CN104079140B - 硅钢片、铁芯直线电机、直线电机平台及led测试分类设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅钢片、铁芯直线电机、直线电机平台及LED测试分类设备。硅钢片的边齿被部分或全部切除。相应地，由硅钢片层叠而成的铁芯没有边齿，或者边齿的高度低于中间齿的高度。通过采用这样的硅钢片设计和相应的铁芯，铁芯直线电机的齿槽力得以减小，铁芯质量也减小，可以实现高速、高加速度、高精度的直线电机平台。

Description

硅钢片、铁芯直线电机、直线电机平台及LED测试分类设备

技术领域

本发明涉及一种硅钢片、铁芯直线电机、直线电机平台及LED测试分类设备，多个硅钢片层叠产生铁芯直线电机的铁芯，该直线电机平台包括两个铁芯直线电机。

背景技术

铁芯直线电机已经得到了广泛的应用。

图1是铁芯直线电机的示意图。

如图1所示，铁芯直线电机包括定子部分100和动子部分200，动子部分200能够相对于定子部分100运动。

定子部分100上设置有磁铁阵列110。动子部分200上设置有铁芯210。铁芯210具有多个槽(图1中未示出)，多个线圈(图1中未示出)分别嵌在这些槽中。

图2示意性地示出了传统铁芯直线电机所用的铁芯210和线圈220。铁芯210具有两个边齿211和多个中部齿212。边齿211和中部齿212之间以及各中部齿212之间有槽214。线圈220缠绕在中部齿212上，并嵌在槽214中。边齿211将线圈220的侧面封闭起来。

由于有铁芯，铁芯直线电机的动子部分质量会比较大。较大的动子质量不利于提高加速性能和精确控制。

另一方面，铁芯一般需要开槽以便把线圈嵌入到铁芯中，这样电机的电感会比较大，电机励磁会滞后一些，并且由于铁芯开槽会带来铁芯直线电机特有的齿槽力。

使用图2所示的传统铁芯，齿槽力（cogging force）一般相当于电机有效驱动力的8～10%左右。也就是说，对于1000N的电机有效 输出力，齿槽力约为80～100N。

在铁芯直线电机的设计中，最核心的就是尽可能减少齿槽力和动子的质量。减少齿槽力的常用方法有采用封闭或半封闭齿槽，磁极或齿槽分布错位，斜极或斜齿，增加辅助槽，最佳槽数和磁极数组合设计等方法，可以采用一种或多种方法组合，来减少铁芯电机的齿槽力。

然而，在设计电机时，往往需要综合考虑多个方面的因素，寻求多个方面更好的折衷方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种铁芯直线电机和直线电机平台，以及用于层叠形成铁芯直线电机的铁芯的硅钢片，其可以有效地减小电机齿槽力和动子质量，实现铁芯直线电机的小齿槽力，高加速度，大输出力的目标。

根据本发明的一个方面，提供了一种硅钢片，包括：沿第一方向延伸的边条；以及沿基本上与第一方向垂直的第二方向从边条的一侧延伸的多个齿，多个齿在第二方向上的高度大致相同，多个齿之间形成槽，其中边条沿第一方向从多个齿中最外侧的两个齿向外延伸预定长度l。

优选地，预定长度l与槽在第一方向上的宽度D满足以下关系：D/2≤l≤D。

优选地，齿的个数为3的整数倍，并且不小于6。

优选地，硅钢片用于层叠形成铁芯直线电机的铁芯，硅钢片的尺寸设计为适用于磁铁阵列中同极性的两个磁铁之间的极间距不小于20mm且不大于50mm的铁芯直线电机。

根据本发明的另一个方面，提供了一种硅钢片，包括：沿第一方向延伸的边条；以及沿基本上与第一方向垂直的第二方向从边条的一侧延伸的多个齿，多个齿之间形成槽，该多个齿包括：位于第一方向上两个端部的边齿；和位于两个边齿之间的多个中部齿，其中中部齿在第二方向上的高度大致相同，并且大于两个边齿在第二方向上的高 度。

优选地，中部齿的个数为3的整数倍。

优选地，边齿的高度是中部齿的高度的2/3至3/4。

优选地，边齿和与其相邻的中部齿之间的边槽在第一方向上的宽度d与两个相邻中部齿之间的中部槽在第一方向上的宽度D满足以下关系：D/2≤d≤D。

优选地，硅钢片用于层叠形成铁芯直线电机的铁芯，硅钢片的尺寸设计为适用于磁铁阵列中同极性的两个磁铁之间的极间距不小于20mm且不大于50mm的铁芯直线电机。

根据本发明的另一个方面，提供了一种铁芯直线电机，包括：定子部分，其上设置有磁铁阵列；以及动子部分，能够相对于定子部分运动，其上设置有铁芯，铁芯具有多个槽，多个线圈分别嵌在多个槽中。其中，铁芯是由多个根据本发明上述第一或第二方面的硅钢片层叠而成的。

优选地，磁铁阵列中同极性的两个磁铁之间的极间距不小于20mm，且不大于50mm。优选地，多个线圈采用3相连接方式。

优选地，磁铁阵列中的每一个磁铁相对于动子部分的运动方向倾斜设置。

根据本发明另一个方面，提供了一种直线电机平台，包括第一铁芯直线电机和第二铁芯直线电机，第二铁芯直线电机的定子部分固定连接到第一铁芯直线电机的动子部分，以便与第一铁芯直线电机的动子部分同步运动。其中，第一铁芯直线电机和第二铁芯直线电机都是根据本发明的铁芯直线电机。第一铁芯直线电机的铁芯没有边齿。第二铁芯直线电机的铁芯的边齿被部分切除。

根据本发明另一个方面，提供了一种LED测试分类设备，包括：根据本发明的直线电机平台，其中第二铁芯直线电机的动子部分的运动方向与第一铁芯直线电机的动子部分的运动方向相互垂直；下料管，固定连接到第二铁芯直线电机的动子部分，以便与第二铁芯直线电机的动子部分同步运动；下料板，具有多个通孔，下料板被设置为 与下料管随第二铁芯直线电机的动子部分的运动范围相适应，以使得下料管可以移动到各通孔附近；以及多个料桶，位于下料板下方，分别连通到下料板的通孔。

通过使用根据本发明的硅钢片层叠而成的铁芯，新型的XY直线电机平台不但具有比较大的负载驱动能力，而且能实现高速、高加速和高精度。

附图说明

图1是铁芯直线电机的示意图。

图2示意性地示出了传统铁芯直线电机所用的铁芯和线圈。

图3示出了根据本发明第一实施例的铁芯和线圈的示意图。

图4示出了根据本发明第一实施例的硅钢片。

图5示出了根据本发明第二实施例的铁芯和线圈的示意图。

图6示出了根据本发明第二实施例的硅钢片。

图7示出了根据本发明第三实施例的直线电机平台的示意图。

图8示出了根据本发明第四实施例的LED测试分类设备的示意图。

具体实施方式

下面参考附图描述根据本发明的铁芯直线电机、硅钢片以及直线电机平台。

与图1所示铁芯直线电机相似，根据本发明的铁芯直线电机也包括定子部分100和动子部分200，动子部分200能够相对于定子部分100运动。定子部分100上设置有磁铁阵列110。动子部分200上设置有铁芯210。铁芯210具有多个槽，多个线圈分别嵌在这些槽中。这些线圈可以采用3相连接方式连接。

为了减小齿槽力，优选地磁铁阵列中的每一个磁铁相对于动子部分200的运动方向倾斜设置。

如本领域技术人员已知，铁芯直线电机的磁铁阵列中两个磁铁之 间的极间距是铁芯直线电机的一个重要尺寸，基于极间距可以确定铁芯的齿和槽的大致尺寸范围。

通过设计计算和样机实验发现，极间距优选不小于20mm且不大于50mm。在采用3相连接方式，极间距在20mm至50mm之间，并且铁芯没有边齿或者边齿被部分切除的情况下，能够实现更好的综合效果。此时电机电磁效率很高，安装空间简洁，而且方便生产、装配，电机输出性能也比较平稳，同时也具有比较小的齿槽力。

根据本发明的铁芯直线电机与图1所示铁芯直线电机的区别主要在于铁芯设计不同。

第一实施例

图3示出了根据本发明第一实施例的铁芯和线圈320的示意图。

与图2所示的铁芯相比，图3所示铁芯的齿中位于边缘部分的边齿(图2中的211)被完全去除，只留下用于在其上缠绕线圈320的位于中部齿312。

通过实验和电磁仿真计算，发现通过去除边齿可以有效减小线圈组件与磁铁组件之间的吸引力和齿槽力，一般减小幅度在10%～25%之间，若同时配合其他减小齿槽力的方法，如磁铁斜置等，可以减小高达80%以上的齿槽力。同时，随着边齿的去除，铁芯的质量也得以减小。

优选地，中部齿312的个数是3的整数倍。相应地，线圈320的个数与中部齿312的个数相同，也是3的整数倍。这些线圈320可以采用3相连接方式。

一般电机铁芯是由硅钢片层叠而成的。

在第一实施例中，在实际的电机设计和制造过程中，硅钢片之间难以做到层间绝缘，在齿数为3时，完全切除了边齿后，由于硅钢片的影响和电机运行中产生的涡流等效应，会影响电机的相位角分布，严重的时候会使电机不能正常工作，因此我们对于齿数为3时，不采取完全切除边齿，但可以采取部分切除边齿来提高电机性能，具体的 可见第二实施例。通过设计计算和实际实验，我们发现当齿数大于等于6的3相电机，完全切除边齿后，不会影响其电机的运行效果。因此，优选中部齿312的个数不小于6个。

图4示出了根据本发明第一实施例的硅钢片400。硅钢片400可用于层叠形成根据本发明第一实施例的铁芯。

如图4所示，硅钢片400包括沿第一方向延伸的边条410以及沿基本上与第一方向垂直的第二方向从边条的一侧延伸的多个齿420。

多个齿420在第二方向上的高度大致相同。

多个齿420之间形成槽430。

如图所示，硅钢片400的边条410上还可以有多个孔440，以便于在将多个硅钢片400层叠固定，以形成铁芯。

边条410的部分411沿第一方向从多个齿420中最外侧的两个齿向外延伸出去预定长度l。预定长度l与槽430在第一方向上的宽度D满足以下关系：

D/2≤l≤D。

齿420的个数可以为3的整数倍，这样缠绕在铁芯的齿上的线圈数也是3的整数倍，线圈可以采用3相连接方式。

另外，如上所述，优选齿420的个数不小于6，即6、9、12、……

而且，根据本发明的硅钢片的尺寸(特别是齿420在第一方向上的宽度W和槽430在第一方向上的宽度D)设计为适用于磁铁阵列中同极性的极间距不小于20mm且不大于50mm的铁芯直线电机。

使用根据本发明第一实施例的铁芯直线电机，齿槽力可下降到电机有效输出力的2%，甚至更低。也就是说，对于1000N的电机有效输出力，齿槽力约为20N，甚至更低。

第二实施例

图5示出了根据本发明第二实施例的铁芯和线圈520的示意图。

与图2所示的铁芯相比，图5所示铁芯的齿中位于边缘部分的边齿511被部分去除。因此，与用于在其上缠绕线圈520的位于中部齿 512相比，高度较低。边齿511的高度可以是中部齿512的高度的大约3/4至大约2/3。

通过实验和仿真计算，发现只要切除边齿511的一部分，就可以实现减小线圈组件与磁铁组件之间的吸引力和齿槽力的作用。通过实验和仿真得知，当切除边齿的约1/4至大约1/3时，便能够减小足够多的吸引力和齿槽力。继续切除更多边齿所能够进一步减小的吸引力和齿槽力有限。而在某些情况下，例如中部齿个数为3(相应的电机相数为3)时，适当高度的边齿的存在有助于针对其它因素的优化。因此，在一些情况下，优选不完全切除边齿，而只是切除边齿的约1/4至大约1/3。根据本发明第二实施例的铁芯便是针对这种情况而设计的。

图6示出了根据本发明第二实施例的硅钢片600。硅钢片600可用于层叠形成根据本发明第二实施例的铁芯。

如图6所示，硅钢片600包括沿第一方向延伸的边条620以及沿基本上与第一方向垂直的第二方向从边条的一侧延伸的多个齿(620、625)，多个齿(620、625)之间形成槽(中部槽630和边槽635)，

如图所示，硅钢片600的边条610上还可以有多个孔640，以便于在将多个硅钢片600层叠固定，以形成铁芯。

多个齿(620、625)包括：位于第一方向上两个端部的边齿625和位于两个边齿625之间的多个中部齿620。优选地，中部齿620的个数为3的整数倍，即3、6、9、12、……

多个中部齿620在第二方向上的高度H大致相同，并且大于两个边齿625在第二方向上的高度h。

边齿625的高度h是中部齿620的高度H的2/3至3/4。即，边齿625相对于中部齿620被切除Δh，Δh约为H的1/4至1/3。

边齿625和与其相邻的中部齿620之间的边槽635在第一方向上的宽度d与两个相邻中部齿620之间的中部槽630在第一方向上的宽度D满足以下关系：

D/2≤d≤D。

另外，根据本发明的硅钢片的尺寸(特别是齿620在第一方向上 的宽度W和槽630在第一方向上的宽度D)设计为适用于磁铁阵列中同极性的极间距不小于20mm且不大于50mm的铁芯直线电机。

使用根据本发明第二实施例的铁磁直线电机，齿槽力下降到电机有效输出力的2%，甚至更低。也就是说，对于1000N的电机有效输出力，齿槽力约为20N，甚至更低。

第三实施例

图7示出了根据本发明第三实施例的直线电机平台的示意图。

图7所示直线电机平台包括位于下部的X方向(第一)铁芯直线电机和位于上部的Y方向(第二)铁芯直线电机。

底板710以及固定在底板710上的其它部件，例如X导轨、X磁铁组件720、X限位开关、X直线位移传感器等，共同构成X方向铁芯直线电机的X定子部分。图中虽然示意性地示出了导轨、限位开关、直线位移传感器等，但是为了避免遮蔽本发明的本质，在此不做详细描述。

X方向铁芯直线电机的X动子部分730上安装有X铁芯740。

Y方向铁芯直线电机的Y定子部分固定连接到X动子部分730，甚至可以与X动子部分730合为一体，以便与X动子部分730同步运动。

同样地，Y方向铁芯直线电机的Y定子部分上可以设置有Y磁铁组件750。另外，也可以设置有Y导轨、X限位开关、Y直线位移传感器，在此不做详细描述。

Y方向铁芯直线电机的Y动子部分760上安装有Y铁芯770。

X方向铁芯直线电机和Y方向铁芯直线电机都可以是根据本发明上述第一或第二实施例的铁芯直线电机。

由于X动子部分质量较大，需要较大的驱动力，所以可以为X方向铁芯直线电机的X铁芯740设置六个或更多个用于缠绕线圈的齿(中间齿)，以便缠绕六个或更多个线圈。在这种情况下，可以选择使用根据本发明第一实施例的铁芯直线电机，其铁芯可以没有边齿。当然，根据实际设计需要，X方向铁芯直线电机也可以采用根据本发明第二实施例的铁芯直线电机。

Y方向铁芯直线电机搭载在X方向铁芯直线电机的动子部分730上。为了更好的加速性能，期望较小的定子部分和动子部分质量。因此，可以为Y方向铁芯直线电机的Y铁芯770设置三个用于缠绕线圈的齿，以便缠绕以三相方式连接的三个线圈。在这种情况下，可以选择使用根据本发明第二实施例的铁芯直线电机，其铁芯的具有三个中间齿和两个边齿，边齿被部分切除，从而边齿的高度低于中间齿。边齿的高度可以是中间齿的高度的3/4至2/3。当然，根据实际设计需要，Y方向铁芯直线电机也可以具有更多个中间齿。同时，Y方向铁芯直线电机也可以采用根据本发明第一实施例的铁芯直线电机。

在图7所示的直线电机平台中，第一(X方向)和第二(Y方向)铁芯直线电机的运动方向是相互垂直的。然而，本领域技术人员应该明白，这两个铁芯直线电机的运动方向也可以成非90°的预定角度。甚至，它们也可以在同一方向上运动，例如类似于起重机的多段伸缩臂的伸缩装置。

另外，X方向铁芯直线电机的磁铁组件720和Y方向铁芯直线电机的磁铁组件750都可以采用斜置磁铁，以进一步减小齿槽力。

作为验证，发明人对X方向铁芯直线电机采用斜置磁铁，并采用无边齿结构的铁芯(第一实施例)；对Y方向铁芯直线电机同样采用斜置磁铁，并切除铁芯的部分边齿(第二实施例)的方法进行设计。这样组合设计出来的XY直线平台，不但有效地减小了X方向和Y方向的齿槽力，还极大地降低了X和Y两个方向的电机动子质量。采用上述设计方法的XY直线电机平台样机的实际性能参数如下：

项目	X	Y
			最大加速度	6G	10G
最大速度	3m/s	3m/s
			行程	293	137
重复精度	5μm	5μm

绝对精度	10μm	10μm
			分辨率	1μm	1μm
动态响应时间	10ms	10ms

第四实施例

如上所述，根据本发明第三实施例的XY直线电机平台具有小齿槽力、高加速度、大输出力的效果，特别适合一些要求高速、精密操作的应用。作为一个示例，这里描述一种采用本发明的XY直线电机平台的LED(发光二极管)测试分类设备。

现有的LED测试分类设备主要采用伺服电机加皮带的XY平台结构来拖动LED下料管运动，以实现对LED分类。这种方式的分类速度和精度都有限（皮带的运动速度难以突破1.5m/s，伺服电机的电磁机械响应比较滞后，难以实现快的动态响应），难以满足现在对LED分类更快、分类精度要求更高的应用场合（LED越来越小，分类精度要求也越来越高）。

图8示出了根据本发明第四实施例的LED测试分类设备的示意图。

图8所示LED测试分类设备是基于图7所示XY直线电机平台实现的。有关电机的细节在此不再详述。

图8所示的LED测试分类设备还包括下料管880、下料板890和多个料桶(图中(未示出)。

下料管880固定连接到Y方向铁芯直线电机的Y动子部分760，以便与第二铁芯直线电机的Y动子部分760同步运动。

下料板890可以设置在底板710上。下料板890具有多个通孔，被设置为与下料管880随Y方向铁芯直线电机的动子部分760的运动范围相适应，以使得下料管880可以移动到各通孔附近。图8中显示下料板890在X方向铁芯直线电机的X动子部分之下。Y动子部分760可以驱动下料管880移动到下料板890的通孔上方。

下料板890下方设置有多个料桶(未示出)，分别连通到下料板890 的各个通孔。

操作中，在X动子部分和Y动子部分的配合下，下料管880被驱动到下料板890的指定通孔上方。LED从下料管880进入下料板890的相应通孔，然后经通孔进入相应的料桶，从而完成分类。

由于如何对LED进行分类(分类标准和方法)不是本发明的核心所在，所以这里不再对此进行详细描述。本发明第四实施例所关注的是如何将已分类的LED快速准确地放入正确的料桶。

上面描述了将根据本发明的XY直线电机平台用于LED测试分类设备的示例。然而，本领域技术人员应该明白，根据本发明的XY直线电机平台不仅仅可以用于LED测试分类设备中，也可以发展成为一种通用的高速、高加速度、高精度平台，用于各种对速度、加速度和精度有高要求的场合。

另外，本领域技术人员应该明白，本发明不限于这里描述的具体实施例，而是还可以采用其它方式来实施。本发明的保护范围由所附权利要求书限定。依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见的想到的一些雷同、替代方案，均应落入本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种直线电机平台，包括第一铁芯直线电机和第二铁芯直线电机，

所述第一铁芯直线电机和所述第二铁芯直线电机各自的定子部分上设置有磁铁阵列，

所述第一铁芯直线电机和所述第二铁芯直线电机各自的动子部分能够相对于各自的定子部分运动，并且动子部分上设置有铁芯，所述铁芯具有多个槽，多个线圈分别嵌在所述多个槽中，

所述第二铁芯直线电机的定子部分与所述第一铁芯直线电机的动子部分合为一体，以便与所述第一铁芯直线电机的动子部分同步运动，

其中，用于通过层叠而形成所述第一铁芯直线电机的铁芯的硅钢片包括：

沿第一方向延伸的边条；以及

沿基本上与第一方向垂直的第二方向从所述边条的一侧延伸的多个齿，所述多个齿在所述第二方向上的高度大致相同，所述多个齿之间形成槽，所述齿的个数为3的整数倍，并且不小于6，

其中，所述边条沿所述第一方向从所述多个齿中最外侧的两个齿向外延伸预定长度l；

其中，用于通过层叠而形成所述第二铁芯直线电机的铁芯的硅钢片，包括：

沿第一方向延伸的边条；以及

沿基本上与第一方向垂直的第二方向从所述边条的一侧延伸的5个齿，所述5个齿之间形成槽，

所述5个齿包括：

分别位于第一方向上两个端部的2个边齿；和

位于所述两个边齿之间的3个中部齿，

其中，所述中部齿在所述第二方向上的高度大致相同，所述边齿的高度是所述中部齿的高度的2/3至3/4。

2.根据权利要求1所述的直线电机平台，其中，所述第二铁芯直线电机的硅钢片的所述边齿和与其相邻的中部齿之间的边槽在所述第一方向上的宽度d与两个相邻中部齿之间的中部槽在所述第一方向上的宽度D满足以下关系：

D/2≤d≤D。

3.根据权利要求1所述的直线电机平台，其中，所述预定长度l与所述槽在所述第一方向上的宽度D满足以下关系：

D/2≤l≤D。

4.根据权利要求1至3中任何一项所述的直线电机平台，其中，

所述第一铁芯直线电机和所述第二铁芯直线电机各自的磁铁阵列中同极性的两个磁铁之间的极间距不小于20mm且不大于50mm；

所述多个线圈采用3相连接方式。

5.根据权利要求4所述的直线电机平台，其中，分别在所述第一铁芯直线电机和所述第二铁芯直线电机中，所述磁铁阵列中的每一个磁铁相对于所述动子部分的运动方向倾斜设置。

6.一种LED测试分类设备，包括：

根据权利要求1至5中任何一项所述的直线电机平台，其中所述第二铁芯直线电机的动子部分的运动方向与所述第一铁芯直线电机的动子部分的运动方向相互垂直且都平行于所述直线电机平台；

下料管，固定连接到所述第二铁芯直线电机的动子部分，以便与所述第二铁芯直线电机的动子部分同步运动；

下料板，具有多个通孔，所述下料板被设置为与所述下料管随所述第二铁芯直线电机的动子部分的运动范围相适应，以使得所述下料管可以移动到各通孔附近；以及

多个料桶，位于所述下料板下方，分别连通到所述下料板的通孔。