CN108011489B - 多单元微行程音圈直线电机 - Google Patents
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Abstract
一种多单元微行程音圈直线电机，该电机包括磁轭、第一永磁体、第二永磁体和线圈；本音圈直线电机为模块式结构，根据需要增加线圈和永磁体的数量就可增加运动单元的数量，方便扩展。
Description
技术领域：本发明属于音圈直线电机领域，尤其涉及一种多路相互平行、相互独立运动的多单元微行程音圈直线电机的设计方法和结构。
背景技术：音圈电机具有推力大、可动部分质量小、定位速度快、存取时间短等优点，不仅被广泛用在磁盘、激光唱片定位等精密定位系统中，在许多不同形式的高加速、高频激励上也得到广泛应用。如光学系统中透镜的定位；机械工具的多坐标定位平台；医学装置中精密电子管、真空管控制；在柔性机器人中，使末端执行器快速、精确定位。
随着机器人工业的发展，只有一个运动单元传统音圈电机已经难以满足精密、高速、高效率应用场合。
发明内容：
发明目的：本发明目的是提供一种多单元微行程音圈直线电机，其目的是解决以往所存在的问题；完成多路相互平行、相互独立的运动；在电机动子整个行程区域内，电机的推力平稳、波动小。
技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的：
一种多单元微行程音圈直线电机，其特征在于：该电机为夹心结构，包括永磁体单元、铁磁轭和线圈单元；永磁体单元和铁磁轭组成了音圈电机的定子；线圈夹置于永磁体间，构成了多路运动单元，是电机的动子。
同一永磁体单元中的永磁体大小相同、充磁方向相同；不同永磁体单元中的永磁体大小相同、充磁方向相反；永磁体单元中的永磁体等间距排列，沿运动方向处于同一平面的两块永磁体并排安置。
同一永磁体单元中相邻的永磁体间的气隙为δ，两个永磁体单元中的永磁体的数量相等，数量为pPM。所述音圈电机的两个端部铁磁轭必须为铁磁性材料，导磁性能较好，用来聚磁，最小化漏磁；两个永磁体单元与铁磁轭共同构成了磁通路径，提供磁场。
两个永磁体单元间设置隔磁间隙g，g≥δ，以减小处于沿运动方向上同一平面的两块永磁体间的漏磁，防止线圈在最大正向或负向位移时发生严重的推力削弱和推力波动。
两个永磁体单元产生的磁通为串联关系，磁通限制在铁磁轭和两个永磁体单元内，磁通垂直穿过线圈，该结构保证了气隙δ中的磁通为一幅值恒定的方波，从而实现线圈通电后产生的安培力最大。
线圈等间距排列成线圈单元，排列间距为δ+δ2，δ2为永磁体的厚度；线圈单元中的线圈数量cn与任一永磁体单元中的永磁体数量pPM关系为cn＝pPM-1；线圈的厚度δ1小于相邻永磁体间的气隙δ，从而线圈可以自由运动。
线圈为空心长方体，窗口宽度b＝2l+2f，l为线圈的最大正向或负向位移，f为线圈运动于最大正向或负向位移处垂直于运动方向的两条边的外边缘距离永磁体外边缘的距离，称为磁通失稳区；线圈垂直于运动方向的高度e大于永磁体的高度x；在装配时，线圈平行于运动方向边的下边缘不要露出永磁体的下边缘，线圈平行于运动方向边的上边缘露出永磁体，方便与机械机构连接。
当线圈处于装置中心位置，即线圈垂直于运动方向的两条边分别处于永磁体的磁极中心位置，线圈垂直于运动方向两条边的宽度为d，d≤y-2f-2l，这样的尺寸配合确保线圈在最大正向或负向位移处，线圈垂直于运动方向的两条边包含于永磁体内，以保证线圈在整个行程内推力最大和推力稳定。
当某一个线圈通入电流时，该线圈正向运动；当电流反方向时，该线圈往负方向运动，实现了电机的往复运动；其他的线圈也符合这种运动规律，线圈单元中的每个线圈的运动相互独立、互不干扰。
本发明具体优点如下：
多单元微行程音圈直线电机具有多运动支路，电路和磁路上互不干涉，独立控制，提高了工作效率。
永磁体组间设置隔磁间隙，极间漏磁小；电机设置磁通失稳区，线圈运行到最大正向或负向位移处不会因漏磁而产生大的推力波动，本音圈电机推力波动小于2％。
本音圈直线电机为模块式结构，根据需要增加线圈和永磁体的数量就可增加运动单元的数量，方便扩展。
附图说明：
图1是本发明的多单元微行程音圈直线电机三维结构图；
图2是本发明的多单元微行程音圈直线电机俯视图；
图3是本发明的多单元微行程音圈直线电机的局部三维图；
图4是本发明的多单元微行程音圈直线电机的永磁体单元图
图5是本发明的多单元微行程音圈直线电机的线圈单元图；
图6是本发明的多单元微行程音圈直线电机的磁通图；
图7是本发明的多单元微行程音圈直线电机的永磁体和线圈尺寸图；
图8是本发明的多单元微行程音圈直线电机线圈受力图；
附图标记说明：
1.铁磁轭、2.第一永磁体、3.第二永磁体、4.线圈、5.第一永磁体单元、6.第二永磁体单元、7.线圈单元、8.磁通、9.磁极中心位置、10.装置中心位置。
具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的说明：
一种多单元微行程音圈直线电机，该电机包括磁轭1、第一永磁体2、第二永磁体3和线圈4；第一永磁体2、第二永磁体3和铁磁轭1组成了电机的定子；第一永磁体2和第二永磁体3大小相等、充磁方向相同，多个第一永磁体2等间距前后排列构成了第一永磁体单元5，多个第二永磁体3等间距前后排列构成了第二永磁体单元6；第一永磁体单元5与第二永磁体单元6左右并排设置(所谓前后排列就是如图所示的前后面面相临，垂直于永磁体的面的直线贯穿所有的永磁体的中心！所谓左右并排设置就是永磁体边边相邻！)；第一永磁体单元5及第二永磁体单元6设置在两个磁轭1之间；第一永磁体2及与其左右对应设置的第二永磁体3构成一组永磁体组；多个线圈4等间距排列，线圈4穿插夹装于多个永磁体组间，线圈4是电机的动子，线圈4与机械机构安装在一起，驱动机械机构行走。
左右对应并排设置的第一永磁体2和第二永磁体3处于同一平面上；第一永磁体单元5中相邻的第一永磁体2间的气隙为δ，第二永磁体单元6中相邻的第二永磁体3间的气隙也为δ；所有的第一永磁体2、第二永磁体3与铁磁轭1共同构成了磁通8的通道；第一永磁体2和第二永磁体3的数量相等，数量为pPM。
第一永磁体2和第二永磁体3间设置隔磁间隙g，g≥δ，以减小第一永磁体2和第二永磁体3间的漏磁，防止线圈4在最大正向或负向位移时发生严重的推力削弱。
第一永磁体单元5和第二永磁体单元6产生的磁通8为串联关系，磁通8限制在铁磁轭1、第一永磁体单元5和第二永磁体单元6中，磁通8垂直穿过线圈4，该结构保证了气隙δ中的磁通8为一幅值恒定的方波、线圈4通电后产生的安培力最大。
线圈4等间距排列成线圈单元7，排列间距为δ+δ2，δ2为永磁体的厚度；线圈单元7中线圈4的数量cn与第一永磁体单元5中第一永磁体2的数量pPM关系为cn＝pPM-1；线圈4的厚度δ1小于第一永磁体2间的气隙δ，便于线圈4运动。
线圈4为空心长方体，即在长方体中心形成口字形窗口形状，如图5所示窗口宽度b＝2l+2f，l为线圈4的最大正向或负向位移正向和负向即图7中的左右方向！，f为线圈4正向或负向运动至最大位移处时，线圈4垂直于运动方向的边的外边缘距离第一永磁体2或为第二永磁体3的外边缘的最小距离，线圈4垂直于运动方向的高度e大于第一永磁体2及第二永磁体3的高度x；在装配时，线圈4平行于运动方向的边的下底边缘不露出第一永磁体2和第二永磁体3的下边缘，线圈4平行于运动方向的边的上边缘露出第一永磁体2和第二永磁体3的上边缘，方便与机械机构连接。
当线圈4处于装置中心位置10时(即正负位移均为零时！)，线圈4的垂直于运动方向的两条边分别处于第一永磁体2和第二永磁体3的磁极中心位置9即如图7所示，此时该边的竖向中线与磁极中心位置9所在的线重合！，线圈4垂直于运动方向两条边的宽度为d，d≤y-2f-2l，y为永磁体宽度，这样的尺寸配合确保线圈4在最大正向或负向位移处，线圈4垂直于运动方向的两条边包含于第一永磁体2和第二永磁体3内，以保证线圈4在整个行程内推力最大和推力稳定。
当某一个线圈4通入电流时，该线圈4正向运动；当电流反方向时，该线圈4往负方向运动，实现了电机的往复运动；其他的线圈也符合这种运动规律，线圈单元7中每个线圈的运动相互独立、互不干扰。
下面进行具体说明：
本发明属于一种多运动支路、大推力、极低推力波动、小行程音圈直线电机，该电机包括第一永磁体单元5、第二永磁体单元6和线圈单元7组成的阵列；铁磁轭1、第一永磁体单元5和第二永磁体单元6共同构成了电机的定子；铁磁轭1安置于定子的两个端面，与第一永磁体单元5和第二永磁体单元6中的两端头第一永磁体2及第二永磁体3贴合；线圈单元7夹置于第一永磁体单元5和第二永磁体单元6中。
所述定子侧的第一永磁体单元5中的第一永磁体2大小相同、充磁方向相同；第二永磁体单元6中的第二永磁体3大小相同、充磁方向相同；第一永磁体2和第二永磁体3大小相同、充磁方向相反；第一永磁体单元5中的第一永磁体2和磁体单元二6中的第二永磁体3均等间距排列，沿运动方向处于同一平面的第一永磁体2和第二永磁体3并排安置；第一永磁体2和第二永磁体3均为高磁能积硬磁材料。
第一永磁体单元5中相邻的第一永磁体2的气隙为δ，第二永磁体单元6中相邻的第二永磁体3的气隙也为δ，第一永磁体2和第二永磁体3的数量相等，数量为pPM；第一永磁体单元5与第二永磁体单元6的间距称为隔磁间隙，间距为g，g≥δ，以减小处于垂直于运动方向上同一平面的第一永磁体2和第二永磁体3的漏磁，防止线圈4在最大正向或负向位移时发生严重的推力削弱和推力波动。
所述音圈电机的两个端部铁磁轭1必须为铁磁性材料，导磁性能较好，用来聚磁，最小化漏磁；第一永磁体单元5、第二永磁体单元6和铁磁轭1共同构成了磁通8的路径，第一永磁体单元5、第二永磁体单元6产生的磁通8为串联关系，磁通8限制在铁磁轭1和两个永磁体单元内，磁通垂直穿过线圈4，该结构保证了气隙δ中的磁通8为一幅值恒定的方波，从而实现线圈4通电后产生的安培力最大。
当线圈单元7中的某一个线圈4通入电流i时，与磁通8作用，线圈4的两条边就会产生安培力F，线圈4正向运动；当电流i反方向时，线圈4往负方向运动，实现了电机的往复运动；其他的线圈也符合这种运动规律，线圈单元7中的每个线圈4的运动相互独立、互不干扰。
结合附图：
如图1、2所示，本发明涉及一种高响应、低推力波动、小行程、多运动支路音圈直线电机，电机由多个线圈、多个永磁体和铁磁极1组成；第一永磁体2、第二永磁体3、线圈4呈阵列排列。
如图2、3、4、6所示，第一永磁体2和第二永磁体3大小相等，充磁方向相反，从而确保第一永磁体单元5和第二永磁体单元6中的磁通8方向相反。第一永磁体单元5和中相邻的永磁体间的气隙为δ＝3mm，第二永磁体单元6中相邻的永磁体间的气隙也为δ＝3mm，第一永磁体2和第二永磁体3的数量相等，数量均为pPM＝21；第一永磁体单元5与第二永磁体单元6的间距称为隔磁间隙g＝4mm。
如图2、3、5所示，线圈4等间距排列，排列间距为δ+δ2，δ2为永磁体的厚度δ2＝3，δ+δ2＝3+3＝6mm；线圈单元7中的线圈4数量cn＝20，与第一永磁体2的数量pPM关系为cn＝pPM-1；线圈4的厚度δ1小于气隙δ，δ1＝1.5mm。
如图5、7所示，线圈4为空心长方体，窗口宽度b＝2l+2f＝2×5+2×2＝14(线圈4最大正向或负向位移l＝5mm，线圈4运动于最大正向或负向位移处垂直于运动方向的两条边的外边缘距离第一永磁体2(或第二永磁体3)外边缘的距离f＝2mm)；线圈4垂直于运动方向的高度e大于第一永磁体2和第二永磁体3的高度x；在装配时，线圈4平行于运动方向边的下边缘不要露出第一永磁体2和第二永磁体3的下边缘，线圈4平行于运动方向边的上边缘需露出第一永磁体2和第二永磁体3，方便与机械机构连接。
如图7所示，当线圈4处于装置中心位置10，即线圈4垂直于运动方向的两条边分别处于第一永磁体2和第二永磁体3的磁极中心位置9，线圈4垂直于运动方向两条边的宽度为d，d≤y-2f-2l，d＝8mm，本设计永磁体宽度y＝22mm，保证了线圈4在最大正向或负向位移处，线圈4垂直于运动方向的两条边包含于第一永磁体2和第二永磁体3内。
如图7所示，当线圈单元7中的某一个线圈4通入如图所示电流i时，与磁通8作用(图7中磁通8用“⊙”和“
”分别代表磁通穿出纸面和进入纸面)，线圈4的两条边就会产生安培力F，线圈4正向运动；当电流i反方向时，线圈4往负方向运动，实现了电机的往复运动；其他的线圈也符合这种运动规律，线圈单元7中的每个线圈4的运动相互独立、互不干扰。
多单元微行程音圈直线电机能够实现多路、相互独立的运动，提高生产效率。
Claims (3)
1.一种多单元微行程音圈直线电机，其特征在于：该电机包括磁轭(1)、第一永磁体(2)、第二永磁体(3)和线圈(4)；第一永磁体(2)、第二永磁体(3)和铁磁轭(1)组成了电机的定子；第一永磁体(2)和第二永磁体(3)大小相等、充磁方向相同，多个第一永磁体(2)等间距前后排列构成了第一永磁体单元(5)，多个第二永磁体(3)等间距前后排列构成了第二永磁体单元(6)；第一永磁体单元(5)与第二永磁体单元(6)左右并排设置；第一永磁体单元(5)及第二永磁体单元(6)设置在两个磁轭(1)之间；第一永磁体(2)及与其左右对应设置的第二永磁体(3)构成一组永磁体组；多个线圈(4)等间距排列，线圈(4)穿插夹装于多个永磁体组间，线圈(4)是电机的动子，线圈(4)与机械机构安装在一起，驱动机械机构行走；
左右对应并排设置的第一永磁体(2)和第二永磁体(3)处于同一平面上；第一永磁体单元(5)中相邻的第一永磁体(2)间的气隙为δ，第二永磁体单元(6)中相邻的第二永磁体(3)间的气隙也为δ；所有的第一永磁体(2)、第二永磁体(3)与铁磁轭(1)共同构成了磁通(8)的通道；第一永磁体(2)和第二永磁体(3)的数量相等，数量为pPM；
线圈(4)等间距排列成线圈单元(7)，排列间距为δ+δ2，δ2为永磁体的厚度；线圈单元(7)中线圈(4)的数量cn与第一永磁体单元(5)中第一永磁体(2)的数量pPM关系为cn＝pPM-1；线圈(4)的厚度δ1小于第一永磁体(2)间的气隙δ；
线圈(4)为空心长方体，即在长方体中心形成口字形窗口形状，窗口宽度b＝2l+2f，l为线圈(4)的最大正向或负向位移，f为线圈(4)正向或负向运动至最大位移处时，线圈(4)垂直于运动方向的边的外边缘距离第一永磁体(2)或为第二永磁体(3)的外边缘的最小距离，线圈(4)垂直于运动方向的高度(e)大于第一永磁体(2)及第二永磁体(3)的高度(x)；在装配时，线圈(4)平行于运动方向的边的下底边缘不露出第一永磁体(2)和第二永磁体(3)的下边缘，线圈(4)平行于运动方向的边的上边缘露出第一永磁体(2)和第二永磁体(3)的上边缘；
第一永磁体单元(5)和第二永磁体单元(6)产生的磁通(8)为串联关系，磁通(8)限制在铁磁轭(1)、第一永磁体单元(5)和第二永磁体单元(6)中，磁通(8)垂直穿过线圈(4)；
当线圈(4)处于装置中心位置(10)时，线圈(4)的垂直于运动方向的两条边分别处于第一永磁体(2)和第二永磁体(3)的磁极中心位置(9)，线圈(4)垂直于运动方向两条边的宽度为d，d≤y-2f-2l，y为永磁体宽度，这样的尺寸配合确保线圈(4)在最大正向或负向位移处，线圈(4)垂直于运动方向的两条边包含于第一永磁体(2)和第二永磁体(3)内。
2.根据权利要求1所述的多单元微行程音圈直线电机，其特征在于：第一永磁体(2)和第二永磁体(3)间设置隔磁间隙g，g≥δ。
3.根据权利要求1或2所述的多单元微行程音圈直线电机，其特征在于：当某一个线圈(4)通入电流时，该线圈(4)正向运动；当电流反方向时，该线圈(4)往负方向运动，实现了电机的往复运动；其他的线圈也符合这种运动规律，线圈单元(7)中每个线圈的运动相互独立、互不干扰。
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