CN105553221B - 一种各相圆周分布的筒式直线作动器 - Google Patents

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Abstract

一种各相圆周分布的筒式直线作动器，包括动子、定子、电枢绕组和轴向轴承；其特征在于：所述动子包括动子铁心和三相的电枢绕组，动子铁心为长柱形，动子铁心的圆周外围带有动子磁极，动子磁极上缠绕有电枢绕组；同一相所有的动子磁极在圆周方向上对齐，同一相的动子磁极在轴向上均布，且轴向的距离为一个极距；三相动子磁极在圆周方向上均布；B相动子磁极在轴向上超前A相动子磁极三分之一个极距。本发明结构各相绕组沿圆周分布，因此没有传统直线电机端部效应引起的各相不对称现象，而且每个磁链形成的回路直接由相邻的两个极形成，因此铁心磁势降小、总的磁阻损耗小。

Description

一种各相圆周分布的筒式直线作动器
技术领域
本发明涉及一种各相圆周分布的筒式直线作动器，属于特种电器技术领域。
背景技术
采用直线电机实现直线运动，在很多领域可以替代传统的旋转电机配合丝杠的结构。近年来直线作动器应用越来越广泛，特别是随着对精密数控机床、大功率直线电磁弹射等高性能直线伺服系统的迫切需求，直线作动器直接驱动系统获得了越来越多的关注。
圆筒型直线作动器它不需要经过中间转换机构而直接产生直线运动，使结构大大简化，运动惯量减少，动态响应性能和定位精度大大提高；同时也提高了可靠性，节约了成本，使制造和维护更加简便。
在已有的技术中，许多单位开展了永磁直线作动器的研究，例如清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所开展了长行程永磁直线伺服电机的研究。西安交通大学研制出一种永磁直线电动机驱动的新型直线压缩机。哈尔滨工业大学研制了利用直线电机驱动的抽油机。
但是永磁电机也有三个不可忽视的缺点。首先永磁体最高耐受温度比较低，比较不耐冲击等等，因此在一些高温振动等环境下应用较少；其次永磁电机一般应用于中小型电机，在兆瓦级以上功率的应用场合较少；另外，永磁电机磁场不可调节，在高速运行时需要使用较为复杂的弱磁扩速的控制方法，从而降低了系统高速运行时的效率。因此，永磁电机固有的缺点限制了永磁直线电机在许多特殊场合的应用。
开关磁阻电机其定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成。转子既无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组。虽然开关磁阻直线电机推力波动较大，但在一些对振动和噪声要求较低的场合，开关磁阻直线电机具有较高的竞争力。
据申请人调研，目前已公开的圆筒形开关磁阻直线电机发明专利有三个。申请号为201310601462.4的发明专利申请：“混合励磁圆筒形两相开关磁阻直线电机”，公开了一种采用A相绕组和B相绕组两套绕组和双极性电流励磁方法，通过对A相绕组和B相绕组励磁电流大方向和大小进行控制，使动子铁心能够进行左右往复运动，并使电机输出电磁推力增大了20%。申请号为201510491527.3的发明专利申请，公开了一种单相圆筒形开关磁阻直线电机。而申请号为201510432895.0的发明专利申请，公开了一种圆筒形差步组合开关磁阻直线电机。
本发明公开的技术与上述方案皆不同。首先本发明提出的结构各相绕组沿圆周分布，因此没有传统直线电机端部效应引起的各相不对称现象；其次，本发明提出的结构每个磁链形成的回路直接由相邻的两个极形成回路，不经过其它相所在的极，因此铁心磁势降小、总的磁阻损耗小；再次，本发明提出的动子结构端部可以直接带动被驱动的部件工作，比传统的电机、曲柄连杆、减速器等结构组成的直线运动方案要简单易行；最后本发明提出的结构定子没有永磁体，因此适合在高温、振动等恶劣环境下工作。
发明内容
为了发明一种各相圆周分布的筒式直线作动器，可以简化传统旋转电机产生直线运动的结构，并避免传统直线电机端部效应引起的各相不对称现象，本发明采用如下技术方案：
一种各相圆周分布的筒式直线作动器，包括动子、定子(2)、电枢绕组和轴向轴承(3)；其特征在于：
所述定子两端固定有轴向轴承(3)，在轴向轴承(3)的作用下，所述动子可以轴向移动；
所述动子包括动子铁心(1)和三相的电枢绕组，所述动子铁心(1)为长圆柱形，动子铁心(1)的圆周外围带有动子磁极，动子磁极上缠绕有电枢绕组；设A相电枢绕组所缠绕的动子磁极为A相动子磁极，B相电枢绕组所缠绕的动子磁极为B相动子磁极，C相电枢绕组所缠绕的动子磁极为C相动子磁极；同一相的动子磁极在轴向上排成一列且均分分布，同一相的动子磁极在轴向的距离为一个极距；三相动子磁极在圆周方向上均布；B相动子磁极在轴向上超前A相动子磁极三分之一个极距，C相动子磁极在轴向上超前B相动子磁极三分之一个极距；
动子铁心(1)的一端带有驱动环可以带动被驱动物体沿轴向运动；
所述定子(2)呈圆筒状，圆筒内侧为动子；所述定子(2)的内侧有环状矩形凸起作为定子极，各个环状矩形凸起在轴向上的距离为一个极距；
每个动子磁极上都缠绕一个电枢线圈，同相位的电枢线圈串联组成一相电枢绕组；同相位的相邻的两个电枢线圈绕向相反。
本发明的有益效果如下：
⑴本发明提供了一种全新的圆筒形直线作动器，没有永磁材料，因此可在高温、振动等环境下工作；
⑵由于开关磁阻电机的推力与电枢电流的平方成正比，因此本发明提供的技术可提供较大的瞬时推力；
⑶与已经公开的开关磁阻直线电机相比，本发明的各相绕组圆周分布，因此每个磁链经过的路径短，磁阻小，电能转换效率高；
⑷本发明可以很简单的实现多相结构，即在圆周方向上分布多相即可；
⑸本发明作动器工作原理和开关磁阻电机相似，可以利用开关磁阻电机控制器进行驱动控制。
附图说明
图1是本发明一种各相圆周分布的筒式直线作动器沿A相和B相中心的纵向旋转剖视图。其中：1为动子铁心，2为定子，3为轴向轴承，4为驱动环，5为A相电枢绕组，6为B相电枢绕组。
图2是图1沿E-E方向对应的左视图。其中：5为A相电枢绕组，6为B相电枢绕组，7为C相电枢绕组。
图3为本发明一种各相圆周分布的筒式直线作动器沿A相和C相中心的纵向旋转剖视图。其中：1为动子铁心，2为定子，3为轴向轴承，4为驱动环，5为A相电枢绕组，7为C相电枢绕组。
图4为图3沿F-F方向对应的左视图。其中：5为A相电枢绕组，6为B相电枢绕组，7为C相电枢绕组。
图5为仿真得到的三相磁链图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
图1是本发明一种各相圆周分布的筒式直线作动器沿A相和B相中心的纵向旋转剖视图。所述各相圆周分布的筒式直线作动器，包括动子、定子(2)、电枢绕组和轴向轴承(3)；其特征在于：
所述定子两端固定有轴向轴承(3)，在轴向轴承的作用下，所述动子可以轴向移动。
所述动子包括动子铁心(1)和三相的电枢绕组，所述动子铁心(1)为长柱形，动子铁心(1)的圆周外围带有动子磁极，动子磁极上缠绕有电枢绕组；设A相电枢绕组(5)所缠绕的动子磁极为A相动子磁极，B相电枢绕组(6)所缠绕的动子磁极为B相动子磁极，C相电枢绕组(7)所缠绕的动子磁极为C相动子磁极；同一相的动子磁极在轴向上排成一列且均分分布，同一相的动子磁极轴向的距离为一个极距；动子的一端带有驱动环可以带动被驱动物体沿轴线运动。
所述定子呈圆筒状，圆周内侧为动子；所述定子的内侧有环状凸起，各个环状凸起在轴向上的距离为一个极距。
每个动子磁极上都缠绕一个电枢线圈，同相位的电枢线圈串联组成一相电枢绕组；同相位的相邻的两个电枢线圈绕向相反。
图2是图1沿E-E方向对应的左视图。三相动子磁极在圆周方向上均布；B相动子磁极在轴向上超前A相动子磁极三分之一个极距，C相动子磁极在轴向上超前B相动子磁极三分之一个极距。
图3为本发明一种各相圆周分布的筒式直线作动器沿A相和C相中心的纵向旋转剖视图。同一相的动子磁极在轴向上排成一列且均分分布，且轴向的距离为一个极距；动子的一端带有驱动环可以带动被驱动物体沿轴线运动。
图4为图3沿F-F方向对应的左视图。三相动子磁极在圆周方向上均布；B相动子磁极在轴向上超前A相动子磁极三分之一个极距，C相动子磁极在轴向上超前B相动子磁极三分之一个极距。
图5为仿真得到的三相磁链图。三相磁链和开关磁阻电机相同，因此可以用开关磁阻电机的控制方法控制该直线作动器运行。
下面对本发明提出的各相圆周分布的筒式直线作动器进行工作原理的说明。
本发明的直线作动器基本工作原理与传统的开关磁阻电机相同。
如图1所示，此时给B相绕组通电，则B相绕组产生一个磁链，动子铁心将朝着磁阻最小的方向移动，即动子铁心会朝左移动。如图3所示，如果给C相绕组通电，则动子铁心会朝右移动。根据位置传感器检测的信号，依次给各相通电，则动子铁心会不断移动。

Claims (1)

1.一种各相圆周分布的筒式直线作动器，包括动子、定子(2)、电枢绕组和轴向轴承(3)；其特征在于：
所述定子两端固定有轴向轴承(3)，在轴向轴承(3)的作用下，所述动子可以轴向移动；
所述动子包括动子铁心(1)和三相的电枢绕组，所述动子铁心(1)为长圆柱形，动子铁心(1)的圆周外围带有动子磁极，动子磁极上缠绕有电枢绕组；设A相电枢绕组所缠绕的动子磁极为A相动子磁极，B相电枢绕组所缠绕的动子磁极为B相动子磁极，C相电枢绕组所缠绕的动子磁极为C相动子磁极；同一相的动子磁极在轴向上排成一列且均分分布，同一相的动子磁极在轴向的距离为一个极距；三相动子磁极在圆周方向上均布；B相动子磁极在轴向上超前A相动子磁极三分之一个极距，C相动子磁极在轴向上超前B相动子磁极三分之一个极距；
动子铁心(1)的一端带有驱动环可以带动被驱动物体沿轴向运动；
所述定子(2)呈圆筒状，圆筒内侧为动子；所述定子(2)的内侧有环状矩形凸起作为定子极，各个环状矩形凸起在轴向上的距离为一个极距；
每个动子磁极上都缠绕一个电枢线圈，同相位的电枢线圈串联组成一相电枢绕组；同相位的相邻的两个电枢线圈绕向相反。
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