CN111564947A - 一种无铁芯圆弧直线电机和驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无铁芯圆弧直线电机和驱动装置，包括初级，包括初级安装件和组合线圈，所述初级安装件呈圆弧状，所述组合线圈与所述初级安装件连接，所述组合线圈包括3n个线圈组件，n为正整数，3n个所述线圈组件组合在一起形成所述组合线圈，所述线圈组件彼此绝缘；次级，包括次级安装件和磁钢，所述次级安装件呈圆弧状，所述磁钢与所述次级安装件连接。将直线电机的直线运动变成圆弧运动，兼具了力矩电机和直线电机的优点，相比于采用全尺寸力矩电机的方式，降低了驱动系统复杂程度，简化了安装工艺，提高了精度，减少了系统成本，加工工艺更为简单。

Description

一种无铁芯圆弧直线电机和驱动装置

技术领域

本发明用于直线电机领域，特别是涉及一种无铁芯圆弧直线电机和驱动装置。

背景技术

对于大盘面的加工设备和检测设备，例如重型机床工作分度台、超宽面板的检测设备等，其驱动装置是目前的一个主要技术瓶颈。此类设备的工作分度台，工作台盘面直径大多超过1米，甚至高达几米。对于这类设备，其分度工作台的支撑多采用液静压轴承支撑，其驱动方式目前主要有两种：一种是采用超大外形的力矩电机进行直接驱动；另一种是采用外部伺服电机加齿轮齿条的间接驱动方式。

两种驱动方案都存在一些劣势：

对于超大力矩电机进行直接驱动，虽说直接驱动能够提高精度、传递效率，拥有良好的精度保持性，但是超大的力矩电机成本极高，因为不仅需要耗费大量的稀土永磁体，还有很复杂的铁芯和线圈生产工艺；另外一方面，如此大直径的力矩电机由于转子超强的磁吸力导致装配非常困难，生产效率低下。

对于采用外部伺服电机加齿轮齿条的方式，一方面，齿轮齿条存在该传动方式固有的磨损，需要定期校准补偿，但此类设备的维护相当复杂，维护费用很高，每一次的维修都是非常大的工程；另一方面，齿轮齿条的加工精度直接限制了设备的精度，由于其间接传动的性质，安装误差导致的精度损失也不可避免。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种无铁芯圆弧直线电机和驱动装置，该直线电机精度高，安装简单，运行平稳，可以进行分块拼装，解决了大盘面设备的驱动问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

第一方面，一种无铁芯圆弧直线电机，包括

初级，包括初级安装件和组合线圈，所述初级安装件呈圆弧状，所述组合线圈与所述初级安装件连接，所述组合线圈包括3n个线圈组件，n为正整数，3n个所述线圈组件组合在一起形成所述组合线圈，所述线圈组件彼此绝缘；

次级，包括次级安装件和磁钢，所述次级安装件呈圆弧状，所述磁钢与所述次级安装件连接。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，3n个所述线圈组件采用交叠布置形成所述组合线圈。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述组合线圈包括第一线圈组件、第二线圈组件和第三线圈组件，所述第一线圈组件、第二线圈组件和第三线圈组件均具有左边、右边、上边和下边，所述左边、右边、上边和下边形成具有中空空间的框形结构，所述第一线圈组件、第二线圈组件和第三线圈组件依次排列，所述第二线圈组件的左边和第三线圈组件的左边嵌入所述第一线圈组件的中空空间，所述第一线圈组件的右边和第三线圈组件的左边嵌入所述第二线圈组件的中空空间，所述第一线圈组件的右边和第二线圈组件的右边嵌入所述第三线圈组件的中空空间。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述初级安装件设有呈圆弧形的沟槽，所述组合线圈通过灌封胶封装在所述沟槽。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述沟槽的底部设有若干卡槽。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述沟槽内设有第一线孔和第二线孔，还包括动力线缆和传感器线缆，所述动力线缆穿过所述第一线孔与所述线圈组件连接，所述传感器线缆穿过所述第二线孔与设在所述组合线圈中的传感器连接。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述次级安装件包括支撑板和两块安装板，两块所述安装板相向分布，所述支撑板连接在两块所述安装板之间，并使两块所述安装板之间形成与所述组合线圈配合的间隙，两块所述安装板均安装若干所述磁钢。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，同一所述安装板的相邻的磁钢的极性不同，两所述安装板上正对分布的磁钢正对的磁极的极性不同。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述初级沿圆弧的半径方向位于所述次级的内侧或外侧。

第二方面，驱动装置，包括多个第一方面任一实现方式所述无铁芯圆弧直线电机，多个所述无铁芯圆弧直线电机分布在同一圆周上。

上述技术方案中的一个技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：初级内通入电流后，会在空间形成圆周行进磁场，与次级磁钢形成的磁场相互作用产生电机推力，固定初级(次级)，次级(初级)即会由于推力的作用沿着圆弧的方向运动。

将直线电机的直线运动变成圆弧运动，相比于采用全尺寸力矩电机的方式，降低了驱动系统复杂程度，简化了安装工艺，提高了精度，减少了系统成本，加工工艺更为简单。

本直线电机采用无铁芯初级结构，消除了铁芯开槽引起的齿槽效应，减小了由此带来的推力波动分量，能够达到抑制电机推力波动的效果，使低速运动更加平稳，而且无初次级间磁吸力，装配简单方便，而且不会增加设备的承载。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明无铁芯圆弧直线电机的一个实施例结构示意图；

图2是图1所示的一个实施例的初级结构示意图；

图3是图1所示的一个实施例的组合线圈结构示意图；

图4是图1所示的一个实施例的第一线圈组件结构示意图；

图5是图1所示的一个实施例的第二线圈组件结构示意图；

图6是图1所示的一个实施例的初级安装件结构示意图；

图7是图1所示的一个实施例的次级结构示意图；

图8是图1所示的一个实施例的磁钢结构示意图；

图9是图1所示的一个实施例的次级受力分析图；

图10是本发明无铁芯圆弧直线电机的另一个实施例结构示意图；

图11是本发明驱动装置的一个实施例结构示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明中，如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，其仅是为了便于描述本发明的技术方案，而不是指示或暗示所指的技术特征必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明中，“若干”的含义是一个或者多个，“多个”的含义是两个以上，“大于”“小于”“超过”等理解为不包括本数；“以上”“以下”“以内”等理解为包括本数。在本发明的描述中，如果有描述到“第一”“第二”仅用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明中，除非另有明确的限定，“设置”“安装”“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接，也可以是电连接或能够互相通讯；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参见图1、图10，本发明的实施例提供了一种无铁芯圆弧直线电机，包括初级1和次级2，初级1和次级2均呈圆弧形，初级1沿圆弧的半径方向位于次级2的内侧或外侧。初级1内通入电流后，会在空间形成圆周行进磁场，与次级2磁钢22形成的磁场相互作用产生电机推力，固定初级1(次级2)，次级2(初级1)即会由于推力的作用沿着圆弧的方向运动。其中，无铁芯圆弧直线电机采用模块化设计，可根据不同的行程要求，增加和减少次级2的数量，即通过模块化设计可扩充电机运行范围。

参见图2，初级1包括初级安装件12和组合线圈11，初级安装件12呈圆弧状，组合线圈11设置一个或多个，组合线圈11与初级安装件12连接，形成圆弧直线电机的初级1。参见图3，组合线圈11包括3n个线圈组件，n为正整数，3n个线圈组件组合在一起形成组合线圈11，即组合线圈11可以由3个、6个、9个……线圈组件组合形成。组合线圈11内部不设置铁芯，线圈组件彼此绝缘。本直线电机采用无铁芯初级1结构，消除了铁芯开槽引起的齿槽效应，减小了由此带来的推力波动分量，能够达到抑制电机推力波动的效果，使低速运动更加平稳，而且无初次级间磁吸力，装配简单方便，而且不会增加设备的承载。

3n个线圈组件可采用沿圆弧方向依次排列、全部或部分重叠、交叠布置等方式形成组合线圈11。例如在图3所示的实施例中，组合线圈11包括第一线圈组件111、第二线圈组件112和第三线圈组件113，参见图4、图5，第一线圈组件111、第二线圈组件112和第三线圈组件113均具有左边、右边、上边和下边，左边、右边、上边和下边形成具有中空空间的框形结构，例如，参见图4，第一线圈组件111具有左边1111、右边1114、上边1112和下边1115，内部限定出中空空间1113。再例如，参见图5，第二线圈组件112具有左边1121、右边1124、上边1122和下边1125，内部限定出中空空间1123。

参见图4，第一线圈组件111的上端和下端均向后侧弯折，以保证在与其他线圈组件连接时，避免上边和下边造成干扰。其中，第一线圈组件111和第三线圈组件113的形状相同，方向相反。

参见图3，第一线圈组件111、第二线圈组件112和第三线圈组件113依次排列，即第二线圈组件112位于第一线圈组件111和第三线圈组件113之间，第二线圈组件112的左边和第三线圈组件113的左边嵌入第一线圈组件111的中空空间1113，第一线圈组件111的右边和第三线圈组件113的左边嵌入第二线圈组件112的中空空间1123，第一线圈组件111的右边和第二线圈组件112的右边嵌入第三线圈组件113的中空空间，三个线圈组件交叠在一起，形成组合线圈11。上述叠式绕组相比集中绕组，在有限的空间能够容纳更多线圈，能够产生更大的推力，极大增加了直线电机的推力密度，增加了电机的推力范围。同时，其采用无铁芯的设计，极大地减少了电机运行时的推力波动。同时该结构，直线电机的初级1与次级2间不存在磁性吸力，装配简单方便，而且不会增加设备的承载。

初级安装件12为组合线圈11提供安装载体，并进一步通过在初级安装件12上设置初级安装孔121，用于将初级1固定。组合线圈11与初级安装件12可采用粘接、夹紧、紧固件连接等多种方式固定连接。参见图6，在一些实施例中，初级安装件12设有呈圆弧形的沟槽，参见图2，组合线圈11通过灌封胶15封装在沟槽，灌封胶15实现固结的同时，为组合线圈11提供支撑、保护和散热。

进一步的，参见图6，沟槽的底部设有若干卡槽123。灌封胶15用于将组合线圈11和初级安装件12封装为一体，卡槽123的设置能够达到更高的连接强度。

参见图2、图6，无铁芯圆弧直线电机还包括动力线缆13和传感器线缆14，沟槽内设有第一线孔125和第二线孔124，动力线缆13穿过第一线孔125与线圈组件连接，用于为线圈供电，传感器线缆14穿过第二线孔124与设在组合线圈11中的传感器连接，用于实时监测组合线圈11的温度等信息。第一线孔125和第二线孔124分别位于沟槽槽底的边角位置，在灌封胶15封装组合线圈11的同时，也将动力线缆13和传感器线缆14固定、封装，密封性、稳固性更佳。

参见图7，次级2包括次级安装件21和磁钢22，次级安装件21呈圆弧状，磁钢22与次级安装件21连接，磁钢22在次级安装件21上设置一个或多个，当设置多个磁钢22时，多个磁钢22在次级安装件21上沿圆弧方向排列，用于与线圈组件形成的磁场相互配合，以提供沿圆弧方向的驱动力。

次级安装件21作为磁钢22的支撑结构，可采用安装板、安装架、安装块等多种结构形式，例如在图7所示的实施例中，次级安装件21包括支撑板23和两块安装板，两块安装板均呈圆弧形，两块安装板相向分布，支撑板23连接在两块安装板之间，并使两块安装板之间形成与组合线圈11配合的间隙。安装板和支撑板23的相同位置设有次级安装孔211，用于安装整个次级2。两块安装板均安装若干磁钢22，磁钢22位于安装板表面或嵌在安装板内部。参见图8，磁钢22呈圆弧形状，磁钢22左右两侧边缘构成的角度与安装板的角度相同。可以理解的是，磁钢22还可以设计呈矩形圆形等任意形状。

其中，同一安装板的相邻的磁钢22的极性不同，两安装板上正对分布的磁钢22正对的磁极的极性不同。两块安装板上均设置磁钢22，使次级2具有至少双排磁钢22。次级2通过采用双排磁钢22的设计，增加了气隙磁场的磁通密度，减小了电机电流，减小了电机发热，提高了设备精度。

参见图11，本发明的实施例提供了一种驱动装置，驱动装置包括多个以上任一实施例所述的无铁芯圆弧直线电机，多个无铁芯圆弧直线电机分布在同一圆周上。该驱动装置可以满足大盘面加工设备和检测设备等大型特殊设备的转动驱动，参见图9，直线电机初级1内通入电流后，会在空间形成圆周行进磁场，与次级2磁钢22形成的磁场相互作用产生电机推力，其切向分力相互叠加，多个无铁芯圆弧直线电机的法向分力相互抵消。固定初级1(次级2)，次级2(初级1)即会由于推力的作用沿着圆弧的方向运动。

需要更大推力时，可以采用多个无铁芯圆弧直线电机均匀或非均匀分布安装，不仅能成倍增加驱动装置的输出推力，并且进一步减小系统的波动。

本发明的实施例将传统直线电机变换成圆弧的形式，可以克服传统直线电机只能进行直线运动的缺点，能够满足一些特定场合的应用，尤其是大盘面加工设备和检测设备的旋转伺服进给。不仅能够获得高的精度，还能长久保持该精度。而且，通过不同次级2数量的拼接方式可以扩展圆弧直线电机的运行范围，还可以增加圆弧直线电机的数量与分布，可以成倍增加推力，不仅能够适应更大推力的要求，还能够减少单边作用导致的盘面倾覆现象，保证工作盘面运行的平面精度，提高系统寿命。相比于采用全尺寸力矩电机的方式，不仅成本更为低廉，加工工艺更为简单，安装也大大简化了。

在本说明书的描述中，参考术语“示例”、“实施例”或“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种无铁芯圆弧直线电机，其特征在于：包括

初级，包括初级安装件和组合线圈，所述初级安装件呈圆弧状，所述组合线圈与所述初级安装件连接，所述组合线圈包括3n个线圈组件，n为正整数，3n个所述线圈组件组合在一起形成所述组合线圈，所述线圈组件彼此绝缘；

次级，包括次级安装件和磁钢，所述次级安装件呈圆弧状，所述磁钢与所述次级安装件连接。

2.根据权利要求1所述的无铁芯圆弧直线电机，其特征在于：3n个所述线圈组件采用交叠布置形成所述组合线圈。

3.根据权利要求2所述的无铁芯圆弧直线电机，其特征在于：所述组合线圈包括第一线圈组件、第二线圈组件和第三线圈组件，所述第一线圈组件、第二线圈组件和第三线圈组件均具有左边、右边、上边和下边，所述左边、右边、上边和下边形成具有中空空间的框形结构，所述第一线圈组件、第二线圈组件和第三线圈组件依次排列，所述第二线圈组件的左边和第三线圈组件的左边嵌入所述第一线圈组件的中空空间，所述第一线圈组件的右边和第三线圈组件的左边嵌入所述第二线圈组件的中空空间，所述第一线圈组件的右边和第二线圈组件的右边嵌入所述第三线圈组件的中空空间。

4.根据权利要求1、2或3所述的无铁芯圆弧直线电机，其特征在于：所述初级安装件设有呈圆弧形的沟槽，所述组合线圈通过灌封胶封装在所述沟槽。

5.根据权利要求4所述的无铁芯圆弧直线电机，其特征在于：所述沟槽的底部设有若干卡槽。

6.根据权利要求4所述的无铁芯圆弧直线电机，其特征在于：所述沟槽内设有第一线孔和第二线孔，还包括动力线缆和传感器线缆，所述动力线缆穿过所述第一线孔与所述线圈组件连接，所述传感器线缆穿过所述第二线孔与设在所述组合线圈中的传感器连接。

7.根据权利要求1所述的无铁芯圆弧直线电机，其特征在于：所述次级安装件包括支撑板和两块安装板，两块所述安装板相向分布，所述支撑板连接在两块所述安装板之间，并使两块所述安装板之间形成与所述组合线圈配合的间隙，两块所述安装板均安装若干所述磁钢。

8.根据权利要求7所述的无铁芯圆弧直线电机，其特征在于：同一所述安装板的相邻的磁钢的极性不同，两所述安装板上正对分布的磁钢正对的磁极的极性不同。

9.根据权利要求1所述的无铁芯圆弧直线电机，其特征在于：所述初级沿圆弧的半径方向位于所述次级的内侧或外侧。

10.驱动装置，其特征在于：包括多个权利要求1～9中任一项所述无铁芯圆弧直线电机，多个所述无铁芯圆弧直线电机分布在同一圆周上。

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