CN109713872B - 大推力线性电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种大推力线性电机，涉及线性电机技术领域。该电机主要包括初级、次级、电机架体及导向机构、动力输出结构，所述初级上分布有绕组或绕组及永磁体；所述的次级内侧分布有永磁体：所述初级和次级运动副有2对以上，或者初级和次级运动副结合面的横截面为闭合图形。次级分布在初级的周围；通过控制运动副初级上的绕组的电流，使运动副作相对运动，产生大推力和转矩。以解决现有技术中存在的体积大、推力小的技术问题，可以有效增大初级与次级的相对面积，有效增大线性电机的推力。该电机具有结构紧凑、体积小、输出推力和输出转矩大、响应速度快、应用广泛的特点。
Description
技术领域
本发明涉及直线电动机技术领域。
背景技术
直线电机自从被提出以来一直受到广泛关注，一般的直线运动是将旋转电机通过机械转换装置将旋转运动转换为直线运动实现的，直线电机的出现改变了这一现状，直线电机能够直接将电能转为直线运动的机械能，不需要中间的转换装置，从根本上消除了由中间转换装置产生的误差。
传统的直线电机存在推力密度不够高，在需要增大电机推力的同时电机的体积往往变化较大，不利于实现电机的小型化，同时传统的直线电机初级与次级之间通过导轨与滑块连接，运动过程中摩擦力较大，在大功率应用场合因摩擦产生的电能损耗也较大，此外传统的直线电机一般安装有光栅传感器等测量电机位置和速度的传感器，因此对电机的工作环境要求更加严格，不利于直线电机的广泛使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大推力线性电机，以解决现有技术中存在的体积大、推力小的技术问题，可以有效增大初级与次级的相对面积，有效增大线性电机的推力。该电机具有结构紧凑、体积小、输出推力和输出转矩大、响应速度快、应用广泛的特点。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：大推力线性电机，主要包括初级、次级、电机架体及导向机构、动力输出结构，所述初级上分布有初级绕组，或初级绕组及永磁体；所述的次级内侧分布有次级永磁体，以构成一对初级和次级运动副；通过控制初级上的初级绕组电流，使初级和次级之间作相对运动，产生推力和转矩；其特征在于：所述初级和次级运动副有2对以上，或者初级和次级运动副结合面的横截面为闭合图形；次级分布在初级的周围；通过控制运动副初级上的初级绕组的电流，使运动副作相对运动，产生大推力和转矩。
优选的，所述2对以上运动副构成平面结合型或曲面结合型。
优选的，所述2对以上运动副结构及推力关于初级轴直线为对称。
优选的，所述2对以上运动副为3个，均为外曲面结合型。
优选的，所述外曲面结合型，初级呈柱状，沿圆周方向间隔分布三个凹面和三个凸面，凹面内分布有初级铁心和初级绕组；初级铁心的外侧较宽、内侧较窄，使初级绕组可以紧靠初级的凹面；
初级绕组通过初级底部的外部电源引线孔与外部电源连接；
所述次级工作时的速度和位置通过无传感器方案得到。
优选的，导向机构为导向滚动机构；初级的每个凸面分布有两列滚珠第一列滚珠和第二列滚珠，第一列滚珠较短，第二列滚珠较长，第一列滚珠和第二列滚珠上端对齐，第一列滚珠和第二列滚珠分别镶嵌在两列凹槽中进行固定；与所述初级凸面对应的次级的每个凹面上分布有两列导槽第一列导槽和第二列导槽，第一列导槽与第一列滚珠对应，第二列导槽和第二列滚珠对应，第一列导槽和第二列导槽与第二列滚珠长度相同，第一列导槽和第二列导槽上端对齐，但是第一列导槽下端不开通，第二列导槽下端开通。
优选的，所述的动力输出结构为与次级连接的动力输出法兰盘；电机架体包括电机固定法兰盘。
优选的，所述的闭合图形为圆、椭圆、多边形、正方形、矩形或三角形等。
优选的，所述次级工作时的速度和位置通过无传感器方案得到。
优选的，无传感器方案包括外部电流传感器、信号采集电路和DSP数字控制器，与初级相连的外部电流传感器与信号采集电路相连，信号采集电路和DSP数字控制器相连，DSP数字控制器与电机驱动器相连，电机驱动器的输出与初级绕组相连。
本发明的原理是：当初级上的初级绕组中通入随时间变化的交流电流后，在初级绕组与次级永磁体之间的气隙空间中产生随时间变化的行波磁场，行波磁场沿电机中心轴方向做线性运动，次级上的次级永磁体在气隙中产生恒定的静磁场，运动的行波磁场与恒定的静磁场在气隙中相互作用产生沿线性运动的推力，推动电机次级作线性运动，通过设置在电机外部的电流传感器实时采集初级绕组中电流的变化，将电流的变化信号出入DSP数字控制器，通过DSP中的闭环控制算法实时计算电机需要的电流，将控制信号输入电机驱动器，电机驱动器根据控制信号输出电机需要的电流，实现闭环控制。
与传统的直线电机相比本发明中线性电机的特殊结构增大了电机体积的利用率，增大了电机的推力密度，有利于缩小同等推力下直线电机的体积，此外，将本发明中线性电机的初级和次级设计成具有一定的弧度，则本发明中的线性电机也可以进行曲线运动，曲线运动的原理与直线运动的原理相同，只需要在DSP数字控制器中写入与曲线运动匹配的控制算法，改变绕组的通电策略。本发明中的线性电机可以应用到机器人领域，增加机器人手臂的自由度和负载能力，本发明中的线性电机也可以应用到自动化工厂中的机械臂，传统的机械臂实现直线运动需要多个关节协调配合，本发明中的线性电机可以取代这一过程，不需要多关节协调，直接进行直线运动。本发明中的线性电机也可以应用到贴片机中，在保证精度的同时进一步减小三轴直线运动执行机构的体积。本发明中线性电机的基础上，将初级和次级设计为具有一定弧度后可以应用到绕固定轴旋转的执行机构中。
本发明的技术效果是：本发明的目的在于提供一种大推力线性电机，以解决现有技术中存在的体积大、推力小的技术问题，可以有效增大初级与次级的相对面积，有效增大线性电机的推力。该电机具有结构紧凑、体积小、输出推力和输出转矩大、响应速度快、应用广泛的特点。
这种结构的线性电机不仅能够保证次级在运动过程中可以稳定运行，而且可以有效增加相同体积电机下线性运动的推力，与传统直线电机相比增大了电机的推力密度，运行精度高、磨损小、输出转矩大，静态和动态性能好。有利于实现电机的小型化。
该电机结构简单紧凑，推力密度大，控制简单，与传统的实现相同功能的方案相比体积更小，由于电机运动部分采用滚动连接，与大部分采用滑动连接的电机相比摩擦阻力更小，能量损耗更少，采用该电机对制造装备进行升级，不仅可以降低成本，而且能够提高效率，由于电机采用无传感器控制方案，电机内部没有设置传感器，因此电机结构简单、可靠性更高，应用范围更广，更新和维护更加方便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个较佳实施例的立体结构示意图。
图2为图1的剖面图。
图3为图2中初级1的立体结构示意图。
图4为图3中外部电源引线孔的位置分布立体结构示意图。
图5为图3中初级绕组10的立体结构示意图。
图6为图2中次级3的立体结构示意图。
图7为三分之一次级3的立体结构示意图。
图8为初级1和次级3装配后的俯视图。
图9为图2中动力输出法兰盘4的立体结构示意图。
图10为图6中次级插销5的立体结构示意图。
图11为图2中电机固定法兰盘6的立体结构示意图。
图12为线性电机控制流程图。
图中各标号含义：
1—初级，2—动力输出法兰盘与次级固定螺栓，3—次级，4—动力输出法兰盘，5—次级(底部)插销，6—电机固定法兰盘，7—次级永磁体，8—插销与次级固定螺孔，9—初级铁心，10—初级绕组，11a—第一列滚珠，11b—第二列滚珠，12—外部电源引线孔，13a—第一列导槽，13b—第二列导槽，14—次级与法兰盘固定螺孔。
具体实施方式
附图仅用于对示例进行说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图中某些部件可能会存在省略、放大或缩小，对本专业的人员来说附图中存在的省略、放大或缩小使可以理解的。以下结合附图，对本专利进行详细说明。
参阅附图1-附图2。作为一种具体的实施方式。本发明采用的技术方案是：
大推力线性电机，主要包括初级1、次级3、电机架体及导向机构、动力输出结构，所述初级1上分布有初级绕组10，或初级绕组10及永磁体；所述的次级3内侧分布有次级永磁体7，以构成一对初级1和次级3运动副；通过控制初级1上初级绕组10的电流，使初级1和次级3之间作相对运动，产生推力和转矩；其特征在于：所述初级1和次级3运动副有2对以上，或者初级1和次级3运动副结合面的横截面为闭合图形；次级3分布在初级1的周围；通过控制运动副初级1上的初级绕组10的电流，使运动副作相对运动，产生大推力和转矩。
本发明解决现有技术中存在的体积大、推力小的技术问题，可以有效增大初级1与次级3的相对面积，有效增大直线电机的推力。该电机具有结构紧凑、体积小、输出推力和输出转矩大、响应速度快、应用广泛的特点。
作为一种具体的实施方式。优选的，所述2对以上运动副构成平面结合型或曲面结合型。
作为一种具体的实施方式。优选的，所述2对以上运动副结构及推力关于初级1轴直线为对称。
作为一种具体的实施方式。所述2对以上运动副结构及推力关于初级1也可不为对称。即初级1的轴也可为弧线或曲线，该弧线或曲线可为刚型曲线或柔性曲线。
作为一种具体的实施方式。优选的，所述2对以上运动副为3个，均为外曲面结合型(见附图所示)。以增大结合面和推力。
作为一种具体的实施方式。优选的，所述外曲面结合型，初级1呈柱状，沿圆周方向间隔分布三个凹面和三个凸面，凹面内分布有初级铁心9和初级绕组10；初级铁心9的外侧较宽、内侧较窄，使初级绕组10可以紧靠初级1的凹面；与传统的圆筒形直线电机相比，所述电机中直线电机部分的初级1设计成具有三个凹面的形状，可以有效增大初级1与次级3的相对面积，有效增大直线电机的推力。其结构简单，使用性好。
作为一种具体的实施方式。初级绕组10通过初级1底部的外部电源引线孔12与外部电源连接；
作为一种具体的实施方式。所述次级3工作时的速度和位置通过无传感器方案得到。
作为一种具体的实施方式。优选的，导向机构为导向滚动机构；初级1的每个凸面分布有两列滚珠第一列滚珠11a和第二列滚珠11b，第一列滚珠11a较短，第二列滚珠11b较长，第一列滚珠11a和第二列滚珠11b上端对齐，第一列滚珠11a和第二列滚珠11b分别镶嵌在两列凹槽中进行固定；与所述初级1凸面对应的次级3的每个凹面上分布有两列导槽第一列导槽13a和第二列导槽13b，第一列导槽13a与第一列滚珠11a对应，第二列导槽13b和第二列滚珠11b对应，第一列导槽13a和第二列导槽13b与第二列滚珠11b长度相同，第一列导槽13a和第二列导槽13b上端对齐，但是第一列导槽13a下端不开通，第二列导槽13b下端开通。
保证了次级3在整个行程内平稳运行，此外第二列滚珠11b与第二列导槽13b也具有上端机械限位的作用。
作为一种具体的实施方式。优选的，所述的动力输出结构为与次级3连接的动力输出法兰盘4；电机架体包括电机固定法兰盘6。
作为一种具体的实施方式。优选的，所述的闭合图形为圆、椭圆、多边形、正方形、矩形或三角形等。
作为一种具体的实施方式。优选的，所述次级3工作时的速度和位置通过无传感器方案得到。
作为一种具体的实施方式。优选的，无传感器方案包括外部电流传感器、信号采集电路和DSP数字控制器，与初级1相连的外部电流传感器与信号采集电路相连，信号采集电路和DSP数字控制器相连，DSP数字控制器与电机驱动器相连，电机驱动器的输出与初级绕组10相连。
作为一种具体的实施方式。优选的，动力输出结构为与次级3连接的动力输出法兰盘4；电机架体包括电机固定法兰盘6。
作为一种具体的实施方式。优选的，所述的闭合图形为圆或多边形。
作为一种具体的实施方式。优选的，所述次级3工作时的速度和位置通过无传感器方案得到。
作为一种具体的实施方式。优选的，无传感器方案包括外部电流传感器、信号采集电路和DSP数字控制器，与初级1相连的外部电流传感器与信号采集电路相连，信号采集电路和DSP数字控制器相连，DSP数字控制器与电机驱动器相连，电机驱动器的输出与初级绕组10相连。
为了便于安装，在所述3组导槽的下端设置有三个次级(底部)插销5，在安装时先将次级3的次级(底部)插销5取下，将次级3套入初级1内，然后将次级(底部)插销5通过插销与次级固定螺孔8固定到次级3上。
所述初级1通过螺纹与电机固定法兰盘6连接。所述次级3在运动过程中通过无传感器方案实现其位置和速度的测量。
所述次级3上端通过次级与法兰盘固定螺孔14与动力输出法兰盘4固定连接，以便于实现动力输出。
工作时，如图2中给初级1上的线圈通入频率和有效值符合要求的交流电，线圈的周围产生行波磁场。贴装在次级3内侧的永磁体7在空间产生静磁场，行波磁场与静磁场产生相对运动，使次级3上产生推力并做线性运动。由于位于次级3内侧的第一列导槽13a下端不贯通，所以当第一列滚珠11a运动到第一列导槽13a下端封闭位置时，次级3受到机械限位的作用。由于线性运动部分采用无位置传感器闭环控制，所以初级1和次级3上没有设置传感器，在电机外部与绕组线圈连接的电路上设置有电流传感器，通过采集电流传感器实时的电流变化，在DSP数字控制器中进行无位置传感器控制算法的实时计算并输出需要的控制信号，电机驱动器接收控制信号并将驱动电流输入大推力线性电机，实现电机的闭环控制。
所述无传感器方案由外部电流传感器、信号采集电路和DSP数字控制器实现。与电机初级绕组10连接的外部电流传感器检测到初级绕组10中的电流，将电流信号输入到DSP数字控制器，通过无位置传感器算法计算得到次级3的速度和位置并输出控制电流信号，电机驱动器接收电流信号，并输出大推力线性电机需要的驱动电流，实现大推力线性电机的无传感器控制。
未述及部分本专业技术人员均可实施。
上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，依然可以在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述方案进行变化、修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.大推力线性电机，主要包括初级(1)、次级(3)、电机架体及导向机构、动力输出结构，所述初级(1)上分布有初级绕组(10)，或初级绕组(10)及永磁体；所述的次级(3)内侧分布有次级永磁体(7)，以构成一对初级(1)和次级(3)运动副；通过控制初级(1)上的初级绕组(10)电流，使初级(1)和次级(3)之间作相对运动，产生推力和转矩；其特征在于：所述初级(1)和次级(3)运动副有2对以上，或者初级(1)和次级(3)运动副结合面的横截面为闭合图形；次级(3)分布在初级(1)的周围；通过控制运动副初级(1)上的初级绕组(10)的电流，使运动副作相对运动，产生大推力和转矩；
所述2对以上运动副为3个，均为外曲面结合型；
所述外曲面结合型，初级(1)呈柱状，沿圆周方向间隔分布三个凹面和三个凸面，凹面内分布有初级铁心(9)和初级绕组(10)；初级铁心(9)的外侧较宽、内侧较窄，使初级绕组(10)可以紧靠初级(1)的凹面；初级绕组(10)通过初级(1)底部的外部电源引线孔(12)与外部电源连接；述次级(3)工作时的速度和位置通过无传感器方案得到。
2.如权利要求1所述的大推力线性电机，其特征在于：导向机构为导向滚动机构，初级(1)的每个凸面分布有两列滚珠第一列滚珠(11a)和第二列滚珠(11b)，第一列滚珠(11a)较短，第二列滚珠(11b)较长，第一列滚珠(11a)和第二列滚珠(11b)上端对齐，第一列滚珠(11a)和第二列滚珠(11b)分别镶嵌在两列凹槽中进行固定；与所述初级(1)凸面对应的次级(3)的每个凹面上分布有两列导槽第一列导槽(13a)和第二列导槽(13b)，第一列导槽(13a)与第一列滚珠(11a)对应，第二列导槽(13b)和第二列滚珠(11b)对应，第一列导槽(13a)和第二列导槽(13b)与第二列滚珠(11b)长度相同，第一列导槽(13a)和第二列导槽(13b)上端对齐，但是第一列导槽(13a)下端不开通，第二列导槽(13b)下端开通。
3.如权利要求1所述的大推力线性电机，其特征在于：所述的动力输出结构为与次级(3)连接的动力输出法兰盘(4)；电机架体包括电机固定法兰盘(6)。
4.如权利要求1-3中任一项所述的大推力线性电机，其特征在于：无传感器方案包括外部电流传感器、信号采集电路和DSP数字控制器，与初级(1)相连的外部电流传感器与信号采集电路相连，信号采集电路和DSP数字控制器相连，DSP数字控制器与电机驱动器相连，电机驱动器的输出与初级绕组(10)相连。
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