CN108847763A - 一种恒流源励磁的磁悬浮磁阻直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恒流源励磁的磁悬浮磁阻直线电机，包括定子和动子，所述动子包括动子轴，M个沿轴向排列的动子铁心套接在动子轴的周面上，所述定子包括三个定子铁心，所述定子铁心为与动子同轴线的空心圆柱形结构，动子位于定子铁心的内圈，定子铁心的内周均布有4N+4个定子齿，位于X方向和Y方向上的定子齿上均绕制有恒流源绕组和悬浮绕组，其余的定子齿上绕制轴向控制绕组；该结构的磁悬浮磁阻直线电机实现了动子无接触悬浮支撑直线运动，极大地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性。

Description

一种恒流源励磁的磁悬浮磁阻直线电机

技术领域

本发明涉及电机制造领域，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，结构紧凑，功耗低的一种恒流源励磁的磁悬浮磁阻直线电机。

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，而磁悬浮直线电机是利用磁悬浮技术实现动子悬浮无接触支承，动子和定子之间始终保持一定的气隙，消除了定子和动子之间的摩擦阻力，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。

磁悬浮轴承主要分为主动磁轴承、被动磁轴承和混合磁轴承，特别是其中的混合磁轴承采用永磁体产生偏置磁通，悬浮绕组产生悬浮控制磁通，两者相互作用产生悬浮力，具有低功耗、体积小，能够产生跟大悬浮力的一种新型轴承，但是，其在高温环境下的永磁体退磁难题，导致其的工业应用领域受到限制。

发明内容

本发明克服现有缺陷提供一种恒流源励磁的磁悬浮磁阻直线电机，无摩擦磨损，控制简单，运行可靠，响应速度快，功耗低，结构简单。

一种恒流源励磁的磁悬浮磁阻直线电机，包括定子和动子，所述动子包括动子轴，M个沿轴向排列的动子铁心套接在动子轴的周面上，M个动子铁心周面的X和Y方向上设置有延伸整个动子轴长的矩形吸力盘、其余周面上均布有4N个动子齿；所述定子包括三个定子铁心，所述定子铁心为与动子同轴线的空心圆柱形结构，动子位于定子铁心的内圈，所述定子铁心的内周均布有4N+4定子齿，所述定子齿与动子齿及矩形吸力盘一一对应设置，位于X方向和Y方向上的定子齿上均绕制有恒流源绕组和悬浮绕组，所述恒流源绕组位于悬浮绕组（8）的内侧，其余的定子齿上绕制轴向控制绕组，所述恒流源绕组由恒流源供电、所述悬浮绕组由直流电源供电；定子齿的宽度和厚度以及动子齿的宽度和厚度均为A，相邻定子铁心之间的间距为A，相邻动子铁心之间的间距为2A。

本发明进一步的改进方案是，所述M为自然数且M>3，所述N为自然数且N>1。

本发明进一步的改进方案是，在X方向和Y方向上的定子齿长度大于其他方向上的定子齿长度。

本发明进一步的改进方案是，所述定子、动子均由导磁材料制成，连接体为非导磁材料制成。

本发明和现有技术相比具有以下优点：

一、X和Y方向的定子齿上分别设置有恒流源绕组和悬浮绕组，两者相互作用产生X和Y方向径向悬浮力；实现了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、X和Y方向的定子齿上的励磁绕组和悬浮绕组单独设置，建立X和Y方向位移闭环控制系统，根据X和Y方向位移传感器检测到的偏移量分别控制X和Y方向悬浮绕组电流，产生X和Y方向悬浮力，X和Y方向位移控制无耦合，控制简单。

三、当动子偏离平衡位置时，悬浮绕组和励磁绕组一起通电产生悬浮力，动子在平衡位置时，两套绕组中无电流，因此功耗低。

四、动子铁心的X和Y方向为连成为整体的四个长条状的矩形吸力盘，能够在动子做直线运动的同时产生稳定可靠的径向悬浮力。

五、X和Y方向的定子齿上分别设置有励磁绕组和悬浮绕组，两者相互作用产生X和Y方向径向悬浮力；其余定子齿上设置有轴向控制绕组，用于控制动子沿着轴向运动，直线运动控制与悬浮控制之间无耦合、独立控制，控制简单、可靠。

六、X和Y方向的定子齿长度要大于其余齿的长度，即X和Y方向定子齿和动子齿之间的气隙要小于其他位置的气隙，悬浮控制磁路和直线运动控制磁路相互隔离，悬浮控制磁通和励磁磁通仅经过X和Y方向的定子齿和动子齿形成闭合回路，对轴向直线运动无影响，控制简单。

附图说明

图1为本发明侧视图。

图2为本发明正视图。

图3为本发明X方向励磁磁场分布图。

图4为本发明X方向悬浮绕组磁场分布图。

图5为本发明Y方向励磁磁场分布图。

图6为本发明Y方向悬浮绕组磁场分布图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图1-6对本发明作进一步详细说明。

一种恒流源励磁的磁悬浮磁阻直线电机，包括定子1和动子2，所述动子2包括动子轴3，M个沿轴向排列的动子铁心4套接在动子轴3的周面上，M个动子铁心4周面的X和Y方向上设置有延伸整个动子轴长的矩形吸力盘14、其余周面上均布有4N个动子齿5，所述定子1包括三个定子铁心6，所述定子铁心6为与动子2同轴线的空心圆柱形结构，动子2位于定子铁心6的内圈，所述定子铁心6的内周均布有4N+4定子齿13，所述定子齿13与动子齿5及矩形吸力盘14一一对应设置，位于X方向和Y方向上的定子齿13上均绕制有恒流源绕组7和悬浮绕组8，恒流源绕组7位于悬浮绕组8的内侧，所述恒流源绕组7由恒流源供电、所述悬浮绕组8由直流电源供电，此两套绕组用于产生X方向径向悬浮力；其余的定子齿13上绕制轴向控制绕组12，用于控制动子沿着轴向运动；定子齿13的宽度和厚度以及动子齿5的宽度和厚度均为A，相邻定子铁心6之间的间距为A，相邻动子铁心4之间的间距为2A。

本实施例中，所述M为自然数且M>3，动子铁心的数量远远多于定子铁心的数量，动子铁心的数量取决于电机轴向长度，当动子铁心很长时，可以采用两个以上的定子一起使用。所述N为自然数且N>1，定子齿与动子齿一一对应，磁路不饱和。

在X方向和Y方向上的定子齿13长度大于其他方向上的定子齿13长度，悬浮控制磁路和直线运动控制磁路相互隔离，悬浮控制磁通和励磁磁通仅经过X和Y方向的定子齿和动子齿形成闭合回路，对轴向直线运动无影响，控制简单。

三个定子铁心6的X方向和Y方向上安装有检测动子铁心径向位移的位移传感器，用于检测动子在X和Y方向偏移量。在X和Y方向上分别用连接体11将三个定子铁心6连为一体，做成长条块状，分别建立X和Y方向位移闭环控制系统，控制悬浮绕组电流，产生使动子稳定悬浮的悬浮力。

定子1、动子2均由导磁材料制成，本实施例中是采用铸铁做成，连接体11为非导磁材料制成。

同一定子铁心上的X方向恒流源绕组同向串联，由一个恒流源供电，同一定子铁心上的X方向悬浮绕组反向串联，由一个直流电源供电；同理，同一定子铁心上的Y方向恒流源绕组同向串联，由一个恒流源供电，同一铁心上的Y方向悬浮绕组反向串联，由一个直流电源供电。

以其中一个铁心为例来说明本发明的悬浮原理：

如图3，X方向恒流源绕组通电，在定子铁心、定子齿、动子铁心和动子齿中形成闭合的X方向恒流源磁通；如图4，X方向悬浮绕组通电，在定子铁心、定子齿、动子铁心和动子齿中形成闭合的X方向悬浮控制磁通；图3和图4的两个磁场相互叠加，在负X方向磁场相互减弱，在正X方向磁场相互增强，因此将产生指向正X方向的悬浮力。

如图5，X方向励磁绕组通电，在定子铁心、定子齿、动子铁心和动子齿中形成闭合的X方向励磁磁通；如图6，X方向悬浮绕组通电，在定子铁心、定子齿、动子铁心和动子齿中形成闭合的X方向悬浮控制磁通；图5和图6的两个磁场相互叠加，在负Y方向磁场相互减弱，在正Y方向磁场相互增强，因此将产生指向正Y方向的悬浮力。

本发明的直线运动原理：

在起始位置时，第n个动子铁心与外侧定子铁心正对齐，那么中间定子铁心右侧与第n+1个定子铁心左侧对齐，此时，外侧定子铁心中的轴向控制绕组断电，而中间的定子铁心中的轴向控制绕组通电，动子将向左移动A，继续将中间的定子铁心中的轴向控制绕组断电，而将内侧的定子铁心中的轴向控制绕组通电，动子将继续向左运动A，重复上述过程，动子将连续不断的像左运动；如需向右运动，则变换轴向控制绕组的通电顺序即可实现。如需精确定位，只需设计好齿距即可，如果动子较长，可由多个定子铁心一起配合使用，用于支撑动子稳定悬浮。

Claims (2)

1.一种恒流源励磁的磁悬浮磁阻直线电机，其特征是：包括定子（1）和动子（2），所述动子（2）包括动子轴（3），M个沿轴向排列的动子铁心（4）套接在动子轴（3）的周面上，M个动子铁心（4）周面的X和Y方向上设置有延伸整个动子轴长的矩形吸力盘（14）、其余周面上均布有4N个动子齿（5）；所述定子（1）包括三个定子铁心（6），所述定子铁心（6）为与动子（2）同轴线的空心圆柱形结构，动子（2）位于定子铁心（6）的内圈，所述定子铁心（6）的内周均布有4N+4定子齿（13），所述定子齿（13）与动子齿（5）及矩形吸力盘（14）一一对应设置，位于X方向和Y方向上的定子齿（13）上均绕制有恒流源绕组（7）和悬浮绕组（8），所述恒流源绕组（7）位于悬浮绕组（8）的内侧，其余的定子齿（13）上绕制轴向控制绕组（12），所述恒流源绕组（7）由恒流源供电、所述悬浮绕组（8）由直流电源供电；定子齿（13）的宽度和厚度以及动子齿（5）的宽度和厚度均为A，相邻定子铁心（6）之间的间距为A，相邻动子铁心（4）之间的间距为2A；所述M为自然数且M>3，所述N为自然数且N>1；所述定子（1）、动子（2）均由导磁材料制成，连接体（11）为非导磁材料制成。

2.根据权利要求2所述的一种恒流源励磁的磁悬浮磁阻直线电机，其特征是：在X方向和Y方向上的定子齿（13）长度大于其他方向上的定子齿（13）长度。