CN117559751B - 分区控制的直线电机模组及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种分区控制的直线电机模组及其控制方法，所述模组包括次级单元和若干初级单元，初级单元包括基座及三组初级线圈，基座上设有前后开口的初级槽，初级槽的两侧及底部各设有一组初级线圈，次级单元包括倒T型的磁轭，磁轭两侧及底部对应设有次级磁铁。本发明使各初级单元接力工作，在本发明的直线电机模组工作期间，无需使各初级单元一直上电工作，延长了本发明的直线电机模组的使用寿命，降低了功耗，且使各初级单元都能在大电流的状态下正常工作，提升电机极限推力，提升加速能力，有效提升运动单元的极限推力，实现超高加速度与速度运动。

Description

分区控制的直线电机模组及其控制方法

技术领域

本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种分区控制的直线电机模组及其控制方法。

背景技术

现有直线电机运动方式，通常将直线电机动子（即初级，含线圈、硅钢片部分）作为运动部分，直线电机定子（即次级，含磁铁、磁轭部分）作为固定部分，一个直线电机动子匹配一个驱动器，且直线电机动子和直线电机定子一对一匹配，电机散热主要依靠自然冷却，散热速度慢。

现有的直线电机存在以下缺点：

（1）直线电机动子本体自身质量重，电机运动需克服自身重量，限制了高加速度和高速度，一般加速度大小在5G以内。

（2）电机散热，主要靠自然冷却，散热速度慢，造成电机运动极限推力维持时间很短，常规极限推力维持时间约0.2s左右。

（3）电机受空间的限制，电机大小有限，直线电机动子和直线电机一对一匹配布局设计，电机持续推力和峰值推力也不上去，很难实现高加速度。

（4）电机散热通常只能整体强制散热，不能根据工作区域分区散热和根据线圈负载率进行不同强度的强制散热。

（5）电机发热不均衡对运动系统精度影响非常大，如常见铝材热膨胀系数22μm/m/℃，如果电机温度显著升温，将会产生严重的热伸长和冷热不均的结构应力问题。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种分区控制的直线电机模组及其控制方法，以提升电机极限推力。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种分区控制的直线电机模组，包括次级单元和若干初级单元，初级单元包括基座及三组初级线圈，基座上设有前后开口的初级槽，初级槽的两侧及底部各设有一组初级线圈，次级单元包括倒T型的磁轭，磁轭两侧及底部对应设有次级磁铁。

进一步地，还包括滑台以及为滑台运动导向的运动导向单元，滑台连接磁轭。

进一步地，所述若干初级单元依次并排呈直线设置，且首尾两端设有防撞组件。

进一步地，基座上设有冷却液入口和冷却液出口，基座内设有冷却流道，冷却液入口和冷却液出口连接冷却流道的首尾两端。

进一步地，所述冷却流道分布于基座的两侧及底部中。

进一步地，所述基座由底座以及分别设于底座前后两端的2个端盖组成。

进一步地，所述冷却液入口和冷却液出口分别设于其中一端盖的两侧。

进一步地，所述初级单元还包括用于检测初级线圈温度的温度传感器。

进一步地，所述初级单元还包括驱动器，初级单元的三组初级线圈由一个驱动器独立控制。

相应地，本发明实施例还提供了一种分区控制的直线电机模组的控制方法，包括：

独立控制步骤：各初级单元独立进行供电，并在次级单元运动时，沿次级单元所需要运动的方向依次接力控制各初级单元工作；

独立冷却步骤：实时独立监管各初级单元的初级线圈的温度，当有初级单元的温度超过预设范围时，则调整该初级单元的冷却流道流量大小，使该初级单元的温度恒定在预设范围内。

本发明的有益效果为：

（1）本发明使直线电机定子动，减轻运动部分的质量，且直线电机定子无需动力线缆，避免线缆高速运行容易有损伤问题，提升使用寿命；

（2）本发明分区供电节能，减少线圈工作时间与热量，线圈能提升在极限状态下工作时长，有利于在同等条件下，提高加速度；

（3）本发明分区冷却，通过分区布局温度传感器，根据实际工况下的温度情况调整各个单元温度，快速降温，使整体温度均衡；

（4）本发明解决了现有运动系统频繁使用峰值推力热量大的问题，通过分区供电、接力控制的方式，使各区都能在大电流的状态下正常工作，提升电机极限推力，提升加速能力，有效提升运动单元的极限推力，实现超高加速度与速度运动；

（5）本发明解决了现有运动平台产品稳定冷却不均衡问题，本发明根据运行负荷率分区冷却，配合温度控制前馈方法，仅对运行区域冷却，且冷却强度和运动强度关联；

（6）本发明解决了运动平台整体恒温问题，通过温度传感器实时反馈温度进行闭环控制，实现整体等温控制。

附图说明

图1是本发明实施例的分区控制的直线电机模组的立体结构图。

图2是本发明实施例的分区控制的直线电机模组的分解图。

图3是本发明实施例的分区控制的直线电机模组的侧视图。

图4是本发明实施例的初级单元的侧视图。

图5是本发明实施例的初级单元的分解图。

图6是本发明实施例的基座的分解结构示意图。

附图标号说明

次级单元10，磁轭11，次级磁铁12，滑台13，运动导向单元14，初级单元20，基座21，初级线圈22，冷却液入口23，冷却液出口24，底座25，端盖26，温度传感器27，冷却流道28，防撞组件30，底板40。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例中若有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中若涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

请参照图1～图6，本发明实施例的分区控制的直线电机模组包括次级单元和若干独立进行供电、控制以及冷却的初级单元。若干初级单元依次设置，可以沿直线设置无穷个初级单元阵列，不受运动行程长短的影响，可根据实际需要设置初级单元的数量。具体实施时，可采用一块底板，将若干初级单元依次固定在底板上，实现初级单元之间的固定设置。

初级单元包括基座及三组初级线圈。基座上设有便于次级单元通过，且前后开口的初级槽。初级槽为U型，初级槽的两侧及底部各设有一组初级线圈。3组初级线圈分别设置基座内侧的左、右、下单个面上，其中下面的初级线圈上设置了一个温度传感器，温度传感器实时读取初级线圈的温度，当线圈的温度超过温度控制范围或各分区温度不均衡时，温度传感器触发使冷却液循环系统，调整冷却流道流量大小，使温度恒定在设定范围内。

次级单元包括倒T型的磁轭，磁轭两侧及底部对应设有次级磁铁。磁轭对应设于初级单元的初级槽中，磁轭的底部两端分别位于初级槽内左下位置的初级线圈之间和右下位置的初级线圈之间。本发明将呈T型分布的三个次级磁铁作为运动部分，无需控制线缆，可以避免线缆高速运行容易有损伤的问题，提升整体使用寿命。

本发明的初级线圈和次级磁铁三对三匹配使用，打破传统的一对一模式，在同等截面大小的条件下，大大提高了电机出力，提高了推力密度。

本发明根据次级单元运动区域和工作电流情况，通过持续电流、电阻、工作时间、工时，计算出电机的总发热量，冷却液流通时间和电机总热量值成正相关关系对应。

作为一种实施方式，分区控制的直线电机模组还包括滑台以及为滑台运动导向的运动导向单元，滑台连接磁轭。滑台用于承载外界的构件。运动导向单元优选采用直线导轨，运动导向单元设于依次设置的初级单元的基座上。滑台在运动导向单元上来回直线移动。

作为一种实施方式，所述若干初级单元依次并排呈直线设置，且首尾两端设有防撞组件。具体实施时，若干初级单元也可依次弧形设置和环形设置，如果环形设置，则首尾两端无需设置防撞组件。

作为一种实施方式，基座上设有冷却液入口和冷却液出口，基座内设有冷却流道，冷却液入口和冷却液出口连接冷却流道的首尾两端。冷却流道用于冷却液循环。各初级单元的冷却液入口和冷却液出口外接独立的冷却液循环系统。

作为一种实施方式，所述冷却流道分布于基座的两侧及底部中，能够及时带走3组初级线圈所产生的热量。

作为一种实施方式，所述基座由底座以及分别设于底座前后两端的2个端盖组成。底座加2个端盖的设计有利于生产，底座中的冷却流道是由多个贯通的孔组成，底座可直接压铸成型；端盖的冷却流道部分由多个孔组成，端盖也可直接压铸成型。优选地，所述冷却液入口和冷却液出口分别设于其中一端盖的两侧，设置在两侧的散热效率更高，防止出现基座各部分热量不均匀的情况。

作为一种实施方式，所述初级单元还包括驱动器（图未示出），初级单元的三组初级线圈由一个驱动器独立控制，分区、分模块供电，减少初级线圈工作时间，能提升初级线圈在极限状态下工作时长。即在次级单元运动时，接力控制各个初级单元工作。

本发明实施例的分区控制的直线电机模组的控制方法包括独立控制步骤和独立冷却步骤。

独立控制步骤：各初级单元独立进行供电，并在次级单元运动时，沿次级单元所需要运动的方向依次接力控制各初级单元工作。

独立冷却步骤：独立对工作的初级单元进行冷却，实时独立监管各初级单元的初级线圈的温度，当有初级单元的温度超过预设范围时，则调整该初级单元的冷却流道流量大小，使该初级单元的温度恒定在预设范围内。

本发明可使用温度补偿前馈算法，通过建立热平衡模型，电机运行分区电流与分区冷却介质流速联动。由于电机线圈造成温升量通过外壳无法精准测量，并且热量传导有滞后的情况，热量Q=I²Rt (I：工作电流，R为电阻，t为通过时间），电阻可以理解为固定值，电流大小和工作时间可以通过驱动器测算。本发明的温度补偿前馈算法原理为根据总运动时和电流情况，计算冷却液在对应温度下平衡线圈热量需要的流速和时间并加以控制。即本发明可根据各初级单元的实时的工作电流情况，计算出在当前温度下，平衡初级单元的线圈产生的热量需要的流速，从而控制各初级单元的冷却流道内冷却液的流速。

本发明使各初级单元接力工作，在本发明的直线电机模组工作期间，无需使各初级单元一直上电工作，延长了本发明的直线电机模组的使用寿命，降低了功耗，且使各初级单元都能在大电流的状态下正常工作，提升电机极限推力，提升加速能力，有效提升运动单元的极限推力，实现超高加速度与速度运动。

本发明使独立对工作的初级单元进行冷却，分区冷却，进一步降低了功耗。本发明过分区布局温度传感器，根据实际工况下的温度情况调整各个初级单元温度，快速降温，使整体温度均衡。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (7)

1.一种分区控制的直线电机模组，其特征在于，包括次级单元和若干初级单元，初级单元包括基座及三组初级线圈，基座上设有前后开口的初级槽，初级槽的两侧及底部各设有一组初级线圈，次级单元包括倒T型的磁轭，磁轭两侧及底部对应设有次级磁铁；

基座上设有冷却液入口和冷却液出口，基座内设有冷却流道，冷却液入口和冷却液出口连接冷却流道的首尾两端；各初级单元的冷却液入口和冷却液出口外接独立的冷却液循环系统；

所述初级单元还包括用于检测初级线圈温度的温度传感器；

所述初级单元还包括驱动器，初级单元的三组初级线圈由一个驱动器独立控制；

所述直线电机模组在次级单元运动时，接力控制各个初级单元工作。

2.如权利要求1所述的分区控制的直线电机模组，其特征在于，还包括滑台以及为滑台运动导向的运动导向单元，滑台连接磁轭。

3.如权利要求1所述的分区控制的直线电机模组，其特征在于，所述若干初级单元依次并排呈直线设置，且首尾两端设有防撞组件。

4.如权利要求1所述的分区控制的直线电机模组，其特征在于，所述冷却流道分布于基座的两侧及底部中。

5.如权利要求1所述的分区控制的直线电机模组，其特征在于，所述基座由底座以及分别设于底座前后两端的2个端盖组成。

6.如权利要求5所述的分区控制的直线电机模组，其特征在于，所述冷却液入口和冷却液出口分别设于其中一端盖的两侧。

7.一种如权利要求1-6中任一项所述的分区控制的直线电机模组的控制方法，其特征在于，包括：

独立控制步骤：各初级单元独立进行供电，并在次级单元运动时，沿次级单元所需要运动的方向依次接力控制各初级单元工作；

独立冷却步骤：实时独立监管各初级单元的初级线圈的温度，当有初级单元的温度超过预设范围时，则调整该初级单元的冷却流道流量大小，使该初级单元的温度恒定在预设范围内。