CN112072888A - 直线电机 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种直线电机。该直线电机包括定子和动子，动子与定子之间形成电机气隙(1)，动子能够相对于定子呈直线运动，在垂直于动子的运动方向的横截面上，电机气隙(1)包括折线段和/或曲线段。根据本申请的直线电机，能够有效加大直线电机的输出推力，加大直线电机的推重比和单位体积的推力。

Description

直线电机

技术领域

本申请涉及电机技术领域，具体涉及一种直线电机。

背景技术

传统直线运动采用“旋转电机+滚珠丝杠”的结构，利用丝杠结构将旋转电机旋转方向的运动转换为应用所需的直线运动，但是这种传动方式存在着诸多问题。随着相关技术的进步，近些年重新兴起的直线伺服电机(以下简称“直线电机”)有效地解决了“旋转电机+滚珠丝杠”结构的问题：直线电机没有丝杠，所以不受丝杠的限制，直线电机的运动长度、最大速度、最大加速度、绝对精度、重复精度等更高更优。直线电机的工作原理可以简单理解为，将旋转电机沿半径切开并拉成直线，定子部分成为定子，移动的转子部分成为动子，定子或动子有一者沿运动方向延长。

与旋转电机的输出扭矩类似，直线电机输出推力是直线电机的核心选型指标，特别是单位体积、单位重量内的推力，更是直线电机性能的重要评价指标。目前，国内外主流的直线电机均采用永磁体表贴式励磁，该种直线电机如图1所示，包括定子永磁体1’、动子铁芯2’和气隙3’，当电机规格确定之后，电机的宽度就已经确定，此时动子铁芯2’以及相配合的定子永磁体1’的宽度也相应确定，定子永磁体1’的尺寸受到电机宽度L的限制，无法增大，因此导致电机推力受限。

发明内容

因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种直线电机，能够有效加大直线电机的输出推力，加大直线电机的推重比和单位体积的推力。

为了解决上述问题，本申请提供一种直线电机，包括定子和动子，动子与定子之间形成电机气隙，动子能够相对于定子呈直线运动，在垂直于动子的运动方向的横截面上，电机气隙包括折线段和/或曲线段。

优选地，定子包括定子永磁体，动子包括动子铁芯，定子永磁体具有与动子铁芯相配合的第一配合表面，动子铁芯具有与定子永磁体相配合的第二配合表面，第一配合表面和第二配合表面相适配，形成电机气隙。

优选地，定子还包括定子基板，定子永磁体安装在定子基板上。

优选地，定子基板上设置有安装槽，安装槽与定子永磁体的安装面结构相适配。

优选地，动子还包括动子绕组，动子绕组绕设在动子铁芯上。

优选地，第一配合表面凹陷，第二配合表面凸起。

优选地，电机气隙关于动子的纵向中平面对称。

优选地，电机气隙呈V形、W形、梯形或弧形。

优选地，电机气隙呈V形时，在垂直于动子的运动方向的横截面上，V形电机气隙的侧边与动子的纵向中平面之间形成夹角α，其中0°＜α＜90°。

优选地，电机气隙呈弧形时，在垂直于动子的运动方向的横截面上，弧形电机气隙的弦长为L，弧长为C，弧长C与弦长L之比为β，其中1＜β≤π/2。

优选地，在垂直于动子的运动方向的横截面上，第二配合表面呈V形、W形、梯形或弧形。

优选地，在垂直于动子的运动方向的横截面上，电机气隙的两端为倾斜段，倾斜段从动子铁芯的侧边缘向着靠近定子永磁体的方向斜向延伸。

本申请提供的直线电机，包括定子和动子，动子与定子之间形成电机气隙，动子能够相对于定子呈直线运动，在垂直于动子的运动方向的横截面上，电机气隙包括折线段和/或曲线段。该直线电机改变了电机气隙结构，使得电机气隙的面积得到有效增大，在其他条件相同的情况下，可以突破电机宽度限制，使得形成电机气隙的动子和定子的配合面面积增大，气隙面积增大，所形成的直线电机的永磁体尺寸增大，永磁体磁能积增大，因此能够使得直线电机的输出推力增大，推重比增大，单位体积的推力增大，并减小法向力，提高直线电机的工作能力。

附图说明

图1为现有技术中的直线电机的剖视结构图；

图2为本申请实施例的直线电机的立体结构图；

图3为本申请一个实施例的直线电机的剖视结构图；

图4为本申请另一个实施例的直线电机的剖视结构图；

图5为本申请另一个实施例的直线电机的剖视结构图。

附图标记表示为：

1、电机气隙；2、定子永磁体；3、动子铁芯；4、第一配合表面；5、第二配合表面；6、定子基板；7、动子绕组；8、动子安装座。

具体实施方式

结合参见图2至图5所示，根据本申请的实施例，直线电机包括定子和动子，动子与定子之间形成电机气隙1，动子能够相对于定子呈直线运动，在垂直于动子的运动方向的横截面上，电机气隙1包括折线段和/或曲线段。

该直线电机改变了电机气隙结构，使得电机气隙1的面积得到有效增大，在其他条件相同的情况下，可以突破电机宽度限制，使得形成电机气隙的动子和定子的配合面面积增大，气隙面积增大，所形成的直线电机的永磁体尺寸增大，永磁体磁能积增大，因此能够使得直线电机的输出推力增大，推重比增大，单位体积的推力增大，并减小法向力，提高直线电机的工作能力。

定子包括定子永磁体2，动子包括动子铁芯3，定子永磁体2具有与动子铁芯3相配合的第一配合表面4，动子铁芯3具有与定子永磁体2相配合的第二配合表面5，第一配合表面4和第二配合表面5相适配，形成电机气隙1。

在本实施例中，以动圈式直线电机为例，直线电机的动子铁芯3由软磁材料薄片叠压而成，定子永磁体2由硬磁材料永磁体表贴或内嵌组成。直线电机的动子铁芯3与定子永磁体2之间的空气间隙，形成电机气隙1；将动子绕组7的交变磁场引向电机气隙1的软磁材料叠片部分，形成动子铁芯3的齿部；定子永磁体2与电机气隙1相交的部分，形成定子励磁部。在垂直于电机运动方向的横截面上，动子铁芯3的齿部与定子永磁体2的定子励磁部配合形成曲线形或折线形的电机气隙1。电机气隙1也可以为曲线或者折线的结合结构，也即在垂直于电机运动方向的横截面上，电机气隙1可以部分呈现为曲线形，部分呈现为折线形。

定子还包括定子基板6，定子永磁体2安装在定子基板6上。定子永磁体2为多个，并且沿着动子的运动方向间隔设置。

定子基板6上设置有安装槽，安装槽与定子永磁体2的安装面结构相适配，使得定子永磁体2可以稳定地安装在安装槽内。其中定子永磁体2可以表贴在定子基板6的表面，形成表贴式永磁体，也可以嵌设在定子基板6内，或者是采用绕组励磁式定子结构，在本实施例中，定子永磁体2采用表贴式方式安装在定子基板6上。

动子还包括动子绕组7，动子绕组7绕设在动子铁芯3上。动子还包括动子安装座8，动子铁芯3安装在动子安装座8上。动子铁芯3为多个，并且沿着动子铁芯3的运动方向间隔安装在动子安装座8上，每个动子铁芯3上均缠绕有动子绕组7。

在本实施例中，第一配合表面4凹陷，第二配合表面5凸起。在垂直于动子的运动方向的横截面上，第二配合表面5呈V形、W形、梯形或弧形。

其中第一配合表面4为定子永磁体2的励磁部表面，第二配合表面5为动子铁芯3的齿部表面，动子铁芯3的齿部凸出，定子永磁体2的励磁部表面凹陷，使得动子铁芯3能够具有更加良好的磁力线聚集效应，从而能够利用动子铁芯3的该特性有效增大直线电机推力，提高直线电机的工作性能。

在其中一个实施例中，电机气隙1关于动子的纵向中平面对称，能够使得电机气隙1两侧所形成的直线电机推力更加平衡，保证动子与定子之间配合结构的稳定性，提高直线电机工作过程中的稳定性和可靠性。

电机气隙1可以呈V形、W形、梯形或弧形。

在其中一个实施例中，当电机气隙1呈V形时，在垂直于动子的运动方向的横截面上，V形电机气隙1的侧边与动子的纵向中平面之间形成夹角α，其中0°＜α＜90°。作为一个可选的实施例，30°≤α＜90°。

通过本申请的气隙结构设计，能够使定子永磁体2在电机的宽度尺寸不变的情况下，增大定子永磁体2的尺寸和气隙面积，进而增大输出推力、推重比和单位体积的推力。以V形结构为例，形成V形电机气隙1的定子永磁体2和动子铁芯3的配合面均呈V形，定子永磁体2的侧边与动子的纵向中平面之间形成夹角α，图1现有技术中的电机宽度尺寸为2×Ln，V形结构的永磁体叠高方向尺寸为2×Lm，其中sinα＝Ln/Lm，在0°＜α＜90°区间，显然0＜sinα＜1，故2×Ln＜2×Lm，V形结构的永磁体叠高方向尺寸更大，其它条件相同的情况下，永磁体尺寸更大，气隙面积更大，磁能积也更大。磁能积增大，则磁通Φ增大，又因为直线电机输出推力Fn∝磁通Φ，故输出推力增大。在直线电机体积和重量相同或近似的情况下，采用本申请的方案后，直线电机的推重比增大，单位体积的推力增大。

由于本申请的定子永磁体2与动子铁芯3之间的法向力存在夹角，因此使得电机法向力相比于传统电机结构也减小了。

在其中一个实施例中，电机气隙1呈弧形时，在垂直于动子的运动方向的横截面上，弧形电机气隙1的弦长为L，弧长为C，弧长C与弦长L之比为β，其中1＜β≤π/2。在本实施例中，β＝C/L、C＝arcsin(L/2r)×2r。本实施例中，定子永磁体2相对于动子铁芯3呈弧形下凹结构，动子铁芯3的齿部呈弧形凸出结构，定子永磁体2与动子铁芯3相配合，形成向定子永磁体2所在侧凹陷的弧形结构，可以利用弧形气隙弧长大于弦长的特点，加大气隙面积，在垂直于动子的运动方向的横截面上，使得气隙长度大于电机自身宽度，从而使得气隙长度能够突破电机宽度的限制，形成更大的气隙面积，加大直线电机的输出推力。

在垂直于动子的运动方向的横截面上，电机气隙1的两端为倾斜段，倾斜段从动子铁芯的侧边缘向着靠近定子永磁体2的方向斜向延伸。通过对电机气隙1的两端形状进行限定，使得电机气隙1的两端结构对相应的定子永磁体2和动子铁芯3的形状形成限定，避免定子永磁体2包裹在动子铁芯3外侧，影响到动子铁芯3的磁力线聚集效果。

在一个实施例中，电机气隙1呈梯形，定子永磁体2呈中间凹陷，两侧为斜边的梯形结构，动子铁芯3的齿部呈凸出的梯形结构，动子铁芯3的齿部与定子永磁体2的励磁部凹陷形状匹配，利用梯形结构的折线形状来加大横截面上的气隙长度，从而加大气隙面积，增大直线电机的输出推力。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。

Claims (12)

1.一种直线电机，其特征在于，包括定子和动子，所述动子与所述定子之间形成电机气隙(1)，所述动子能够相对于所述定子呈直线运动，在垂直于所述动子的运动方向的横截面上，所述电机气隙(1)包括折线段和/或曲线段。

2.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于，所述定子包括定子永磁体(2)，所述动子包括动子铁芯(3)，所述定子永磁体(2)具有与所述动子铁芯(3)相配合的第一配合表面(4)，所述动子铁芯(3)具有与所述定子永磁体(2)相配合的第二配合表面(5)，所述第一配合表面(4)和第二配合表面(5)相适配，形成所述电机气隙(1)。

3.根据权利要求2所述的直线电机，其特征在于，所述定子还包括定子基板(6)，所述定子永磁体(2)安装在所述定子基板(6)上。

4.根据权利要求3所述的直线电机，其特征在于，所述定子基板(6)上设置有安装槽，所述安装槽与所述定子永磁体(2)的安装面结构相适配。

5.根据权利要求2所述的直线电机，其特征在于，所述动子还包括动子绕组(7)，所述动子绕组(7)绕设在所述动子铁芯(3)上。

6.根据权利要求2所述的直线电机，其特征在于，所述第一配合表面(4)凹陷，所述第二配合表面(5)凸起。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的直线电机，其特征在于，所述电机气隙(1)关于所述动子的纵向中平面对称。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的直线电机，其特征在于，所述电机气隙(1)呈V形、W形、梯形或弧形。

9.根据权利要求8所述的直线电机，其特征在于，所述电机气隙(1)呈V形时，在垂直于所述动子的运动方向的横截面上，V形电机气隙(1)的侧边与动子的纵向中平面之间形成夹角α，其中0°＜α＜90°。

10.根据权利要求8所述的直线电机，其特征在于，所述电机气隙(1)呈弧形时，在垂直于所述动子的运动方向的横截面上，弧形电机气隙(1)的弦长为L，弧长为C，弧长C与弦长L之比为β，其中1＜β≤π/2。

11.根据权利要求2至6中任一项所述的直线电机，其特征在于，在垂直于所述动子的运动方向的横截面上，所述第二配合表面(5)呈V形、W形、梯形或弧形。

12.根据权利要求2至6中任一项所述的直线电机，其特征在于，在垂直于所述动子的运动方向的横截面上，所述电机气隙(1)的两端为倾斜段，所述倾斜段从所述动子铁芯的侧边缘向着靠近所述定子永磁体(2)的方向斜向延伸。

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