CN114977721A - 一种双向集成洛伦兹力电机 - Google Patents

一种双向集成洛伦兹力电机 Download PDF

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Abstract

本发明属于电机设计相关技术领域，其公开了一种双向集成洛伦兹力电机，电机包括：动子包括磁轭连接件、磁轭A磁铁阵列和磁轭B磁铁阵列，磁轭A磁铁阵列和磁轭B磁铁阵列连接于磁轭连接件的两侧，形成U形结构；磁轭A磁铁阵列和磁轭B磁铁阵列均包括磁轭以及设于磁轭上的水平向磁铁组和垂直向磁铁组，水平向磁铁组包括竖直放置的第一Halbach磁铁和两块竖直放置的永久磁铁；垂直向磁铁组包括水平放置的第二Halbach磁铁和两块水平放置的永久磁铁；定子包括支架以及镶嵌于支架内的水平向线圈和垂直向线圈；定子设于U形结构的开口内。本申请通过正交布置的通电线圈作用于磁场中，实现相互垂直的两个方向出力，有效提高气隙处磁通密度，增加电机出力。

Description

一种双向集成洛伦兹力电机
技术领域
本发明属于电机设计相关技术领域，更具体地，涉及一种双向集成洛伦兹力电机。
背景技术
洛伦兹力电机主要应用于精密、超精密设备的微振动抑制，如应用于高端光刻机及扫描透射电镜上，实现微振动抑制及纳米级精度复合定位，推动IC制造产业核心技术发展，应用于卫星搭载的恒星干涉测量仪上，在受姿控飞轮抖动下，实现10米级跨度上位姿稳定在10nm以内，为空间干涉测量任务的顺利开展提供强有力的保障。此外，洛伦兹力电机还应用于精密仪器仪表领域(如生物基因操作装备、纳米级技术基础装备、航天器上雷达、激光通讯设备)，航空航天领域(如高分辨率遥感卫星、太阳能面板驱动装置、太空望远镜)，实现微振动抑制(VC-F/VC-G)及纳米级的精度复合定位。同时在精密加工领域(如精密车床)、医疗领域(如核磁共振成像仪)、汽车工业领域(如主动座椅、主动悬架)等均有广泛的应用。与传统驱动方式相比，其具有体积质量小、行程短、响应快、精度高等特性，能实现精密、超精密设备的微振动抑制及纳米/亚纳米级精度定位。
洛伦兹力电机是一种直接驱动电磁作动器，其工作原理是依据安培原理，即通电导线置于磁场中，产生相应的电磁力F，力的大小取决于工作区域的磁场强度B，电流I以及通电线圈单匝有效长度l0和匝数n，作用在线圈上的力F可以表示为：F＝nBIl0。通过改变电机磁场中线圈电流的大小和方向，电机洛伦兹力的大小和方向也相应改变。这种直接驱动的工作方式，能有效避免旋转电机传动过程中存在的间隙、摩擦等问题。此外，洛伦兹力电机在工作过程中，由相互独立、互不接触的动子和定子进行电磁力传递，省去了中间转换机构，使电机系统结构得到简化，同时，因不考虑中间转换机构所引起的机械损耗，系统工作的可靠性更加稳定。总之，洛伦兹力电机具有结构简单、体积小、响应快(毫秒级)、非接触、高速度、高加速度、推力均匀等优点，适合应用于精密、超精密设备的微振动抑制与复合定位，同时在其它相关领域也具有广阔的应用前景。
现有技术中均为独立的单向出力电机，少有能够同时兼顾多向出力的电机。对于精密、超精密设备微振动抑制系统，需实现多自由度的微振动抑制与复合定位，就必须在不同方向都布置电机、然而，独立电机数量越多，系统就越复杂，电机之间的复合定位就越困难，同时还存在电机有效行程短、带宽小、热耗高、出力小、线性度差、散热困难的技术问题。因此，随着电机技术的发展，对多向集成洛伦兹力电机，以及大行程、高带宽、低热耗、大出力、温升小、高线性度洛伦兹力电机的研究探索势在必行、迫在眉睫。
中国专利CN2022100603959公开了一种双向洛伦兹电机，包括动子和定子两大部分，动子与负载可拆卸连接，定子与大地(或等效大地)可拆卸连接。在动子中，基于传统永久磁铁阵列，形成水平磁场和垂直磁场；定子中线圈支架采用独立式设计。但其存在如下不足：(1)采用传统永久磁铁阵列，同体积下，磁通密度低，进而出力小，适应性不足，其需要16块永久磁铁，且分为A型和B型；(2)定子中支架独立式设计，线圈绕于线芯上，线芯通过销钉与盖板连接，盖板再通过螺钉与线圈支架连接，即线芯与支架通过两级机构间接连接，加工误差及累计装配误差大，装配精度无法保证，使得同向线圈两侧受力不均，导致电机行程理论值与实际值误差大、线性度差；(3)动子与定子的相对中心位置无法保证。导致有效区域磁场强度降低，双向洛伦兹力电机出力不足，同时不可避免的出现两个相互垂直方向线圈切割同一磁场导致双向洛伦兹力电机水平向出力和垂直向出力混乱，严重时电机失效，同时该双向洛伦兹力电机的有效行程缩短、电机线性度变差。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双向集成洛伦兹力电机，通过正交布置的通电线圈作用于磁场中，实现相互垂直的两个方向出力，并基于Halbach磁铁阵列，有效提高气隙处磁通密度，增加电机出力。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种双向集成洛伦兹力电机，所述电机包括：动子包括磁轭连接件、磁轭A磁铁阵列和磁轭B磁铁阵列，所述磁轭A磁铁阵列和磁轭B磁铁阵列连接于所述磁轭连接件的两侧，形成U形结构，所述磁轭连接件用于与外部设备连接；所述磁轭A磁铁阵列和磁轭B磁铁阵列均包括磁轭以及内嵌于所述磁轭上的水平向磁铁组和垂直向磁铁组，所述水平向磁铁组包括竖直放置的第一Halbach磁铁和两块竖直放置的永久磁铁，两块竖直放置的永久磁铁设于所述第一Halbach磁铁两侧，所述垂直向磁铁组包括水平放置的第二Halbach磁铁和两块水平放置的永久磁铁，两块水平放置的永久磁铁设于所述第二Halbach磁铁两侧；所述磁轭A磁铁阵列的水平向磁铁组与所述磁轭B磁铁阵列的水平向磁铁组相对设置，所述磁轭A磁铁阵列的垂直向磁铁组与所述磁轭B磁铁阵列的垂直向磁铁组相对设置；定子包括支架以及镶嵌于所述支架内的水平向线圈和垂直向线圈；所述定子设于所述U形结构的开口内，以使所述水平向线圈设于两侧水平向磁铁组的中心，并使所述垂直向线圈设于两侧垂直向磁铁组的中心。
优选地，所述支架内部设有槽道，所述槽道用于放置温度传感器以及冷却管道。
优选地，还包括控制单元，所述控制单元用于接收所述温度传感器的温度并控制所述冷却管道的冷却液进液速度及流量。
优选地，所述支架的端部设置腰圆孔，用于与外部设备连接。
优选地，所述支架的材料为铝合金。
优选地，所述支架上设有水平向线芯和垂直向线芯，所述水平向线芯和垂直向线芯与所述支架一体设计，分别用于套设所述水平向线圈和垂直向线圈。
优选地，所述定子还包括盖板，所述盖板设于所述支架的一侧以密封所述水平向线圈和垂直向线圈，所述盖板的材料为玻璃纤维。
优选地，所述第二Halbach磁铁和第一Halbach磁铁的磁化方向垂直永久磁铁的磁力线方向。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的一种双向集成洛伦兹力电机具有如下有益效果：
1.本申请中动子和定子相互独立，两个方向运动可以实现完全解耦，互不干扰，避免了磨损，水平向磁场及垂直向磁场均采用Halbach磁铁阵列，且Halbach磁铁的磁化方向垂直永久磁铁的磁力线方向。同一体积下，相较传统永久磁铁阵列，基于Halbach磁铁阵列实现了气隙最大磁通密度提高10％。
2.支架内部设置冷却管道，实现对电机内部的有效散热，避免了双向出力造成热力集中，电机无法正常工作的问题。
3.支架的端部通过腰圆孔与外部设备连接，实现垂直于磁场方向平面内任意角度调节，使得动子和定子在装配过程中，始终保持定子处于动子的中心位置，保证了磁性效率和稳定性。
4.本申请水平向电机和垂直向电机中，均满足每一气隙对应两块永久磁铁，每一磁力线回路经过两个磁场气隙和四块永久磁铁，最大限度利用有限空间提高气隙的磁感应强度，实现大的电机推力常数，同时确保线圈的两受力边位于对应磁场覆盖的中心，实现最大限度的利用气隙磁场。
附图说明
图1是本申请实施例双向集成洛伦兹力电机的结构示意图；
图2是本申请实施例磁轭A磁铁阵列的结构示意图；
图3是本申请实施例磁轭B磁铁阵列的结构示意图；
图4是本申请实施例磁轭A磁铁阵列的磁轭的结构示意图；
图5是本申请实施例磁轭B磁铁阵列磁轭的结构示意图；
图6A是本申请实施例相对的磁铁组和线圈组成的磁场示意图；
图6B是本申请实施例相对的磁铁组和线圈组成的磁场主视图；
图7A是本申请实施例永久磁铁的主视图；
图7B是本申请实施例永久磁铁的俯视图；
图8是本申请定子的结构示意图；
图9是本申请定子的内部结构示意图；
图10是本申请实施例一体式线圈支架结构示意图；
图11是本申请实施例水平向电机出力示意图；
图12是本申请实施例垂直向电机出力示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
100-动子：
110-磁轭连接件；120-磁轭A磁铁阵列；130-磁轭B磁铁阵列；121，131-磁轭；122，132-水平向磁铁组；123，133-垂直向磁铁组；1222，1322，1232，1332-永久磁铁；1221，1321-第一Halbach磁铁；1231，1331-第二Halbach磁铁；
200-定子：
210-支架；220-水平向线圈；230-垂直向线圈；240-盖板；250-冷却系统引线转接口；260-线圈引线转接口；270-辅助工艺孔密封钉；280-温度传感器；290-地线连接螺钉；A-水平向线芯；B-垂直向线芯；C-辅助工艺孔；D-腰圆孔。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1，本发明提供了一种双向集成洛伦兹力电机，所述电机包括定子和动子。
动子100包括磁轭连接件110、磁轭A磁铁阵列120和磁轭B磁铁阵列130，所述磁轭A磁铁阵列120和磁轭B磁铁阵列130连接于所述磁轭连接件110的两侧，形成U形结构，所述磁轭连接件110用于与外部设备连接，进一步优选的，磁轭连接件110用于与外部设备可拆卸连接。
如图2和图3所示，所述磁轭A磁铁阵列120和磁轭B磁铁阵列130均包括磁轭121，131(如图4和图5所示)以及内嵌于所述磁轭121，131上的水平向磁铁组122，132和垂直向磁铁组123，133。
具体为，所述磁轭A磁铁阵列120包括磁轭121(如图4所示)以及内嵌于所述磁轭121上的水平向磁铁组122和垂直向磁铁组123；磁轭B磁铁阵列130包括磁轭131(如图5所示)以及内嵌于所述磁轭131上的水平向磁铁组132和垂直向磁铁组133。
磁轭121，131具有导磁作用。磁轭121将水平向磁铁组122和垂直向磁铁组123通过粘胶做成一体。磁轭131将水平向磁铁组132和垂直向磁铁组133通过粘胶做成一体。水平向磁铁组122、垂直向磁铁组123、水平向磁铁组132和垂直向磁铁组133中均有磁铁的N极和S极朝向定子。
所述水平向磁铁组122，132包括竖直放置的第一Halbach磁铁1221，1321和两块竖直放置的永久磁铁1222，1322，两块竖直放置的永久磁铁设于所述第一Halbach磁铁两侧。具体为所述水平向磁铁组122包括竖直放置的第一Halbach磁铁1221和两块竖直放置的永久磁铁1222，两块竖直放置的永久磁铁设于所述第一Halbach磁铁两侧；所述水平向磁铁组132包括竖直放置的第一Halbach磁铁1321和两块竖直放置的永久磁铁1322，两块竖直放置的永久磁铁设于所述第一Halbach磁铁两侧。
所述垂直向磁铁组123，133包括水平放置的第二Halbach磁铁1231，1331和两块水平放置的永久磁铁1232，1332(如图7A和图7B所示)，两块水平放置的永久磁铁1232，1332设于所述第二Halbach磁铁1231，1331两侧。具体为所述垂直向磁铁组123包括水平放置的第二Halbach磁铁1231和两块水平放置的永久磁铁1232，两块水平放置的永久磁铁1232设于所述第二Halbach磁铁1231两侧；所述垂直向磁铁组133包括水平放置的第二Halbach磁铁1331和两块水平放置的永久磁铁1332，两块水平放置的永久磁铁1332设于所述第二Halbach磁铁1331两侧。
所述磁轭A磁铁阵列120的水平向磁铁组122与所述磁轭B磁铁阵列130的水平向磁铁组132相对设置，所述磁轭A磁铁阵列120的垂直向磁铁组123与所述磁轭B磁铁阵列130的垂直向磁铁组133相对设置(如图6A和图6B所示)。
以上动子中磁铁阵列的布局方式采用Halbach结构，这样，在相同体积下，基于Halbach磁铁阵列结构提高了气隙磁通密度10％，增强电机多场景适应性。
定子200包括支架210以及镶嵌于所述支架210内的水平向线圈220和垂直向线圈230。
所述定子200设于所述U形结构的开口内且与动子100不接触，以使所述水平向线圈220设于水平向磁铁组122和水平向磁铁组132的中心，并使所述垂直向线圈230设于垂直向磁铁组123和垂直向磁铁组133的中心。
以上方式可以使得水平向磁铁组122和水平向磁铁组132形成水平向闭合稳定磁场。垂直向磁铁组123和垂直向磁铁组133相互匹配形成垂直向闭合稳定磁场。水平向磁场和垂直向磁场均采用Halbach磁铁阵列，且Halbach磁铁的磁化方向垂直永久磁铁的磁力线方向。同一体积下，相较传统永久磁铁阵列，基于Halbach磁铁阵列实现了气隙最大磁通密度提高10％。
进一步有限的方案中，支架210内部设有槽道，所述槽道用于放置温度传感器280和冷却管道，如图9所示。温度传感器280位于水平向线圈和垂直向线圈近中间位置，用于实时监测电机工作温度。支架210的材料为铝合金，因此不影响磁感线。
冷却管道为强制冷却循环系统，所述电机还包括控制单元，所述控制单元用于接收所述温度传感器的温度并控制所述冷却管道的冷却液进液速度及流量，具体根据温度传感器反馈信号，实时主动调节冷却强度，以主动散热方式解决电机散热问题。该冷却管道回路同时兼顾水平向线圈和垂直向线圈及整体结构散热。
支架210为一体式结构，如图10所示，其包括辅助工艺孔C、线圈引线转接口260、辅助工艺孔密封钉270、地线连接螺钉290、冷却系统引线转接口250、水平向线芯A和垂直向线芯B。水平向线芯和垂直向线芯与定子的框架设计为一体式线圈支架，则水平向线圈和垂直向线圈通过水平向线芯和垂直向线芯直接与支架连接，保证装配精度。此外支架210的端部设置腰圆孔D，可实现垂直于磁力线方向的平面内任意角度调整，始终保证定子处于动子的中心位置。
如图8所示，所述定子200还包括盖板240，所述盖板240设于所述支架210的一侧以密封所述水平向线圈220和垂直向线圈230，其材料为纤维玻璃，避免热量散发到环境中，影响精密仪器测量精度等。
本申请所形成的水平向电机和垂直向电机中，均满足每一气隙对应两块永磁体，每一磁力线回路经过两个磁场气隙和四块永磁体，最大限度利用有限空间提高气隙的磁感应强度，实现大的电机推力常数。同时确保线圈的两受力边位于对应磁场覆盖的中心，实现最大限度的利用气隙磁场。
水平向磁场与通电后的水平向线圈生成水平向电机出力，垂直向磁场与通电后的垂直向线圈生成垂直向电机出力，两个方向运动可以实现完全解耦，互不干扰，且电机有效行程大、热耗低、线性度及散热性好，其科学性及合理性已通过原理样机验证。
以下以相互垂直的两个方向X和Z为例，说明该双向集成洛伦兹力电机具体工作原理，但本发明不限于此。
X方向运动生成：
磁轭121上布置有竖直第一Halbach磁铁和两块竖直放置的永久磁铁，且满足两块永久磁铁中一块S极指向定子，一块N极指向定子。与之匹配，磁轭131上布置有竖直放置的第一Halbach磁铁和两块竖直放置的永久磁铁，满足两块永久磁铁中一块S极指向定子，一块N极指向定子。如此以来，磁轭121上的永久磁铁和磁轭131上的永久磁铁形成稳定的闭合磁场。水平向线圈是将一定匝数的线圈绕成近矩形，当线圈通直流电后，其电流方向为左侧垂直纸面向里，右侧垂直纸面向外时，根据洛伦兹力原理F＝nBIl0(F为通电线圈在磁场中所受的洛伦兹力；n为线圈匝数；B为工作区域磁感应强度；I表示线圈电流；l0为线圈单匝的有效长度)。可知通电线圈受到向右的力(即X轴正向)。由于线圈是固定于支架上，而支架属于定子的一部分，其固定连接于外部设备中，根据牛顿定律可知，动子受到向左的力(X轴负向)，在该力作用下，动子做X向直线运动。
X向直线运动的行进与定位是通过控制线圈内电流的通断与方向来实现的。如图11所示，磁力线垂直于线圈电流方向，根据左手定则，洛伦兹力同时垂直于磁力线和通电线圈的有效边(参见图9所示，水平向线圈中左、右侧线圈为有效边)。当直流电恒定时，洛伦兹力恒定，当直流电大小和方向改变时，洛伦兹力大小及方向随之改变，当线圈不通电时，线圈绕组不受力，电机X向静止不动。
Z向运动生成：
磁轭121上布置有水平放置的第二Halbach磁铁和两块水平放置的永久磁铁，且满足两块永久磁铁中一块S极指向定子，一块N极指向定子。与之匹配，磁轭131上布置有水平放置的第二Halbach磁铁和两块水平放置的永久磁铁，且满足两块永久磁铁中一块S极指向定子，一块N极指向定子。因此，磁轭121和磁轭131形成稳定的闭合磁场。垂直向线圈是将一定匝数的线圈绕成近矩形，当线圈通直流电后，其电流方向为左侧垂直纸面向里，右侧垂直纸面向外时，根据洛伦兹力原理F＝nBIl0。可知通电线圈受到向右的力(即Z轴正向)。根据牛顿定律可知，动子受到向左的力(Z轴负向)，在该力作用下，动子做Z向直线运动。
Z向直线运动的行进与定位是通过控制线圈内电流的通断与方向来实现的。如图12所示，磁力线垂直于线圈电流方向，根据左手定则，洛伦兹力同时垂直于磁力线和通电线圈的有效边(参见图9所示，垂直向线圈中上、下侧线圈为有效边)。当直流电恒定时，洛伦兹力恒定；当直流电大小和方向改变时，洛伦兹力大小和方向也随之改变；当线圈不通电时，线圈绕组不受力，电机Z向静止不动。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双向集成洛伦兹力电机，其特征在于，所述电机包括：
动子(100)包括磁轭连接件(110)、磁轭A磁铁阵列(120)和磁轭B磁铁阵列(130)，所述磁轭A磁铁阵列(120)和磁轭B磁铁阵列(130)连接于所述磁轭连接件(110)的两侧，形成U形结构，所述磁轭连接件(110)用于与外部设备连接；所述磁轭A磁铁阵列(120)和磁轭B磁铁阵列(130)均包括磁轭以及内嵌于所述磁轭上的水平向磁铁组和垂直向磁铁组，所述水平向磁铁组包括竖直放置的第一Halbach磁铁和两块竖直放置的永久磁铁，两块竖直放置的永久磁铁设于所述第一Halbach磁铁两侧，所述垂直向磁铁组包括水平放置的第二Halbach磁铁和两块水平放置的永久磁铁，两块水平放置的永久磁铁设于所述第二Halbach磁铁两侧；所述磁轭A磁铁阵列(120)的水平向磁铁组与所述磁轭B磁铁阵列(130)的水平向磁铁组相对设置，所述磁轭A磁铁阵列(120)的垂直向磁铁组与所述磁轭B磁铁阵列(130)的垂直向磁铁组相对设置；
定子(200)包括支架(210)以及镶嵌于所述支架(210)内的水平向线圈(220)和垂直向线圈(230)；
所述定子(200)设于所述U形结构的开口内，以使所述水平向线圈(220)设于磁轭A磁铁阵列(120)的水平向磁铁组和磁轭B磁铁阵列(130)的水平向磁铁组的中心，并使所述垂直向线圈(230)设于磁轭A磁铁阵列(120)的垂直向磁铁组和磁轭B磁铁阵列(130)的垂直向磁铁组的中心。
2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述支架(210)内部设有槽道，所述槽道用于放置温度传感器以及冷却管道。
3.根据权利要求2所述的电机，其特征在于，还包括控制单元，所述控制单元用于接收所述温度传感器的温度并控制所述冷却管道的冷却液进液速度及流量。
4.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述支架(210)的端部设置腰圆孔，用于与外部设备连接。
5.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述支架(210)的材料为铝合金。
6.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述支架(210)上设有水平向线芯和垂直向线芯，所述水平向线芯和垂直向线芯与所述支架(210)一体设计，分别用于套设所述水平向线圈(220)和垂直向线圈(230)。
7.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述定子(200)还包括盖板(240)，所述盖板(240)设于所述支架(210)的一侧以密封所述水平向线圈(220)和垂直向线圈(230)，所述盖板的材料为玻璃纤维。
8.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述第二Halbach磁铁和第一Halbach磁铁的磁化方向垂直永久磁铁的磁力线方向。
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