CN108599523B - 一种带旁路铁心的混合式磁阻型磁悬浮直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带旁路铁心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，所述上定子包括左悬浮铁心、右悬浮铁心，左、右悬浮铁心的侧视为“M”形，在“M”形结构的齿之间设置有两个轴向磁化的永磁体，左、右悬浮铁心的内侧分别设有左定子旁路铁心和右定子旁路铁心，下定子与所述上定子结构相同、相对设置；悬浮绕组通入电流后产生的悬浮控制磁通与永磁体产生的偏置磁通相互作用，在左右吸力盘上产生稳定的径向悬浮力，而左、右控制铁心上设有控制绕组，控制绕组轮流通电实现动子轴向直线运动。一种带旁路铁心的混合式磁阻型磁悬浮直线电机实现了动子无接触悬浮支撑，大大提高系统的灵敏度，速动性，定位准确性。

Description

一种带旁路铁心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，定位准确的带旁路铁心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带旁路铁心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，能够产生稳定径向悬浮力。

本发明通过以下技术方案实现：

一种带旁路铁心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，所述上定子包括左悬浮铁心、右悬浮铁心，左悬浮铁心的内侧和右悬浮铁心的内侧分别设有左定子旁路铁心和右定子旁路铁心，左、右定子旁路铁心、之间设有隔磁铝块，所述左悬浮铁心、右悬浮铁心、左定子旁路铁心、右定子旁路铁心、隔磁铝块连为一体，所述隔磁铝块上设有左控制铁心和右控制铁心，所述左、右悬浮铁心的侧视投影呈“M”形，左、右悬浮铁心的相邻竖齿之间设置轴向磁化的永磁体；所述左悬浮铁心的三个竖齿上和右悬浮铁心的三个竖齿上分别绕制悬浮绕组；所述左、右控制铁心的侧视投影呈“M”形，左、右控制铁心的三个竖齿上分别绕制控制绕组；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，所述动子包括左吸力盘、右吸力盘，左、右吸力盘的内侧分别设有左动子旁路铁心、右动子旁路铁心，所述左、右动子旁路铁心的内侧分别连接有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M为自然数且M>3，所述左吸力盘和左动子旁路铁心之间、右吸力盘和右动子旁路铁心之间以及左动子齿和右动子齿之间连接有隔磁铝块。

本发明进一步的改进方案是，所述动子的左吸力盘、右吸力盘、左动子旁路铁心、右动子旁路铁心均为向上、下两侧凸出结构，其侧视为与动子周长相等的矩形块；所示右动子齿、左动子齿均为向上、下两侧凸出结构，左、右控制铁心的三个竖齿的宽度和厚度与左、右动子齿的凸出结构的宽度和厚度对应相等且齿厚均为A，左、右控制铁心的三个竖齿之间的齿距为A，M个左动子齿的轴向间距为2A，M个右动子齿的轴向间距为2A。

本发明进一步的改进方案是，所述上定子的左、右悬浮铁心的内侧分别设有测量动子径向位移的位移传感器。

本发明进一步的改进方案是，所述隔磁铝块包括左、右定子旁路铁心之间的隔磁铝块，左吸力盘和左动子旁路铁心之间的隔磁铝块，右吸力盘和右动子旁路铁心之间的隔磁铝块，以及左动子齿和右动子齿之间的隔磁铝块，每个隔磁铝块由整块铝材制成。

本发明进一步的改进方案是，所述左悬浮铁心、右悬浮铁心、左定子旁路铁心、右定子旁路铁心、左控制铁心、右控制铁心、左吸力盘、右吸力盘、左动子旁路铁心、右动子旁路铁心，左动子齿、右动子齿由导磁材料制成。

本发明和现有技术相比具有以下优点：

一、左、右悬浮铁心上绕制悬浮绕组，悬浮绕组通入电流后产生的悬浮控制磁通与永磁体产生的偏置磁通相互作用，产生稳定悬浮力，实现动子无接触悬浮支撑，大大提高系统的灵敏度、快速性和随动性。且实现了磁悬浮直线电机无接触传递力，机械摩擦损耗几乎为零，所有故障少，免维护，工作安全可靠、寿命长。

二、在上、下定子上设置隔磁铝块将悬浮控制磁路和运动控制磁路分开，使得动子径向悬浮控制和轴向直线运动控制相互独立；还将左、右两侧悬浮控制隔开，让左、右两侧悬浮控制相互独立。

三、在动子上设置隔磁铝块，保证各磁通按照设定路径工作、互不干扰。

四、左、右控制铁心上设置控制绕组，用于控制动子轴向直线运动，直线运动控制与悬浮控制之间无耦合，运动和悬浮之间独立控制即可，控制简单、可靠。

五、动子上设有与动子周长相等的矩形左、右吸力盘，保证动子做轴向直线运动和静止等任何状态下均能产生稳定悬浮力，减小振动，运行可靠，运行时间长，提高电机寿命。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明旁路铁心左视结构图。

图3为本发明控制铁心的左视图。

图4为本发明控制铁心右视图。

图5为本发明左视与轴向磁路图。

图6为本发明右视与轴向磁路图。

图7为本发明悬浮控制磁路径向示意图。

图8为本发明直线运动控制磁路径向示意图。

具体实施方式

下面结合附图1至8对本发明的原理和具体实施方式作进一步详细说明。

一种带旁路铁心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，所述上定子1包括左悬浮铁心4、右悬浮铁心5，左悬浮铁心4的内侧和右悬浮铁心5的内侧分别设有左定子旁路铁心6和右定子旁路铁心7，使悬浮控制磁路沿着径向平面分布。左、右定子旁路铁心6、7之间设有隔磁铝块8，所述左悬浮铁心4、右悬浮铁心5、左定子旁路铁心6、右定子旁路铁心7、隔磁铝块8连为一体，所述隔磁铝块8上设有左控制铁心9和右控制铁心10，所述左、右悬浮铁心4、5的侧视投影呈“M”形，左、右悬浮铁心4、5的相邻竖齿之间设置轴向磁化的永磁体11，轴向磁化永磁体产生的偏置磁场与径向平面垂直分布。左悬浮铁心4的三个竖齿上和右悬浮铁心5的三个竖齿上分别绕制悬浮绕组12；悬浮绕组通入电流后产生的悬浮控制磁通与永磁体产生的偏置磁通相互作用，用于控制动子径向稳定悬浮。左、右控制铁心9、10的侧视投影呈“M”形，左、右控制铁心9、10的三个竖齿上分别绕制控制绕组13；用于控制动子轴向直线运动。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包括左吸力盘14、右吸力盘15，保证在动子做轴向直线运动和静止等任何状态下都能够产生稳定的径向悬浮力。左、右吸力盘14、15的内侧分别设有左动子旁路铁心16、右动子旁路铁心17，所述左、右动子旁路铁心16、17的内侧分别连接有M个沿轴向排列的左动子齿18、M个沿轴向排列的右动子齿19，所述M为自然数且M>3，所述左吸力盘14和左动子旁路铁心16之间、右吸力盘15和右动子旁路铁心17之间以及左动子齿18和右动子齿19之间连接有隔磁铝块8。

本实施例中，动子3的左吸力盘14、右吸力盘15、左动子旁路铁心16、右动子旁路铁心17为上下凸出结构，是与动子轴长相等的矩形块状结构；左动子齿18、右动子齿19均为向上、下两侧凸出结构，左、右控制铁心9、10的三个竖齿的宽度和厚度与左、右动子齿18、19的凸出结构的宽度和厚度对应相等且齿厚均为A，M个左动子齿18的轴向间距为2A，M个右动子齿19的轴向间距为2A。上定子1的左、右悬浮铁心4、5的内侧分别设有测量动子径向位移的位移传感器20。隔磁铝块8由整块铝材制成，将悬浮控制磁路与运动控制磁路完全隔开，减小漏磁，且将左、右两侧的悬浮控制磁路隔开，左、右两侧悬浮控制相互独立。左悬浮铁心4、右悬浮铁心5、左定子旁路铁心6、右定子旁路铁心7、左控制铁心9、右控制铁心10、左吸力盘14、右吸力盘15、左动子旁路铁心16、右动子旁路铁心17，左动子齿18、右动子齿19由导磁材料制成。

本发明的悬浮原理：

如图1、5、6、7所示悬浮铁心（指左右悬浮铁心）侧视投影呈“M”形，各有3个齿，62、63、64和65、66、67以及85、86、87和88、89、90，在每两个齿之间分别设置一个轴向磁化的永磁体11，永磁体在悬浮铁心中产生静态偏置磁通74、78、79、80；97、101、102、103，静态偏置磁通垂直与径向平面，沿轴向形成闭合路径；给悬浮绕组12通入电流，产生悬浮控制磁通75、76、77，98、99、100，悬浮控制磁通经悬浮铁心、气隙、定子旁路铁心后在径向平面形成闭合路径104、105；悬浮控制磁通分别与永磁体产生相应的偏置磁通相互作用，在左、右吸力盘14、15上产生稳定的径向悬浮力；由位移传感器20分别检测左右两侧的动子径向位移，建立左右两侧位移闭环控制系统，根据偏移量的大小调节悬浮绕组的电流，实现动子稳定悬浮。

直线运动原理：

如图1、3、4、8所示，上、下定子的控制铁心的侧视投影呈“M”形，三个竖齿34、35、36和37、38、39以及46、47、48和49、50、51之间距离和齿厚和齿宽全为A，M个动子齿的轴向距离为2A。那么假设起始位置是控制铁心的第一个齿34、37和46、49与动子第N个齿对齐，则控制铁心第二个齿35、38和47、50最右侧与动子的N+1个齿左侧对齐，控制铁心第三个齿36、39和48、51的最左侧与动子N+1个齿的右侧对齐；上、下定子的第一个定子齿上的4个控制绕组断电、第二个定子齿上的4个绕组通电，此时将在上、下定子第二个齿和N+1个齿中产生轴向控制磁通106，根据磁阻最小原理，动子将向左运动一个齿距A；当运动到第二个定子齿与动子的第N+1个齿正对齐后，将第二个定子齿上的4个绕组断电、第三个定子齿上的4个绕组通电，将在上、下定子第三个齿和N+2个动子齿中产生轴向控制磁通106，动子得以继续向左运动一个齿距A；然后重复通电，动子将连续不断的向左运动，改变通电顺序，可实现动子向右连续运动，动子齿M的数目视动子长度而定；如果动子长度较长，则可采用多个定子组合使用。

对于上定子、下定子和动子，动子齿的数量远远多于控制铁心上齿的数量，动子齿的数量取决于电机轴向长度。

对于上定子、下定子和动子，均采用导磁材料硅钢片制成，也可使用电工钢等其它导磁材料。

Claims (3)

1.一种带旁路铁心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），其特征是：所述上定子（1）包括左悬浮铁心（4）、右悬浮铁心（5），左悬浮铁心（4）的内侧和右悬浮铁心（5）的内侧分别设有左定子旁路铁心（6）和右定子旁路铁心（7），左、右定子旁路铁心（6、7）之间设有隔磁铝块（8），所述左悬浮铁心（4）、右悬浮铁心（5）、左定子旁路铁心（6）、右定子旁路铁心（7）、隔磁铝块（8）连为一体，所述隔磁铝块（8）上设有连为一体的左控制铁心（9）和右控制铁心（10），所述左、右悬浮铁心（4、5）的侧视投影呈“M”形，左、右悬浮铁心（4、5）的相邻竖齿之间设置轴向磁化的永磁体（11）；所述左悬浮铁心（4）的三个竖齿上和右悬浮铁心（5）的三个竖齿上分别绕制悬浮绕组（12）；所述左、右控制铁心（9、10）的侧视投影呈“M”形，左、右控制铁心（9、10）的三个竖齿上分别绕制控制绕组（13）；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）包括左吸力盘（14）、右吸力盘（15），左、右吸力盘（14、15）的内侧分别设有左动子旁路铁心（16）、右动子旁路铁心（17），所述左、右动子旁路铁心（16、17）的内侧分别连接有M个沿轴向排列的左动子齿（18）、M个沿轴向排列的右动子齿（19），所述M为自然数且M>3，所述左吸力盘（14）和左动子旁路铁心（16）之间、右吸力盘（15）和右动子旁路铁心（17）之间以及左动子齿（18）和右动子齿（19）之间连接有隔磁铝块（8）；所述动子（3）的左吸力盘（14）、右吸力盘（15）、左动子旁路铁心（16）、右动子旁路铁心（17）均为向上、下两侧凸出结构，其侧视为与动子周长相等的矩形块；所示右动子齿（19）、左动子齿（18）均为向上、下两侧凸出齿结构，左、右控制铁心（9、10）的三个竖齿的宽度和厚度与左、右动子齿（18、19）的凸出结构的宽度和厚度对应相等且齿厚均为A，左、右控制铁心（9、10）的三个竖齿之间的齿距为A，M个左动子齿（18）的轴向间距为2A，M个右动子齿（19）的轴向间距为2A；所述上定子（1）的左、右悬浮铁心（4、5）的内侧分别设有测量动子径向位移的位移传感器（20）。

2.如权利要求1所述的一种带旁路铁心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）包括左、右定子旁路铁心（6、7）之间的隔磁铝块，左吸力盘（14）和左动子旁路铁心（16）之间的隔磁铝块，右吸力盘（15）和右动子旁路铁心（17）之间的隔磁铝块，以及左动子齿（18）和右动子齿（19）之间的隔磁铝块，每个隔磁铝块由整块铝材制成。

3.如权利要求1所述的一种带旁路铁心的混合式磁阻型磁悬浮直线电机，其特征在于：所述左悬浮铁心（4）、右悬浮铁心（5）、左定子旁路铁心（6）、右定子旁路铁心（7）、左控制铁心（9）、右控制铁心（10）、左吸力盘（14）、右吸力盘（15）、左动子旁路铁心（16）、右动子旁路铁心（17），左动子齿（18）、右动子齿（19）由导磁材料制成。