CN114050703B - 一种直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及直线电机技术领域，具体公开了一种直线电机，该直线电机包括初级、次级和多个绕组，次级包括磁轭及沿磁轭的长度方向依次固设于磁轭的长方体永磁体；初级包括滑动板和多个线圈齿，多个线圈齿沿磁轭的长度方向间隔设置于滑动板，线圈齿包括缠绕部和极靴结构，缠绕部的一端与滑动板固接，沿垂直于磁轭的长度方向，缠绕部另一端的两侧壁分别设置有极靴结构，极靴结构与滑动板相对的面沿垂直于磁轭的长度方向设置有第一凹槽，线圈齿与永磁体间存在气隙。该直线电机可同时降低初级和次级之间的齿槽力和法向力。

Description

一种直线电机

技术领域

本发明涉及直线电机技术领域，尤其涉及一种直线电机。

背景技术

直线电机具有推力密度高、响应速度快、效率高、精密度高、可控性好、可靠性好等显著优点，在精密仪器的运动平台中，直线电机可实现高速长行程运动并保持高精度定位。

但是，初级和次级在相对滑动过程中，会存在齿槽力和法向力，齿槽力影响初级的启动，进而使初级沿次级的轨道运行过程中容易产生顿挫的现象。法向力使初级和次级之间的摩擦力增大，进而妨碍初级在次级上运动。

前期专利CN104836413B公开了一种低推力脉动的永磁直线电机，其中，初级采用分数槽铁芯片，并且各个线圈在直齿上是间隔设置的，每个铁芯片的两端分别设有左附加齿、右附加齿，左附加齿、右附加齿上均设有不等边倒角，可调节谐波磁导的幅值和相位，使各个铁芯片的端部力和齿槽力大部分抵消，从而有效抑制推力脉动，减少了定位所花费的时间，初级低速移动时不会蠕动，初级与次级可准确定位。

前期专利CN111463997A公开了一种线性电机，通过使初级线圈齿与磁铁相对的位置处的各部线圈齿均向外延伸形成降齿部，使得初级能够形成一个整体，缩减两个相邻线圈齿的齿距距离，即对应减弱动子沿着定子的中心轴线移动时的齿槽力，让动子移动时不会产生“顿挫感”，即有效地抑制了齿槽效应。

当前，对于直线电机的研究大多是减小其齿槽力，对于法向力的研究还不多，本发明通过优化初级齿槽结构，既降低齿槽力，也降低了法向力波动，进而最大程度的降低直线电机波动。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种直线电机，以解决相关技术中无法同时降低初级和次级之间的齿槽力和法向力的问题。

本发明提供一种直线电机，该直线电机包括：

次级，包括磁轭及沿所述磁轭的长度方向依次固设于所述磁轭上的永磁体；

初级，包括滑动板和多个线圈齿，多个所述线圈齿沿所述磁轭的长度方向间隔设置于所述滑动板，所述线圈齿包括缠绕部和极靴结构，所述缠绕部的一端与所述滑动板固接，沿垂直于所述磁轭的长度方向，所述缠绕部另一端的两侧壁分别设置有极靴结构，所述极靴结构与所述滑动板相对的面沿垂直于所述磁轭的长度方向设置有第一凹槽，所述线圈齿与所述永磁体间存在气隙。

作为直线电机的优选技术方案，相邻两个所述缠绕部的间距为Bs，相邻两个所述线圈齿的相对的两个所述极靴结构的间距为Bs0，所述第一凹槽为圆弧形凹槽且其半径为R，其满足如下关系式：

作为直线电机的优选技术方案，所述Bs、Bs0和R满足如下关系：

作为直线电机的优选技术方案，所述极靴结构的厚度为Hs，所述第一凹槽的半径R为所述极靴结构的厚度Hs的75％～85％。

作为直线电机的优选技术方案，所述缠绕部与所述次级相对的面沿垂直于所述磁轭的长度方向凹设有第二凹槽。

作为直线电机的优选技术方案，所述第二凹槽设置有多个。

作为直线电机的优选技术方案，所述初级还包括第一边齿和第二边齿，所述第一边齿和所述第二边齿分别与所述滑动板固接，多个所述线圈齿夹设于所述第一边齿和所述第二边齿之间。

作为直线电机的优选技术方案，所述第一边齿的自由端且远离所述线圈齿的一侧设置有第一倒角，所述第二边齿的自由端且远离所述线圈齿的一侧设置有第二倒角。

作为直线电机的优选技术方案，沿垂直于所述磁轭的长度方向，所述滑动板远离所述线圈齿的一端面间隔凹设有多个安装槽；

所述初级还包括多个安装板，多个所述安装板一一对应插设于多个所述安装槽内，移动件通过所述安装板固定于所述滑动板。

作为直线电机的优选技术方案，所述安装板上间隔设置有一个或多个定位孔。

本发明的有益效果为：

本发明提供一种直线电机，该直线电机包括初级、次级和多个绕组，次级包括磁轭及沿磁轭的长度方向依次固设于磁轭上的永磁体；初级包括滑动板和多个线圈齿，多个线圈齿沿磁轭的长度方向间隔设置于滑动板，线圈齿包括缠绕部和极靴结构，缠绕部的一端与滑动板固接，沿垂直于磁轭的长度方向，缠绕部另一端的两侧壁分别设置有极靴结构，极靴结构与滑动板相对的面设置有第一凹槽，线圈齿与永磁体间存在气隙；通常情况下，直线电机的初级均使用直槽结构，该方法因为齿宽和槽开口宽度的相互制约，使得直线电机的齿槽力一般都比较大；随着工业技术的发展，对直线电机的推力波动要求进一步提高，而齿槽力是由初级开槽引起的，槽口越大齿槽力也越大，因此线圈齿远离滑动板的一侧采用极靴结构，该方法可以降低齿槽力。但与此同时，不可避免的导致直线电机法向力增大，进而增加了初级和次级之间的摩擦力。对此，在极靴结构与滑动板相对的面沿垂直于磁轭的长度方向设置有第一凹槽，该设置可改变初级槽形状，并改善气隙谐波的谐波分量，降低法向力且减小初级和次级之间的摩擦力，进而最大限度降低推力波动和低速时的速度波动。因此，该直线电机可同时降低初级和次级之间的齿槽力和法向力。

附图说明

图1为本发明实施例中直线电机的结构示意图；

图2为本发明实施例中初级的结构示意图；

图3为本发明实施例中直线电机的正视图；

图4为本发明实施例中相邻两个线圈齿间的齿槽形状示意图；

图5为本发明实施例中线圈齿的结构示意图；

图6为直槽结构、极靴结构和本申请结构的齿槽力对比曲线图；

图7为直槽结构、极靴结构和本申请结构的法向力对比曲线图。

图中：

1、初级；11、滑动板；111、安装槽；12、线圈齿；121、缠绕部；1211、第二凹槽；122、极靴结构；1221、第一凹槽；13、第一边齿；131、第一倒角；14、第二边齿；141、第二倒角；15、安装板；151、定位孔；

2、次级；21、磁轭；22、永磁体；

3、绕组；

4、壳体。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件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。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置，而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

为了解决永磁直线电机法向力及其波动问题，本发明提供一种低法向力及其波动的永磁直线同步电机，降低电机齿槽力的同时，降低了直线电机法向力及其波动，大幅度降低了直线电机的推力波动，提升直线伺服系统的精度，适用于高精度直线运动场合。

假设：初级铁心磁导率无限大；铁心表面磁位为0；永磁材料的磁导率与空气相同；铁心叠压系数为1；同时根据许克变换法与电磁场理论分析，对气隙储能变化量中动定子的气隙进行求导，可以得到永磁直线电机齿槽力为：

其中z为定子槽数，lfe为硅钢片叠压厚度，μ0为真空磁导率，L为初级铁心长度，δ为直线电机气隙长度，n为使nz/2p为整数的整数，Brnz/2p为nz/2p次气隙磁密，α为永磁体与初级的相对位置。

同样的，可以得到永磁直线电机法向力为：

其中φm为永磁磁通，k为磁通压缩系数，τ为极距，X1为两侧边端齿长度的和。从上式可以发现，当初级和次级相对位置固定时，两者之间只存在固定的法向吸力，随着相对位置发生改变，电机磁导波和磁场波相位发生变化，法向吸力也就产生了分量，且只会产生kz＝np和kz＝2np次谐波分量。

因此根据上述公式分析可知，通过优化永磁直线电机槽型的形状及尺寸，可以削弱法向谐波分量的幅值或提升谐波频率，降低电机法向力波动。

具体地，如图1～5所示，本实施例提供一种直线电机，该直线电机包括初级1、次级2和多个绕组3，次级2包括磁轭21及沿磁轭21的长度方向依次固设于磁轭21上的永磁体22，相邻永磁体22充磁方向相反且均垂直于永磁体22固设于磁轭21的平面。初级1包括滑动板11和多个线圈齿12，多个线圈齿12沿磁轭21的长度方向间隔设置于滑动板11，多个线圈齿12可形成梳状结构。线圈齿12包括缠绕部121和极靴结构122，缠绕部121的一端与滑动板11固接，沿垂直于磁轭21的长度方向，缠绕部121另一端的两侧壁分别设置有极靴结构122，极靴结构122与滑动板11相对的面设置有第一凹槽1221。线圈齿12与永磁体22间存在气隙。多个绕组3分别套设于缠绕部121。通常情况下，直线电机均使用直槽结构，该方法因为齿宽和槽开口宽度的相互制约，使得直线电机的齿槽力一般都比较大；随着工业技术的发展，对直线电机的推力波动要求进一步提高，而齿槽力是由初级1开槽引起的，槽口越大齿槽力也越大，因此线圈齿12远离滑动板11的一侧采用极靴结构122，该方法可以降低齿槽力。但与此同时，不可避免的导致直线电机法向力增大，进而增加了初级1和次级2之间的摩擦力。对此，在极靴结构122与滑动板11相对的面沿垂直于磁轭21的长度方向设置有第一凹槽1221，该设置可改变初级1的齿槽形状，并改善气隙谐波的谐波分量，降低法向力且减小初级1和次级2之间的摩擦力，进而最大限度降低推力波动和低速时的速度波动。因此，该直线电机可同时降低初级1和次级2之间的齿槽力和法向力。

可选地，相邻两个缠绕部121的间距为Bs，相邻两个线圈齿12的相对的两个极靴结构122的间距为Bs0，第一凹槽1221为圆弧形凹槽且其半径为R，其满足如下关系式：

本实施例中，通过仿真模拟出大量法向力与齿槽力以及相对应的相邻两个线圈齿12之间的齿槽参数数据，通过该数据样本拟合出法向力与齿槽力分别与相邻两个线圈齿12之间的齿槽参数之间的关系式，通过对关系式进行分析得出法向力与齿槽力均处于较低范围值时

的取值范围。优选地，Bs、R和Bs0满足如下关系式：

可选地，极靴结构122的厚度为Hs，第一凹槽1221的半径R为极靴结构122的厚度Hs的75％～85％。本实施例中，根据仿真和数据拟合得出第一凹槽1221的半径R为极靴结构122的厚度Hs的75％～85％，在此范围内时，法向力与齿槽力均处于较低范围值。

可选地，缠绕部121与次级2相对的面沿垂直于磁轭21的长度方向凹设有第二凹槽1211。本实施例中，第二凹槽1211相对于缠绕部121沿垂直于磁轭21的长度方向的对称面对称设置。第二凹槽1211可以增加齿槽力和法向力的谐波次数，从而有效削弱齿槽力和法向力的波动。对于第二凹槽1211的形状，本实施例为圆弧凹槽，且相对于缠绕部121沿垂直于磁轭21的长度方向的对称面对称。在其他实施例中，也可以为矩形凹槽或三角形凹槽等且均相对于缠绕部121沿垂直于磁轭21的长度方向的对称面对称即可。

可选地，第二凹槽1211设置有多个。本实施例中，多个第二凹槽1211相对于缠绕部121沿垂直于磁轭21的长度方向的对称面对称。适当大小和数量的第二凹槽1211可以增加齿槽力和法向力谐波次数，从而有效削弱齿槽力和法向力波动。

可选地，初级1还包括第一边齿13和第二边齿14，第一边齿13和第二边齿14分别与滑动板11固接，多个线圈齿12夹设于第一边齿13和第二边齿14之间。第一边齿13的自由端且远离线圈齿12的一侧设置有第一倒角131，第二边齿14的自由端且远离线圈齿12的一侧设置有第二倒角141。本实施例中，第一倒角131和第二倒角141可调节谐波磁导的幅值和相位，使初级1的端部力和齿槽力大部分抵消，从而有效抑制推力脉动，减少了定位所花费的时间，初级1低速移动时不会蠕动，初级1与次级2可准确定位。

可选地，初级1由多个铁芯板沿垂直于磁轭21的长度方向叠压而成。本实施例中，相邻两个铁芯板之间通过胶粘接。

为进一步加固由铁芯板叠压成的初级1的强度和方便将移动件固定于滑动板11上，可选地，沿垂直于磁轭21的长度方向，滑动板11远离线圈齿12的一端面间隔凹设有多个安装槽111；初级1还包括多个安装板15，多个安装板15一一对应插设于多个安装槽111内。本实施例中，多个安装板15和多个安装槽111一一对应插接，可以增强由铁芯板叠压成的初级1的强度，移动件通过安装板15可方便的固定于滑动板11上。安装槽111可为T形槽或燕尾槽，安装板15的截面可相应的设置为T形或燕尾形。移动件可以为机械手、机械臂等执行部件。

为了增强直线电机的美观性，以及保护初级1和绕组3等部件，可选地，还包括壳体4，壳体4包括容纳腔和连通容纳腔的相对的两个敞口，初级1通过一个敞口置于容纳腔内。本实施例中，绕组3位于壳体4的容纳腔内，具体地，在容纳腔内还填充有环氧树脂，环氧树脂可将绕组3封装入壳体4内。

在实际使用当中，通常需要在初级1上固定一些执行部件，为方便将执行部件固定于初级1上，可选地，滑动板11封闭另一个敞口，安装板15与滑动板11齐平的平面上间隔设置有一个或多个定位孔151，定位孔151可为螺纹孔或销钉孔或通孔，执行部件可通过螺栓或销钉等紧固件固定于位于另一个敞口处的安装板15上。

如图6为本发明与直槽结构以及极靴结构122的齿槽力对比图，可以看出从直槽结构到极靴结构122齿槽力下降57％左右，到本发明齿槽力下降59％左右。由于没有采用斜槽或斜极等方案，因此在不减小推力密度的情况下，仅通过优化初级1槽11的形状即可大幅度降低直线电机齿槽力。同时本发明较极靴结构122齿槽力有些许优势。然而如图7为本发明与直槽结构和极靴结构122的法向力对比图，可见虽然极靴结构122可以大幅度降低齿槽力，但不可避免的导致直线电机法向力变大，增加了17％，进而增加初级1和次级2之间摩擦力的同时，对机械结构应力将要求更高。同时极靴结构122并没有很明显的降低法向力波动，仅降低0.76％左右，而本发明电机较直槽结构，法向力仅增加7.6％，同时法向力波动降低1.9％。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种直线电机，其特征在于，包括：

次级(2)，包括磁轭(21)及沿所述磁轭(21)的长度方向依次固设于所述磁轭(21)上的永磁体(22)；

初级(1)，包括滑动板(11)和多个线圈齿(12)，多个所述线圈齿(12)沿所述磁轭(21)的长度方向间隔设置于所述滑动板(11)，所述线圈齿(12)包括缠绕部(121)和极靴结构(122)，所述缠绕部(121)的一端与所述滑动板(11)固接，沿垂直于所述磁轭(21)的长度方向，所述缠绕部(121)另一端的两侧壁分别设置有极靴结构(122)，所述极靴结构(122)与所述滑动板(11)相对的面沿垂直于所述磁轭(21)的长度方向设置有第一凹槽(1221)，所述线圈齿(12)与所述永磁体(22)间存在气隙；相邻两个所述缠绕部(121)的间距为Bs，相邻两个所述线圈齿(12)的相对的两个所述极靴结构(122)的间距为Bs0，所述第一凹槽(1221)为圆弧形凹槽且其半径为R，其满足如下关系式：

2.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于，所述Bs、Bs0和R满足如下关系：

3.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于，所述极靴结构(122)的厚度为Hs，所述第一凹槽(1221)的半径R为所述极靴结构(122)的厚度Hs的75％～85％。

4.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于，所述缠绕部(121)与所述次级(2)相对的面沿垂直于所述磁轭(21)的长度方向凹设有第二凹槽(1211)。

5.根据权利要求4所述的直线电机，其特征在于，所述第二凹槽(1211)设置有多个。

6.根据权利要求1-5任一项所述的直线电机，其特征在于，所述初级(1)还包括第一边齿(13)和第二边齿(14)，所述第一边齿(13)和所述第二边齿(14)分别与所述滑动板(11)固接，多个所述线圈齿(12)夹设于所述第一边齿(13)和所述第二边齿(14)之间。

7.根据权利要求6所述的直线电机，其特征在于，所述第一边齿(13)的自由端且远离所述线圈齿(12)的一侧设置有第一倒角(131)，所述第二边齿(14)的自由端且远离所述线圈齿(12)的一侧设置有第二倒角(141)。

8.根据权利要求1-7任一项所述的直线电机，其特征在于，沿垂直于所述磁轭(21)的长度方向，所述滑动板(11)远离所述线圈齿(12)的一端面间隔凹设有多个安装槽(111)；

所述初级(1)还包括多个安装板(15)，多个所述安装板(15)一一对应插设于多个所述安装槽(111)内，移动件通过所述安装板(15)固定于所述滑动板(11)。

9.根据权利要求8所述的直线电机，其特征在于，所述安装板(15)上间隔设置有一个或多个定位孔(151)。

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