CN108599521A - 一种具有轴向偏置磁通的混合式磁阻型磁悬浮直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有轴向偏置磁通的混合式磁阻型磁悬浮直线电机，所述上定子包括正视投影为“冂”字形，左、右侧视投影均为“M”形的悬浮铁心，左侧和右侧“M”形结构的三个竖齿上均绕制悬浮绕组，所述的相邻竖齿之间插接有轴向磁化、磁极相反设置的永磁体；悬浮铁心正视投影的两个竖杆之间设有正视投影呈倒“U”型，而左、右侧视投影都为“M”形的控制铁心，左侧和右侧“M”形结构的三个竖齿上均绕制轴向控制绕组，轴向控制绕组轮流通电产生的磁阻力实现动子轴向直线运动，悬浮控制和轴向运动控制完全独立，控制简单，易于实现，在平衡位置时，由偏置磁通实现动子稳定悬浮，功耗极低。

Description

一种具有轴向偏置磁通的混合式磁阻型磁悬浮直线电机

技术领域

本发明属于电机制造技术领域，具体涉及一种无摩擦磨损，控制简单，运行可靠，带负载能力强，响应速度快，定位准确，功耗低的一种具有轴向偏置磁通的混合式磁阻型磁悬浮直线电机。

背景技术

随着自动控制技术和微型计算机的高速发展，对直线运动控制系统的定位精度提出了更高要求，传统的旋转电机再加上一套变换机构组成的直线运动驱动装置，已经难以满足现代直线控制系统的性能需求，由直线电机直接驱动直线运动负载具有如下优点：①.结构简单，由于直线振动马达不需要将旋转运动变成直线运动的附加装置，因而使得系统本身结构大为简化，重量和体积大大下降。②. 定位精度高，在需要直线运动领域，直线振动马达可实现直接传动，因而可以消除中间环节带来的各种定位误差，精度高，如采用高性能控制策略，还可以进一步提高定位精度，因此直线电机具有广阔的应用前景。但是由于传统直线电机定子和动子之间存在机械摩擦与磨损，限制了普通直线电机优良性能的发挥。

发明内容

本发明克服现有缺陷提供一种一种具有轴向偏置磁通的混合式磁阻型磁悬浮直线电机，无摩擦磨损，控制简单，运行可靠，响应速度快。

一种具有轴向偏置磁通的混合式磁阻型磁悬浮直线电机，包括上定子、下定子和动子，动子的轴向长度大于上、下定子的轴向长度，所述上定子包括正视投影为“冂”字形的悬浮铁心，悬浮铁心的两个竖杆上绕制有悬浮绕组，悬浮铁心的两个竖杆之间设有正视投影呈倒“U”型的控制铁心，控制铁心的左、右竖杆上分别绕制轴向控制绕组，所述控制铁心的顶部通过隔磁铝块与悬浮铁心连为一体，所述下定子与所述上定子结构相同、相对设置；所述动子介于上定子和下定子之间，所述动子包括正视投影为“H”形的吸力盘，吸力盘的两个竖直部分别与悬浮铁心的两个竖杆上下对应，所述吸力盘的两个竖直部之间设有M个沿轴向排列的左动子齿、M个沿轴向排列的右动子齿，所述左、右动子齿、的齿形为向上下两侧竖直延伸的竖齿结构，左、右动子齿、的竖齿与控制铁心的左、右竖杆上下对应。

本发明进一步的改进方案是，所述上定子的控制铁心的左右两侧的侧视投影为“M”形，所述控制铁心左侧和右侧的“M”形结构上的三个竖齿上均绕制轴向控制绕组，所述下定子的控制铁心与上定子的控制铁心结构相同、相对设置。

本发明进一步的改进方案是，所述控制铁心的三个竖齿的宽度和厚度与左、右动子齿竖齿的齿宽和齿厚均为A；控制铁心上相邻竖齿之间的距离为A，左、右动子齿上轴向排列的相邻竖齿之间的齿距为2A。

本发明进一步的改进方案是，所述上定子的悬浮铁心的左右两侧的侧视投影为“M”形，所述悬浮铁心的左侧和右侧的“M”形结构的三个竖齿上均绕制悬浮绕组，所述的相邻竖齿的横向连接部的中间插接有轴向磁化、磁极相反设置的永磁体，悬浮铁心上左右相邻的两个永磁体之间通过隔磁铝块隔离，所述下定子的悬浮铁心与上定子的悬浮铁心结构相同、相对设置。

本发明进一步的改进方案是，所述上、下定子的悬浮铁心的横梁上设有检测动子径向偏移的位移传感器。

本发明进一步的改进方案是，所述悬浮铁心、控制铁心、吸力盘和左、右动子齿均由导磁材料制成。

本发明进一步的改进方案是，所述隔磁铝块由整块铝材制成，隔磁铝块包括控制铁心与悬浮铁心之间的隔磁铝块、悬浮铁心上左右相邻的两个永磁体之间的隔磁铝块。

本发明进一步的改进方案是，所述M为自然数且M>3。

本发明和现有技术相比具有以下优点：

一、悬浮铁心中的永磁体产生偏置磁通，在平衡位置时，由偏置磁通维持动子上、下稳定悬浮，功耗低，当动子偏离平衡位置时，由悬浮绕组通电产生悬浮控制磁通，根据位移传感器检测到的偏移量来调节动子上侧和下侧的气隙磁场，使动子能够回到平衡位置，实现动子稳定悬浮，大大提高系统的灵敏度、快速性，且实现了磁悬浮直线电机无接触运行，机械摩擦损耗为零，故障少，免维护，工作安全可靠、寿命长。

二、动子上的吸力盘为H型，根据磁路磁阻最小原理，偏置磁通能够实现动子的左、右方向的被动控制，使悬浮更为稳定，而且吸力盘采用整块铁心结构，在动子作直线运动或者静止状态，都能够产生稳定的悬浮力。

三、在悬浮铁心和控制铁心之间设置有隔磁铝块，隔磁铝块由整块铝材制成隔开悬浮控制磁路和轴向直线运动控制磁路，保证悬浮控制和运动控制相互独立减小漏磁。

四、控制铁心由三个齿组成，每个齿上绕制有轴向控制绕组，由每个齿上的轴向控制绕组轮流通电实现动子轴向运动，动子每次移动的距离固定，定位准确，且还可以根据定位需求来设定齿宽与齿距来改变每次移动距离。

附图说明

图1为本发明正视结构示意图。

图2为本发明轴向控制铁心左视结构示意图。

图3为本发明轴向控制铁心右视结构示意图。

图4为本发明左视结构与偏置磁通示意图。

图5为本发明右视结构与偏置磁通示意图；

图6为本发明俯视图。

图7为本发明仰视图。

图8为本发明一轴向直线运动控制磁通正视图。

图9为本发明悬浮控制磁通正视图。

具体实施方式

下面结合附图1-9对本发明的技术方案作进一步详细说明。

一种具有轴向偏置磁通的混合式磁阻型磁悬浮直线电机，包括上定子1、下定子2和动子3，动子3的轴向长度大于上、下定子1、2的轴向长度，所述上定子1包括正视投影为“冂”字形的悬浮铁心4，悬浮铁心4的两个竖杆上绕制有悬浮绕组5，悬浮铁心4的两个竖杆之间设有正视投影呈倒“U”形的控制铁心6，控制铁心6的左、右竖杆上分别绕制轴向控制绕组7，所述控制铁心6的顶部通过隔磁铝块8与悬浮铁心4连为一体，所述下定子2与所述上定子1结构相同、相对设置；所述动子3介于上定子1和下定子2之间，所述动子3包括正视投影为“H”形的吸力盘9，吸力盘9的两个竖直部分别与悬浮铁心4的两个竖杆上下对应，所述吸力盘9的两个竖直部之间设有M个沿轴向排列的左动子齿10、M个沿轴向排列的右动子齿11，所述左、右动子齿10、11的齿形为向上下两侧竖直延伸的竖齿结构，左、右动子齿10、11的竖齿与控制铁心6的左、右竖杆上下对应。

上定子1的控制铁心6的左右两侧的侧视投影均为“M”形，所述控制铁心6左侧和右侧的“M”形结构上的三个竖齿上均绕制轴向控制绕组7，所述下定子的控制铁心6与上定子的控制铁心6结构相同、相对设置。

所述控制铁心6的三个竖齿的宽度和厚度与左、右动子齿10、11竖齿的齿宽和齿厚均为A；控制铁心6上相邻竖齿之间的距离为A，左、右动子齿10、11上轴向排列的相邻竖齿之间的齿距为2A。

上定子1的悬浮铁心4的左右两侧的侧视投影为“M”形，所述悬浮铁心4的左侧和右侧的“M”形结构的三个竖齿上均绕制悬浮绕组5，所述的相邻竖齿的横向连接部的中间插接有轴向磁化、磁极相反设置的永磁体12，悬浮铁心4上左右相邻的两个永磁体12之间通过隔磁铝块8隔离，所述下定子的悬浮铁心4与上定子的悬浮铁心4结构相同、相对设置。永磁体产生的偏置磁场沿着轴向平面形成闭合路径；而悬浮绕组产生的悬浮控制磁场和轴向控制绕组产生的轴向控制磁场沿着径向平面形成闭合路径，悬浮力由悬浮控制磁通与偏置磁通相互作用产生；轴向控制绕组通电产生轴向控制磁通用于控制动子做轴向直线运动。

上、下定子1、2的悬浮铁心4的横梁上设有检测动子径向偏移的位移传感器13，位移传感器的感应头竖直指向动子，能够分别检测动子上、下偏移量，根据其偏移量调节通入悬浮绕组的控制电流，产生上、下方向的悬浮力实现动子稳定悬浮在平衡位置。

悬浮铁心4、控制铁心6、吸力盘9和左、右动子齿10、11均由导磁材料制成，本实施例中的导磁材料是铸铁，采用铸铁轴向叠压而成。隔磁铝块8由整块铝材制成，隔磁铝块8包括控制铁心6与悬浮铁心4之间的隔磁铝块、悬浮铁心4上左右相邻的两个永磁体12之间的隔磁铝块。M为自然数，因为控制铁心具有三个竖齿所以要求M>3，实现轴向的运动。

本发明的原理如下：

一、悬浮原理：

如图4、5、6、7、9，永磁体在上定子悬浮铁心的左端产生偏置磁通61、62，右端产生偏置磁通81、82；永磁体在下定子悬浮铁心的左端产生偏置磁通63、64，右端产生偏置磁通83、84，左右偏置磁通均沿着轴向平面形成闭合路径；悬浮绕组在上定子的悬浮铁心的左右侧分别产生悬浮控制磁通65、66、67，悬浮控制磁通经过径向平面形成闭合路径91；下定子的悬浮铁心左右侧的悬浮绕组分别产生悬浮控制磁通68、69、70，悬浮控制磁通经过径向平面形成闭合路径92；悬浮控制磁通分别调节偏置磁通，实现动子上下位置一侧气隙磁场增强，而在相反方向气隙磁场减弱，根据麦克斯韦力产生原理，在动子上将产生指向气隙磁场增强方向的悬浮力，根据位移传感器检测出的动子偏移量，建立位移闭环控制系统，根据动子偏移量来调节悬浮绕组电流，就能够实现动子稳定上、下方向悬浮。而吸力盘采用“H”型结构，根据磁路磁阻最小原理，动子左、右方向由偏置磁通被动控制。

二、轴向直线运动原理：

如图1、2、3、8，假设在起始位置时，第N个左、右动子齿和上、下定子的控制铁心的竖齿21、24、33、36正对齐，此时，竖齿1、24、33、36上的轴向控制绕组通电，将在竖齿21、24、33、36和第N个动子齿中产生轴向控制磁通89、90，动子将固定在此位置；当给竖齿22、25、34、37上的轴向控制绕组通电，而竖齿21、24、33、36上的轴向控制绕组断电，将在齿22、25、34、37和第N+1个动子齿中产生轴向控制磁通89、90，此时动子将向左运动移动A；当给竖齿23、26、35、38上的轴向控制绕组通电，而竖齿22、25、34、37上的轴向控制绕组断电，将在竖齿23、26、35、38和第N+2个动子齿中产生轴向控制磁通89、90，动子将继续再向左运动A，然后继续重复上述过程，动子将不断的向左运动，如果要实现动子向右运动，只需改变绕组通电顺序即可，动子每次移动的距离为A。动子齿的数量远远多于定子齿的数量，动子齿的数量取决于电机轴向长度，当动子轴向长度较长时，还可以采用多对定子共同支撑动子悬浮与直线运行。

Claims (6)

1.一种具有轴向偏置磁通的混合式磁阻型磁悬浮直线电机，包括上定子（1）、下定子（2）和动子（3），动子（3）的轴向长度大于上、下定子（1、2）的轴向长度，其特征是：所述上定子（1）包括正视投影为“冂”字形的悬浮铁心（4），悬浮铁心（4）的两个竖杆上绕制有悬浮绕组（5），悬浮铁心（4）的两个竖杆之间设有正视投影呈倒“U”型的控制铁心（6），控制铁心（6）的左、右竖杆上分别绕制轴向控制绕组（7），所述控制铁心（6）的顶部通过隔磁铝块（8）与悬浮铁心（4）连为一体，所述下定子（2）与所述上定子（1）结构相同、相对设置；所述动子（3）介于上定子（1）和下定子（2）之间，所述动子（3）包括正视投影为“H”型的吸力盘（9），吸力盘（9）的两个竖直部分别与悬浮铁心（4）的两个竖杆上下对应，所述吸力盘（9）的两个竖直部之间设有M个沿轴向排列的左动子齿（10）、M个沿轴向排列的右动子齿（11），所述左、右动子齿（10、11）的齿形为向上下两侧竖直延伸的竖齿结构，左、右动子齿（10、11）的竖齿与控制铁心（6）的左、右竖杆上下对应；所述上定子（1）的控制铁心（6）的左右两侧的侧视投影均为“M”形，所述控制铁心（6）左侧和右侧的“M”形结构上的三个竖齿上均绕制轴向控制绕组（7），所述下定子的控制铁心（6）与上定子的控制铁心（6）结构相同、相对设置，所述上定子（1）的悬浮铁心（4）的左右两侧的侧视投影为“M”形，所述悬浮铁心（4）的左侧和右侧的“M”形结构的三个竖齿上均绕制悬浮绕组（5），所述的相邻竖齿的横向连接部的中间插接有轴向磁化、磁极相反设置的永磁体（12），悬浮铁心（4）上左右相邻的两个永磁体（12）之间通过隔磁铝块（8）隔离，所述下定子的悬浮铁心（4）与上定子的悬浮铁心（4）结构相同、相对设置。

2.如权利要求1所述的一种具有轴向偏置磁通的混合式磁阻型磁悬浮直线电机，其特征在于：所述控制铁心（6）的三个竖齿的宽度和厚度与左、右动子齿（10、11）竖齿的齿宽和齿厚均为A；控制铁心（6）上相邻竖齿之间的距离为A，左、右动子齿（10、11）上轴向排列的相邻竖齿之间的齿距为2A。

3.如权利要求11所述的一种具有轴向偏置磁通的混合式磁阻型磁悬浮直线电机，其特征是：所述上、下定子（1、2）的悬浮铁心（4）的横梁上设有检测动子径向偏移的位移传感器（13）。

4.如权利要求3所述的一种具有轴向偏置磁通的混合式磁阻型磁悬浮直线电机，其特征在于：所述悬浮铁心（4）、控制铁心（6）、吸力盘（9）和左、右动子齿（10、11）均由导磁材料制成。

5.如权利要求4所述的一种具有轴向偏置磁通的混合式磁阻型磁悬浮直线电机，其特征在于：所述隔磁铝块（8）由整块铝材制成，隔磁铝块（8）包括控制铁心（6）与悬浮铁心（4）之间的隔磁铝块、悬浮铁心（4）上左右相邻的两个永磁体（12）之间的隔磁铝块。

6.如权利要求5所述的一种具有轴向偏置磁通的混合式磁阻型磁悬浮直线电机，其特征在于：所述M为自然数且M>3。