实现了动铁式直线电机线圈的每一相单独切换，降低了发热并减少了驱动器数量，结构简单，不需要复杂的控制，解决了漏电流和电子切换时间延迟等问题。

Description

一种动铁式直线电机单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，尤其涉及采用机械式的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。

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。所以，一种实现线圈切换的装置和方法亟待提出。

发明内容

本发明的目的在于提供动铁式直线电机单盘式线圈切换装置及方法，实现降低能耗和电机发热，减少驱动器数量，简化控制，使线圈切换易于实现。

本发明的技术方案如下：

一种动铁式直线电机单盘式线圈切换装置，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：所述单盘式线圈切换装置含有驱动器圆盘、线圈圆盘和转轴；所述驱动器圆盘上布置有n相驱动器电极，每一相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，相邻两相中的第一个驱动器电极的中心线的夹角θ均为同一相中相邻的两个驱动器电极的中心线的夹角均为α，α需要满足两个相邻驱动器电极之间保持绝缘；所述线圈圆盘上布置有n相线圈电极，线圈电极的数量等于线圈阵列中线圈数量的2倍，同一相中相邻的两个线圈电极的中心线的夹角均为α，两个相邻线圈电极之间保持绝缘，相邻两相中的第一个线圈电极的中心线的夹角ψ为线圈圆盘不转动，驱动器圆盘随着磁钢阵列的运动而绕着转轴转动，或者驱动器圆盘不转动，线圈圆盘随着磁钢阵列的运动而绕着转轴转动，从而实现线圈圆盘和驱动器圆盘的相对转动，线圈圆盘和驱动器圆盘轴向的相对位置固定，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；关于圆心相对称的每两个驱动器电极通过导线分别与所对应的驱动器的两端相连，每一相驱动器的数量和每一相同时被磁钢阵列覆盖线圈的数量相等，关于圆心相对称的每两个线圈电极通过导线分别与线圈阵列中所对应的线圈的两端相连。

一种动铁式直线电机单盘式线圈切换装置，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：所述单盘式线圈切换装置含有驱动器圆盘、线圈圆盘和转轴；所述驱动器圆盘上布置有n相驱动器电极，每一相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，相邻两相中的第一个驱动器电极的中心线的夹角θ均为同一相中相邻的两个驱动器电极的中心线的夹角均为α，α需要满足两个相邻驱动器电极之间保持绝缘；所述线圈圆盘上布置有n相线圈电极，线圈电极的数量等于线圈阵列中线圈数量的2倍，同一相中相邻的两个线圈电极的中心线的夹角均为α，两个相邻线圈电极之间保持绝缘，相邻两相中的第一个线圈电极的中心线的夹角ψ为线圈圆盘不转动，驱动器圆盘随着磁钢阵列的运动而绕着转轴转动，或者驱动器圆盘不转动，线圈圆盘随着磁钢阵列的运动而绕着转轴转动，从而实现线圈圆盘和驱动器圆盘的相对转动，线圈圆盘和驱动器圆盘轴向的相对位置固定，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；关于圆心相对称的每两个驱动器电极通过导线分别与所对应的驱动器的两端相连，每一相驱动器的数量和每一相同时被磁钢阵列覆盖线圈的数量相等，关于圆心相对称的每两个线圈电极通过导线分别与线圈阵列中所对应的线圈的两端相连。

采用上述装置的一种动铁式直线电机单盘式线圈切换方法，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，降低了能耗和电机发热，减少了驱动器数量。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。

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单盘式线圈切换装置实施例示意图。

图3是实施例中驱动器电极和线圈电极的布置位置示意图。

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。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方式作进一步详细描述。

图1是动铁式直线电机示意图，包括磁钢阵列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分为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单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。包含驱动器圆盘1，线圈圆盘3和转轴5。驱动器圆盘1上布置有n相驱动器电极2，每一相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，线圈圆盘3上布置有n相线圈电极4，线圈电极的数量是线圈阵列9中线圈数量的2倍，所以本实施例中，驱动器电极共有9对，线圈电极共18对，其中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，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。驱动器圆盘和线圈圆盘随着磁钢阵列的运动绕着转轴相对转动，并且轴向的相对位置固定，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。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。关于圆心相对称的两个驱动器电极通过导线10分别与所对应的驱动器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线圈的数量相等，则线圈A1,A2,A3,B1,B2,B3,C1,C2,C3共需要9个驱动器6，分别编号为a1,a2,a3,b1,b2,b3,c1,c2,c3，图中只画出a1,a2,a3。关于圆心相对称的两个线圈电极通过导线10分别与线圈阵列中所对应的线圈7的两端相连，如本实施例中，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，图中只画出了线圈A1，A2，A3。相同的字母，大写表示字母所代表的相中对应连接的线圈7和线圈电极4，小写表示字母所代表的相中对应连接的驱动器6和驱动器电极2。

当A相驱动器电极a1,a2,a3分别和A相线圈电极A1,A2,A3接触，则驱动器a1,a2,a3分别向线圈A1,A2,A3供电。当驱动器圆盘1相对于线圈圆盘3顺时针转动一个角度，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6所供电的线圈的切换。

图3是实施例中驱动器电极和线圈电极的布置位置示意图。为实现零电流切换，驱动器电极2在驱动器圆盘1上的布置原则是：相邻两相中的第一个驱动器电极的中心线的夹角θ均为同一相中相邻的两个驱动器电极的中心线的夹角均为α。为了保证每相中相邻两个驱动器电极2之间绝缘，每个驱动器电极2的角度γ要小于α。线圈电极4在线圈圆盘3上的布置原则是：为满足零电流切换，即驱动器电极2在与上一个线圈电极4分离的同时即和下一个线圈电极4接触，此时两个线圈电极4所连接的线圈中电流均为零，则同一相中相邻的两个线圈电极的中心线的夹角也均为α，两个相邻线圈电极4之间保持绝缘；同时，如果相邻两相中的第一个线圈电极4的中心线的夹角ψ仍为就会造成所有相的线圈同时切换，所以为了实现每一次只切换一相而其余相不切换的要求，需要使相邻两相中的第一个线圈电极的中心线的夹角变为β为相邻两相线圈电极之间的偏移角度。β角度的确定方法是：A1、A2线圈连接的两对线圈电极A1、A2中心线的夹角为α，A1、A2线圈中电流电角度差为360°，根据电角度的变化规律，A1、B1两线圈中电流的电角度之差为线圈中电流的电角度和所对应的线圈电极的中心线的夹角有对应关系，具体例如A1、A2线圈中电流的电角度之差/A1、B1两线圈中电流的电角度之差＝A1、A2线圈连接的两对线圈电极的中心线的夹角/A1、B1所在相之间的偏移角度β，得到则上述结论在B，C等其余相邻两相之间仍然成立，所以相邻两相中的第一个线圈电极的中心线的夹角为另外，α的范围确定原则为：为保证一个切换周期中，每个驱动器电极2最多只与两个线圈电极4接触，α需要满足下式：

本实施例中，n＝3，m＝6时，取α＝9°。同时根据驱动器电极2在驱动器圆盘1上的布置原则，同一相中两个相邻驱动器电极的中心线的夹角α为9°，每个驱动器电极2的角度γ取8°，相邻两相中的第一个驱动器电极的中心线的夹角θ为60°。根据线圈电极4在线圈圆盘3上的布置原则，同一相的两个相邻线圈电极中心线的夹角α为9°，偏移角度相邻两相中的第一个线圈电极的中心线的夹角ψ为63°。

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3°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3°，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单盘式线圈切换装置，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：所述单盘式线圈切换装置含有驱动器圆盘(1)、线圈圆盘(3)和转轴(5)；所述驱动器圆盘上布置有n相驱动器电极(2)，每一相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，相邻两相中的第一个驱动器电极的中心线的夹角θ均为同一相中相邻的两个驱动器电极的中心线的夹角均为α，α需要满足两个相邻驱动器电极之间保持绝缘；所述线圈圆盘上布置有n相线圈电极(4)，线圈电极的数量等于线圈阵列中线圈数量的2倍，同一相中相邻的两个线圈电极的中心线的夹角均为α，两个相邻线圈电极之间保持绝缘，相邻两相中的第一个线圈电极的中心线的夹角ψ为线圈圆盘不转动，驱动器圆盘随着磁钢阵列的运动而绕着转轴转动，或者驱动器圆盘不转动，线圈圆盘随着磁钢阵列的运动而绕着转轴转动，从而实现线圈圆盘和驱动器圆盘的相对转动，线圈圆盘和驱动器圆盘轴向的相对位置固定，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；关于圆心相对称的每两个驱动器电极通过导线(10)分别与所对应的驱动器(6)的两端相连，每一相驱动器的数量和每一相同时被磁钢阵列覆盖线圈的数量相等，关于圆心相对称的每两个线圈电极通过导线分别与线圈阵列中所对应的线圈(7)的两端相连。

2.一种动铁式直线电机单盘式线圈切换装置，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：所述单盘式线圈切换装置含有驱动器圆盘(1)、线圈圆盘(3)和转轴(5)；所述驱动器圆盘上布置有n相驱动器电极(2)，每一相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，相邻两相中的第一个驱动器电极的中心线的夹角θ均为同一相中相邻的两个驱动器电极的中心线的夹角均为α，α需要满足两个相邻驱动器电极之间保持绝缘；所述线圈圆盘上布置有n相线圈电极(4)，线圈电极的数量等于线圈阵列中线圈数量的2倍，同一相中相邻的两个线圈电极的中心线的夹角均为α，两个相邻线圈电极之间保持绝缘，相邻两相中的第一个线圈电极的中心线的夹角ψ为线圈圆盘不转动，驱动器圆盘随着磁钢阵列的运动而绕着转轴转动，或者驱动器圆盘不转动，线圈圆盘随着磁钢阵列的运动而绕着转轴转动，从而实现线圈圆盘和驱动器圆盘的相对转动，线圈圆盘和驱动器圆盘轴向的相对位置固定，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；关于圆心相对称的每两个驱动器电极通过导线(10)分别与所对应的驱动器(6)的两端相连，每一相驱动器的数量和每一相同时被磁钢阵列覆盖线圈的数量相等，关于圆心相对称的每两个线圈电极通过导线分别与线圈阵列中所对应的线圈(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单盘式线圈切换方法，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。