CN1553556A

CN1553556A - 用作机床进给系统的平板式永磁直线同步电机

Info

Publication number: CN1553556A
Application number: CNA2003101217012A
Authority: CN
Inventors: 王先逵; 刘成颖; 赵彤; 石忠东; 陈定积; 吴丹; 刘泉; 李庆雷
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2004-12-08

Abstract

用作机床进给系统的平板式永磁直线同步电机，属于直线伺服单元的设备技术领域。为了克服现有直线电机直线推力波动大、电机推力密度小、响应速度低的不足，提供一种平板式永磁直线同步电机，包括磁路结构和机械结构，所述磁路结构包括由铁心和绕组组成的初级，以及由磁钢和电工纯铁底板组成的次级，所述机械结构包括设置在所述初级和次级之间的直线支承导轨、冷却系统、传感测量系统及防尘、防护结构，所述初级绕组采用单层、整距绕组，串、并联结合的星型连接。本发明所述的平板式永磁直线同步电机具有平稳性好，散热快，推力大等优点，目前的精度可以达到亚微米级，是高速机床和加工中心进给驱动用的理想部件。

Description

用作机床进给系统的平板式永磁直线同步电机

技术领域

本发明属于直线伺服单元的设备技术领域，可直接用作高速金属切削加工机床的直线进给系统，也可用作IC装备、特种加工机床的精密进给系统。

背景技术

高速加工被认为是21世纪的先进制造技术。现在的机床电主轴转速已达40,000r/min以上，这样就要求有高速进给系统和它匹配。同时，为保证加工件的高精度和缩短加工辅助时间，进给系统还必须要有高的加(减)速度、定位精度和高刚度。

传统上采用“旋转电机+滚珠丝杠”的方法实现机床进给驱动，其特点是：从电动机轴到工作台之间存在联轴节、丝杠、螺母、轴承、齿轮等一系列中间环节，当进给系统要完成启动、反转、加减速、停车等动作时，这些机械件产生的弹性变形、摩擦、反向间隙等，可能造成运动的滞后，产生非线性误差，而且可能降低传动刚度、增加运动惯量，影响了对运动指令的快速响应。特别是滚珠丝杠结构细而长，扭转和拉压刚度低，易形成高阶振荡，影响加工精度，行程也有限，存在物理极限，因此有很大的局限性。

直线电机是一种高精密机电产品，是利用电磁作用原理直接产生直线运动的装置。将直线电机应用于高速机床的进给驱动系统，取消了上述动力源和工作台之间的一切中间传动环节，直接产生直线运动，整体上将机械结构简化，电气控制复杂化，符合现代机电技术的发展趋势。

除了切削加下机床外，直线电机还可以用于各种机械加工机床如激光切割、等离子切割电火花加工等设备。

发明内容

本发明的目的是克服现有直线电机直线推力波动大、电机推力密度小、响应速度低的不足，提供一种新型的采用平板式结构的永磁直线同步电机。

本发明在初级的绕组结构上打破传统的由旋转电机展开的设计方法，根据平板式永磁直线同步电机的结构特点进行全新的布置，最大限度地克服平板式永磁直线同步电机特有的纵向端部效应和齿槽效应，以达到高速、高推力、高精度的目的。本发明的技术方案为：

用作机床进给系统的平板式永磁直线同步电机，包括磁路结构和机械结构，所述磁路结构包括由铁心和绕组组成的初级，以及由磁钢和电工纯铁底板组成的次级，所述机械结构包括设置在所述初级和次级之间的直线支承导轨、冷却系统、传感测量系统及防尘、防护结构，其特征在于：所述初级绕组采用单层、整距绕组，串、并联结合的星型连接。

所述次级磁钢的形状是六边形、不对称六边形或矩形的。

所述次级磁钢的形状是平行四边形或削边平行四边形的。

本发明所述永磁直线同步电机的初级绕组采用单层、整距绕组，串、并联结合的星型连接具有三个突出的技术效果：其一，可以有效的缩短绕组端部，以克服平板式永磁直线同步电机特有的端部效应和齿槽效应；其二，单层绕组的嵌线比较方便，而且没有层间绝缘，槽的利用率较高。虽然其电动势和磁动势波形比双层短距绕组稍差，但在平板式永磁直线同步电机中可以最大限度克服端部效应的影响，提高平板式永磁直线同步电机的单位体积出力，最终达到提高推力的目的。第三，所述永磁直线同步电机的初级绕组采用串、并联结合的星型连接，当选择了最佳并联支路数时，能够提高平板式永磁直线同步电机的动态性能、最高推力、最高速度。

本发明所述的平板式永磁直线同步电机具有平稳性好，散热快，推力大等优点，目前的精度可以达到亚微米级，是高速机床和加工中心进给驱动用的理想部件。

附图说明

图1为平板式永磁直线同步电机的结构示意图。

1-光栅读数头 2-光栅定尺 3-绕组 4-电工纯铁底板 5-底座 6-磁钢 7-硅钢叠片8-气隙 9-压板 10-绕组端部冷却管 11-压条 12-铁心冷却管 13-工作台14-压紧螺杆 5-直线导轨 16-导轨滑块 17-光栅连接板

图2为初级绕组串、并联结合的混合联接结构。

图3为次级磁钢形状方案，其中：(a)为六边形；(b)为不对称六边形；(c)为平行四边形；(d)为削边平行四边形；(e)为矩形。

图4为9级平板式永磁直线同步电机的初级绕组的连接方式。

具体实施方式

平板式永磁直线同步电机可以应用于高速数控机床和加工中心的进给驱动系统，还可以用于各种特种加工设备(如激光切割、等离子切割、电火花加工等)的进给驱动系统。

如图1所示，一种平板式永磁直线同步电机，包括磁路结构和机械结构。所述磁路结构包括由铁心7和绕组3组成的初级，以及设置在底座5上的由钕铁硼永久磁铁制成的磁钢6和电工纯铁底板4组成的次级；所述的铁心7是用硅钢叠片制成的，用压板9、压条11、压紧螺杆14在两端压紧。所述初级绕组采用单层、整距绕组，串、并联结合的星型连接(见图2)。所述磁钢6的形状可以是六边形、不对称六边形、平行四边形、削边平行四边形或矩形的(见图3)。

所述平板式永磁直线同步电机的额定推力为F_N＝3,000N，最大推力为F_max＝6,000N，最高速度为ν_max＝2m/s，该电机所用控制系统中的功率模块的最高电压U_max＝220V，最大电流I_max＝75A。根据所述电机的各项参数确定该电机的初级极数为18极，从而取单相绕组的线圈数目K＝9。图4展示了线圈数目K＝9时，线圈的4种连接方式，图4(c)所示的为该电机单相绕组的最佳并联方式，其最佳并联支路数为3。该并联支路之间电流会存在差异，但同一支路的线圈电流是严格一致的，在一定程度上可以改善端部的影响。采用并联支路数为3的串、并联结合的星型连接方式，能够提高平板式永磁直线同步电机的动态性能、最高推力、最高速度。

所述机械结构采用常规方式，包括直线支承、传感测量系统、冷却系统、防尘、防护结构。所述直线支承包括导轨滑块16和直线导轨15，分别安装在工作台13和底座5上，并保证要求的气隙8。工作台13设置在所述初级之上，随所述初级一起实现直线运动；所述传感测量系统包括光栅读数头1、光栅定尺2和光栅连接板17。光栅读数头1通过光栅连接板17固定在工作台13上，光栅定尺2则直接安装在底座5上，实现系统的反馈测量。平板式永磁直线同步电机的初级线圈通电后，由于铜损和铁损的存在，产生热量，使温度达到100℃以上。温度的升高会产生多方面的负面影响：通过所述的冷却系统使发热部位的温度降下来。所述的冷却系统包括布置在绕组两端的绕组端部冷却管10和布置在贴心内部的铁心冷却管12，实现对电机初级的冷却。

平板式永磁直线同步电机还需配置伺服控制系统(包括硬件和软件两部分)，实现平板式永磁直线同步电机的位置控制及速度控制。

Claims

1.用作机床进给系统的平板式永磁直线同步电机，包括磁路结构和机械结构，所述磁路结构包括由铁心和绕组组成的初级，以及由磁钢和电工纯铁底板组成的次级，所述机械结构包括设置在所述初级和次级之间的直线支承导轨、冷却系统、传感测量系统及防尘、防护结构，其特征在于：所述初级绕组采用单层、整距绕组，串、并联结合的星型连接。

2.根据权利要求1所述的平板式永磁直线同步电机，其特征在于：所述次级磁钢的形状是六边形、不对称六边形或矩形的。

3.根据权利要求1所述的平板式永磁直线同步电机，其特征在于：所述次级磁钢的形状是平行四边形或削边平行四边形的。