CN115882749B - 一种光栅尺的磁悬浮驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光栅尺的磁悬浮驱动装置，包括定子部分和动子部分；所述动子部分设置在所述定子部分的内部；所述定子部分用于提供磁场；所述动子部分用于在所述磁场内悬浮并运动。本发明通过动子部分在定子部分内悬浮并运动，实现光栅尺的驱动，提高了光栅尺在测量过程中运动的精度，并降低能源消耗。

Description

一种光栅尺的磁悬浮驱动装置

技术领域

本发明涉及空间测量技术领域，特别是涉及一种光栅尺的磁悬浮驱动装置。

背景技术

随着工业不断进步，自由曲面零件的质量要求也在提高。三坐标测量机是用于空间测量的计量仪器，可测量自由曲面零件，主要包括：含光栅尺的X、Y、Z三轴、测头系统、电气控制系统和数据处理软件。X、Y、Z三轴包括伺服电机、直线机构和光栅尺三部分。光栅尺本身的测量精度高，但伺服电机和直线机构组成的驱动装置降低了整个位移测量系统的精度。此外，伺服电机和直线机构质量大，造成转动惯量大，因此需要大功率伺服电机驱动系统。系统中存在不必要的能源消耗。

与旋转电机比较，永磁同步直线电机是线性直接驱动方式，不通过中间的传动装置，惯性重量轻，反应速度好。永磁同步直线电机的三相绕组通电时，电机气隙中产生和三相电流相对应的行波磁场，按照三相正序的顺序进行直线运动，由行波磁场和永磁体生成的励磁磁场所构成的电磁推力推动永磁同步直线电机的动子在导轨上进行直线往复运动，其运动方向与励磁磁场的方向相反。但永磁同步直线电机的工作磁场和工作电流并不恒定，由此造成推力波动严重。因此，其动子的运动精度需要复杂的控制算法来完成，结构也比较复杂。

基于上述分析，可见光栅尺本身的测量精度高，但伺服电机和直线机构组成的驱动装置降低了整个位移测量系统的精度。此外，伺服电机和直线机构质量大，造成转动惯量大，因此需要大功率伺服电机驱动系统。系统中存在不必要的能源消耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种光栅尺的磁悬浮驱动装置，以提高光栅尺在测量过程中运动的精度，并降低能源消耗。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种光栅尺的磁悬浮驱动装置，包括定子部分和动子部分；

所述动子部分设置在所述定子部分的内部；

所述定子部分用于提供磁场；

所述动子部分用于在所述磁场内悬浮并运动。

可选的，所述动子部分包括：第一T型导磁体、第二T型导磁体、第一U型导磁体、第二U型导磁体、四个永磁体和多个隔磁柱；

四个所述永磁体分别设置在所述第一U型导磁体的两个侧臂的端部和所述第二U型导磁体的两个侧臂的端部；

所述第一T型导磁体的竖臂与所述第一U型导磁体的两个侧臂平行设置，所述第一T型导磁体的横臂与所述第一U型导磁体的横臂平行设置，所述第一T型导磁体的竖臂位于所述第一U型导磁体的两个侧臂之间；所述第一T型导磁体、所述第一U型导磁体和位于所述第一U型导磁体的侧臂的顶端的两个永磁体组成上层定子轭铁；

所述第二T型导磁体的竖臂与所述第二U型导磁体的两个侧臂平行设置，所述第二T型导磁体的横臂与所述第二U型导磁体的横臂平行设置，所述第二T型导磁体的竖臂位于所述第二U型导磁体的两个侧臂之间；所述第二T型导磁体、所述第二U型导磁体和位于所述第二U型导磁体的侧臂的顶端的两个永磁体组成下层定子轭铁；

所述上层定子轭铁和所述下层定子轭铁平行设置，且所述上层定子轭铁和所述下层定子轭铁通过多个所述隔磁柱支撑；

所述定子部分位于所述上层定子轭铁和所述下层定子轭铁之间；

四个所述永磁体用于发出四路基础磁通，四路所述基础磁通分别在四个基础悬浮磁路中导通。

可选的，所述第一U型导磁体的两个侧臂的靠近第一U型导磁体的横臂的一端和所述第二U型导磁体的两个侧臂的靠近第二U型导磁体的横臂的一端均缠绕有悬浮控制线圈，四个所述悬浮控制线圈用于发出四个控制磁通，四个所述控制磁通沿四个独立的控制悬浮磁路导通，通过四个所述控制磁通的独立控制对气隙磁通量进行调节。

可选的，通过四个所述控制磁通的独立控制对气隙磁通量进行调节的方式为：当气隙磁通量小于磁通量设定值时，增大悬浮控制线圈的电流，使气隙磁通量增加，当气隙磁通量大于磁通量设定值时，减小悬浮控制线圈的电流，使气隙磁通量减小

可选的，所述动子部分包括动子铁芯和缠绕在所述动子铁芯上的水平控制线圈；

所述动子铁芯位于所述上层定子轭铁和所述下层定子轭铁之间，且与所述第一T型导磁体的横臂、所述第二T型导磁体的横臂、所述第一U型导磁体的横臂或所述第二U型导磁体的横臂平行；

所述动子铁芯的长度大于所述第一T型导磁体的横臂、所述第二T型导磁体的横臂、所述第一U型导磁体的横臂或所述第二U型导磁体的横臂的长度；

所述水平控制线圈用于在所述基础悬浮磁路和所述控制悬浮磁路的作用下带动所述动子铁芯水平运动；所述水平运动包括X轴方向和Y轴方向的运动，所述X轴方向为平行于所述第一T型导磁体的横臂或所述第二T型导磁体的横臂的方向，所述Y轴方向为平行于所述第一T型导磁体的竖臂或所述第二T型导磁体的竖臂的方向。

可选的，所述动子铁芯上还缠绕有限位控制线圈，限位控制线圈用于消除动子铁芯在X轴的位置偏差，所述X轴为平行于所述第一T型导磁体的横臂或所述第二T型导磁体的横臂的方向。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开一种光栅尺的磁悬浮驱动装置，包括定子部分和动子部分；所述动子部分设置在所述定子部分的内部；所述定子部分用于提供磁场；所述动子部分用于在所述磁场内悬浮并运动。本发明通过动子部分在定子部分内悬浮并运动，实现光栅尺的驱动，提高了光栅尺在测量过程中运动的精度，并降低能源消耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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为本发明实施例提供的一种光栅尺的磁悬浮驱动装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基础悬浮磁路与控制悬浮磁路叠加示意图的工作原理图；

图3为本发明实施例提供的水平控制线圈的工作原理的工作原理图；

图4为本发明实施例提供的动子铁芯所受驱动力及受力方向的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本发明的目的是提供一种光栅尺的磁悬浮驱动装置，以提高光栅尺在测量过程中运动的精度，并降低能源消耗。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例中，设定T型导磁体的横臂方向是X轴方向，竖臂方向是Y轴方向。

如图1和2所述，本发明实施例提供一种光栅尺的磁悬浮驱动装置，包括定子部分和动子部分；所述动子部分设置在所述定子部分的内部；所述定子部分用于提供磁场；所述动子部分用于在所述磁场内悬浮并运动。

示例性的，定子部分分成上、下两层，上、下两层分别为上层定子轭铁和下层定子轭铁，且上层定子轭铁和下层定子轭铁结构相同。为了方便安装永磁体，每层的导磁体可以再分解成一个T型导磁体和一个U型导磁体。T型导磁体的横臂与U型导磁体的横臂平行；T型导磁体的竖臂与U型导磁体的两个侧臂平行。所以定子部分包括两个T型导磁体(第一T型导磁体、第二T型导磁体)和两个U型导磁体(第一U型导磁体和第二U型导磁体)。每个U型导磁体有两个顶端，四个永磁体安装在两个U型导磁体的四个顶端上。上层定子轭铁和下层定子轭铁间采用六个隔磁柱支撑，一方面将上、下两层磁路隔开，另一方面为动子铁芯提供运动空间。

动子部分包括：动子铁芯，及在动子铁芯上缠绕着水平控制线圈和限位控制线圈，所述水平控制线圈绕动子铁芯的第一轴缠绕，所述限位控制线圈绕动子铁芯的第二轴缠绕，所述第一轴与Y轴平行，所述第二轴与X轴平行，动子铁芯在上层定子轭铁和下层定子轭铁中间，与U型导磁体的横臂平行。在U型导磁体两侧臂末端缠绕着悬浮控制线圈。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种光栅尺的磁悬浮驱动装置的工作原理如下：

“申”字型结构为系统建立了八个闭合磁路。四个基础悬浮磁路和磁通是从永磁体发出的；四个控制悬浮磁路是由悬浮控制线圈发出的。水平控制线圈借助八个闭合磁路所形成的磁场产生安培力，控制动子铁芯的水平运动。通过控制水平运动，可驱动动子铁芯带动负载进行步进式水平运动。根据安培力的计算原则，以及力与运动距离的关系可知，只要磁场和线圈电流稳定，就可以提高步进式水平运动的精度，从而可实现磁悬浮尺具备自主位移与位移检测两种功能。

工作磁场：

驱动装置通过四个基础悬浮磁路和四个控制悬浮磁路建立工作磁场。

四个基础悬浮磁路的磁通是由四个永磁体出发，沿着U型导磁体的侧臂传播，穿过U型导磁体侧臂与动子铁芯中间的气隙，并在动子铁芯中传播，然后穿过动子铁芯与T型导磁体的竖臂间的气隙，沿T型导磁体的传播，最后返回到永磁体。

四个控制悬浮磁路的磁通是由四个悬浮控制线圈出发，沿着U型导磁体的侧臂传播，穿过U型导磁体侧臂与动子铁芯中间的气隙，并在动子铁芯中传播，然后穿过动子铁芯与T型导磁体的竖臂间的气隙，沿T型导磁体的竖臂和U型导磁体的底部传播，最后返回到悬浮控制线圈。

由于永磁体磁阻非常大，悬浮控制线圈发出的磁通无法穿过永磁体形成闭合磁路。悬浮控制线圈的磁势高，所以永磁体发出的磁通也无法穿过悬浮控制线圈形成闭合磁路。而且六个支撑柱采用隔磁材料后，上、下两层导磁体也无法形成闭合磁路。所以八条闭合磁路是独立的闭合磁路，相互影响可以忽略不计。

悬浮控制线圈工作原理：

四个基础悬浮磁路由永磁体发出，磁通的大小和方向是固定的。控制悬浮磁路由悬浮控制线圈发出，其磁通的大小和方向由悬浮控制线圈上通过的电流的大小和方向决定。由磁路的基尔霍夫第一定律可知，在气隙内传播的磁通量，由基础悬浮磁路的磁通量和控制悬浮磁路的磁通量叠加而成。如图2所示。

图2中的1号、2号、3号、4号磁路分别是四路基础悬浮磁路，5号、6号、6号、8号磁路分别是四路控制悬浮磁路。

四个控制悬浮磁路的磁通(即控制磁通)由四个悬浮控制线圈发出，四个控制悬浮磁路的磁通(即控制磁通)由四个悬浮控制线圈发出，沿两个U型导磁体的四个侧臂传播，穿过两个U型导磁体与动子铁芯之间的四个气隙，到达动子铁芯，并沿动子铁芯向内传播，再穿过两个T型导磁体与动子铁芯间的两个气隙，到达两个T型磁导体，并沿两个T型磁导体，两个U型磁导体的底部，最终回到四个悬浮控制线圈。

以5号磁路为例，悬浮控制线圈发出的磁通沿第一U型导磁体的左侧臂传播，通过第一U型导磁体与动子铁芯之间的气隙，到达动子铁芯，并沿动子铁芯向内传播，再穿过第一T型导磁体与动子铁芯间的气隙，到达第一T型磁导体的纵臂，并沿第一T型磁导体的纵臂，第一U型磁导体的横臂，最终回到悬浮控制线圈。

两个U型磁导体与动子铁芯之间的四个气隙中的磁通包括控制悬浮磁路和基础悬浮磁路的磁通，即包括基础磁通和控制磁通，气隙磁通量降低时，提高通过悬浮控制线圈电流来提高气隙磁通量回到初始值(磁通量设定值)；气隙磁通量增加时，减少通过悬浮控制线圈电流来减少气隙磁通量回到初始值，因此可实现将气隙磁通量稳定在某个目标值上，从而将气隙的磁感应强度稳定到某个目标值上，达到稳定工作磁场的目的。四个控制悬浮磁路相互独立，互不影响，因此对四个气隙的控制也是独立，互不影响的。

具体的，受磁路长短及外界干扰的影响，永磁体发出的磁通传播到动子铁芯时，磁通量会出现变化。永磁体发出的磁通不可控，无法调节气隙磁通量，保证气隙磁通量恒定。气隙磁通量的另一部分来源于悬浮控制线圈，通过控制悬浮控制线圈上的电流就可以控制这部分磁通量。气隙磁通量降低时，可以通过提高通过悬浮控制线圈电流来提高气隙磁通量回到初始值；气隙磁通量增加时，可以通过减少通过悬浮控制线圈电流来减少气隙磁通量回到初始值，因此可实现将气隙磁通量稳定在某个目标值上，从而将气隙的磁感应强度稳定到某个目标值上，达到稳定工作磁场的目的。

如果需要调整动子铁芯的悬浮高度，就需要调整动子铁芯所受的电磁吸力。而动子铁芯所受的电磁吸力的大小与气隙的磁感应强度有关，即调整悬浮控制线圈电流，可影响气隙磁通量达到一个新的初始值，从而影响气隙的磁感应强度达到一个新的初始值，最终达到调整动子铁芯所受电磁吸力的目的。

水平控制线圈工作原理：

水平控制线圈缠绕在动子铁芯上，如图3所示。

以图3中示出的角度，假设在水平控制线图内通入顺时针电流I_L。动子铁芯上侧气隙内的磁场方向向下。根据左手定则，动子铁芯的上层导线产生安培力F_L，方向是Y轴负方向。动子铁芯下侧气隙内的磁场方向向上。根据左手定则，动子铁芯的下层导线产生安培力F_L，方向也是Y轴负方向。由于动子铁芯处于悬浮状态，在粗略计算情况下，空气阻力可以忽略不计。所以在理想状态下，动子铁芯所受的Y轴方向的力只有F_L，即动子铁芯在安培力F_L的推动下沿Y轴运动，方向由F_L决定。

在粗略计算情况下，根据安培力计算公式：

F_L＝BI_LL (1)

得出，FL大小和方向由气隙磁场的磁感应强度B和线圈电流IL决定。若气隙磁场恒定，则FL与IL成正比。

由牛顿第二定律可知：

F_L＝ma (2)

其m是动子铁芯质量，a是动子铁芯在FL作用下的加速度。而加速度a和动子铁芯自主位移S存在下述关系：

由(1)、(2)、(3)可知：

式中，动子铁芯质量m和磁场内水平控制线圈导线长度L可近似看作常数。那么动子铁芯的自主位移精度与气隙磁场的磁感应强度B和水平控制线圈电流I_L的精度相关。

本发明实施例的驱动装置是控制动子铁芯，以定步长、步进式进行自主位移。再以步长作为分值度进行测量。

因此驱动装置的精度与动子铁芯的位移精度相关，即与气隙磁场的磁感应强度B和水平控制线圈电流I_L的精度相关。

限位控制线圈的作用是限定动子铁芯在X轴方向上的位置。如果动子铁芯在Y轴方向运动时，在X轴上出现位置偏差时，限位控制线圈通电，从而消除动子铁芯在X轴的偏差。磁悬浮尺对动子铁芯在X轴上的位移精度要求不高，本发明实施例并未设置X轴方向运动时的偏差调整装置。

动子铁芯的所受驱动力分析：

动子铁芯所受驱动力及力的方向如图4所示。

图4中的长方体即为动子铁芯。从Z轴方向向下看，动子铁芯上的黑色区域是U型导磁体和动子铁芯相交的区域。永磁体发出的磁通，通过U型导磁体在动子铁芯上下的黑色区域进入动子铁芯。11号箭头表示动子铁芯所受的电磁吸力。如图4所示，动子铁芯左右两侧电磁吸力的作用点形成其两个支点。此外，6号箭头表示由水平控制线圈产生的安培力；10号箭头表示由限位线圈产生的安培力。

综上，本发明实施例提供一种光栅尺的磁悬浮驱动装置，定子部分和动子部分；所述动子部分设置在所述定子部分的内部；所述定子部分用于提供磁场；所述动子部分用于在所述磁场内悬浮并运动。本发明通过动子部分在定子部分内悬浮并运动，实现光栅尺的驱动，提高了光栅尺在测量过程中运动的精度，并降低能源消耗。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种光栅尺的磁悬浮驱动装置，其特征在于，包括定子部分和动子部分；

所述动子部分设置在所述定子部分的内部；

所述定子部分用于提供磁场；

所述动子部分用于在所述磁场内悬浮并运动；

所述定子部分包括：第一T型导磁体、第二T型导磁体、第一U型导磁体、第二U型导磁体、四个永磁体和多个隔磁柱；

四个所述永磁体分别设置在所述第一U型导磁体的两个侧臂的端部和所述第二U型导磁体的两个侧臂的端部；

所述第一T型导磁体的竖臂与所述第一U型导磁体的两个侧臂平行设置，所述第一T型导磁体的横臂与所述第一U型导磁体的横臂平行设置，所述第一T型导磁体的竖臂位于所述第一U型导磁体的两个侧臂之间；所述第一T型导磁体、所述第一U型导磁体和位于所述第一U型导磁体的侧臂的顶端的两个永磁体组成上层定子轭铁；

所述第二T型导磁体的竖臂与所述第二U型导磁体的两个侧臂平行设置，所述第二T型导磁体的横臂与所述第二U型导磁体的横臂平行设置，所述第二T型导磁体的竖臂位于所述第二U型导磁体的两个侧臂之间；所述第二T型导磁体、所述第二U型导磁体和位于所述第二U型导磁体的侧臂的顶端的两个永磁体组成下层定子轭铁；

所述上层定子轭铁和所述下层定子轭铁平行设置，且所述上层定子轭铁和所述下层定子轭铁通过多个所述隔磁柱支撑；

所述动子部分位于所述上层定子轭铁和所述下层定子轭铁之间；

四个所述永磁体用于发出四路基础磁通，四路所述基础磁通分别在四个基础悬浮磁路中导通。

2.根据权利要求1所述的光栅尺的磁悬浮驱动装置，其特征在于，所述第一U型导磁体的两个侧臂的靠近第一U型导磁体的横臂的一端和所述第二U型导磁体的两个侧臂的靠近第二U型导磁体的横臂的一端均缠绕有悬浮控制线圈，四个所述悬浮控制线圈用于发出四个控制磁通，四个所述控制磁通沿四个独立的控制悬浮磁路导通，通过四个所述控制磁通的独立控制对气隙磁通量进行调节。

3.根据权利要求2所述的光栅尺的磁悬浮驱动装置，其特征在于，通过四个所述控制磁通的独立控制对气隙磁通量进行调节的方式为：当气隙磁通量小于磁通量设定值时，增大悬浮控制线圈的电流，使气隙磁通量增加，当气隙磁通量大于磁通量设定值时，减小悬浮控制线圈的电流，使气隙磁通量减小。

4.根据权利要求2所述的光栅尺的磁悬浮驱动装置，其特征在于，所述动子部分包括动子铁芯和缠绕在所述动子铁芯上的水平控制线圈；

所述动子铁芯位于所述上层定子轭铁和所述下层定子轭铁之间，且与所述第一T型导磁体的横臂、所述第二T型导磁体的横臂、所述第一U型导磁体的横臂或所述第二U型导磁体的横臂平行；

所述动子铁芯的长度大于所述第一T型导磁体的横臂、所述第二T型导磁体的横臂、所述第一U型导磁体的横臂或所述第二U型导磁体的横臂的长度；

所述水平控制线圈用于在所述基础悬浮磁路和所述控制悬浮磁路的作用下带动所述动子铁芯水平运动；所述水平运动包括X轴方向和Y轴方向的运动，所述X轴方向为平行于所述第一T型导磁体的横臂或所述第二T型导磁体的横臂的方向，所述Y轴方向为平行于所述第一T型导磁体的竖臂或所述第二T型导磁体的竖臂的方向。

5.根据权利要求4所述的光栅尺的磁悬浮驱动装置，其特征在于，所述动子铁芯上还缠绕有限位控制线圈，限位控制线圈用于消除动子铁芯在X轴的位置偏差，所述X轴为平行于所述第一T型导磁体的横臂或所述第二T型导磁体的横臂的方向。