CN1652441A - 直线电机及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及直线电机及其制造方法。电枢绕组(4)绕在电枢的铁心(5)上，形成两个磁极(1，2)，并在两个磁极上形成朝匹配的磁极凸伸的磁极齿(11a，12b，21b，22a)，使一个磁极(1)上的第(2n－1)个(n＝1，2，…)磁极齿在两级中的上一级上延伸，而使第(2n)个(n＝1，2，…)磁极齿在下一级上延伸，使另一个磁极(2)上的第(2n－1)个(n＝1，2，…)磁极齿在两级中的下一级上延伸，而使第(2n)个(n＝1，2，…)磁极齿在上一级上延伸，由此形成电枢单元，在该电枢单元中磁通在上部和下部磁极齿之间上下交替，带有永磁体的磁针(6)相对运动过在电枢单元的上部和下部磁极表面之间的间隙。

Description

直线电机及其制造方法

本发明专利申请是申请号为00807250.7、国际申请日为2000年4月27日、发明名称为“直线电机及其制造方法”的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种直线电机及其制造方法，更具体地说涉及一种直线电机和一种直线电机的制造方法，其中提供一种在其上绕有线圈的电枢和带有交替地设置的相对的磁极齿对(上部和下部磁极齿)的磁极。

背景技术

在常规上人们知道如果通过永磁体产生直线电机的磁场则可以以简单的结构实现较高的牵引力。因此，人们考虑了直线电机的各种结构。

日本专利申请公开SHO63-310361公开了一种能够通过简化的引线加工以较低的成本制造的线性脉冲马达。虽然在该专利公开出版物中进行了详细描述，在下文还是给出该直线电机的简要结构，如附图12所示。

在具有U-形部分的直电枢3的内部，平行固定两个磁扼，这两个磁扼也为U形，以及线圈4纵向地绕在每个磁扼的底部。每个磁扼配备有两个直立的磁极。在每个磁极上的顶部上固定一个磁极极板，其中等间距的磁极齿20朝另一磁极板凸伸，由此使磁极齿20交错并形成起货钩型磁极表面。保持住磁针6以使能够沿电枢3的纵向方向移动，该磁针6配备有彼此平行的两组永磁体7以使磁极表面穿过空气间隙相对着，磁化永磁体7以使它的极性以与磁极板的凸齿的间隔相同的间隔交替。应用这种结构，当将具有90°相移的两相正弦波电流输送到绕在每个磁扼上的线圈4时，由于公知的直线电机的原理，磁针6在电枢3上沿纵向方向运动。

根据已有技术，虽然通过简化的结构和简化的引线加工能够制造直线电机，但是它具有如下的缺陷。这就是因为两个磁极和给电枢3所提供的磁极极板如上文所构造，穿过在从两个磁极的顶部上凸伸的交替的磁极齿20之间的间隙的漏磁通总的来说很大。结果，与激励电流相比马达的牵引力较低。此外，由于磁性引力单方向作用在电枢3和磁针6之间，给磁针6的支撑机构施加了更大的负担，因此在该结构中产生了应力，结果造成了各种麻烦。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种直线电机及其制造方法，其中降低了在磁极极板的磁极齿之间的间隙的漏磁通，因此使在电枢和磁针之间的磁性引力最小。

为实现上述发明目的，提供一种包括电枢和有磁性的磁针的直线电机，该电枢至少配备有具有第一相对部分的第一极性的磁极和具有第二相对部分的第二极性的另一磁极，该磁针放置在第一相对部分之间并还放置在第二相对部分之间。

还提供一种制造包括电枢和具有磁极的磁针的直线电机的方法；其中以层状钢板分别制造要在其上绕线圈的电枢铁心、在两侧的磁极以及磁极单元以形成电枢单元，该磁极单元由上部磁极齿和相对的下部磁极齿集成而成，通过分别组装所制造的电枢单元来构造带有具有第一相对部分的第一极性的磁极和具有第二相对部分的第二极性的另一磁极的电枢。

附图说明

附图1所示为根据本发明一个实施例的直线电机的示意图。

附图2所示为在附图1中的直线电机的剖视图。

附图3所示为在附图1中的直线电机的磁通的总体图。

附图4所示为包括串联的本发明的两个电枢单元的直线电机。

附图5所示为包括并联的本发明的两个电枢单元的直线电机。

附图6所示为根据本发明的另一实施例电枢单元的串联结构的示意图。

附图7所示为根据本发明的另一实施例(第一)磁针的示意图。

附图8所示为根据本发明的另一实施例(第二)磁针的示意图。

附图9所示为根据本发明的另一实施例(第三)磁针的示意图。

附图10所示为根据本发明直线电机的制造方法简图。

附图11所示为根据本发明直线电机的另一制造方法简图。

附图12所示为根据已有技术线性脉冲马达的示意图。

具体实施方式

下文结合附图描述本发明的优选实施例。

附图1所示为根据本发明的一个实施例直线电机的示意图，以及附图2所示为它的剖视图。

在附图1中，1是磁极，11a是磁极1的上部磁极齿，12b是磁极1的下部磁极齿，2是另一磁极，21b是磁极2的下部磁极齿，22a是磁极2的上部磁极齿，3是电枢，4是电枢线圈，5是电枢铁心，6是磁针，7是永磁体，8是在磁极1的上部磁极齿11a和磁极2的下部磁极齿21b之间的间隙(或在磁极1的下部磁极齿12b和磁极2的上部磁极齿22a之间的间隙)，Ps是在相同的上部或下部侧面的两个相邻磁极齿之间的中心到中心磁极距。在底部的电枢铁心5的两侧上电枢3配备有磁极1和2，电枢线圈4纵向绕在电枢铁心5上，该电枢铁心5是具有U形部分的较长的直的铁心。因此，电枢3具有两个磁极1和2。

磁极1在它的顶部上配备有朝磁极2凸伸的上部磁极齿11a、下部磁极齿12b、上部......，同时磁极2在它的顶部上也配备有朝磁极1凸伸的下部磁极齿21b、上部磁极齿22a、下部......。即磁极1的凸伸磁极齿以两个高度(上部和下部)设置，因此第(2n-1)齿(n＝1，2，3，......)凸伸为上部齿，而第(2n)齿(n＝1，2，3，......)凸伸为下部齿。与磁极1相反，磁极2的磁极齿也以两个高度设置，因此第(2n-1)齿(n＝1，2，3，......)凸伸为下部齿，而第(2n)齿(n＝1，2，3，......)凸伸为上部齿。当将磁极1和磁极2的所有的上部磁极齿定义为上部磁极表面而将所有的下部磁极齿定义为下部磁极表面时，这种结构意味着提供两个磁极表面，上部和下部，在其中磁极1和磁极2的相对的磁极齿交错。

这里，将一对第一上部磁极齿11a和下部磁极齿21b定义为第一相对部分，而将第二上部磁极齿12b和下部磁极齿22a定义为第二相对部分。因此，如此构造电枢以使第(2n-1)对作为第一相对部分和第(2n)作为第二相对部分。

当在每个相对部分的上部磁极齿和下部磁极齿之间形成恒定的间隙8并通过间隙8放置磁性磁针时，形成了这样的一种结构：磁针保持在第一相对部分之间以及在第二相对部分之间。

应用这种结构，形成了这样的一种电枢单元：在根据本发明的直线电机的每个相对部分的上部和下部磁极齿之间的间隙中磁通在上部和下部磁极齿之间交替地朝上和朝下流动并且磁针通过间隙相对地运动。

在附图2中，支撑机构(在电枢侧上)14在电枢3的一侧上支撑着相对运动的磁针6，而支撑机构(在磁针侧上)15在磁针6的一侧上支撑着相对运动的磁针6。由支撑机构14和15所支撑的磁针6在间隙8中相对运动就如同在隧孔中运行。

在根据本实施例的直线电机中，形成了电枢3的两个不同的磁极齿(上部磁极齿和下部磁极齿)，磁针6在上部和下部磁极齿之间相对运动。如果从磁针6的中心距离上部和下部磁极齿的距离相等，在磁针6和上部磁极齿之间作用的引力相等但方向与作用在磁针6和下部磁极齿之间的引力相反。因此，在总体上该引力彼此抵消为零。结果，可以减少在磁针6和电枢3的磁极齿之间的引力，因此可以使在支撑机构14和15上的负担最小。

附图3所示为根据本实施例的直线电机的磁通流的总体图。当激励电枢线圈4时，如果将磁极1的上部和下部磁极齿磁化为N极，将磁极2的上部和下部磁极齿磁化为S极。当出现这种情况时，磁通从磁极1的上部磁极齿11a流到磁极2的下部磁极齿21b，并类似地从磁极1的下部磁极齿12b流到磁极2的上部磁极齿22a。结果，在上部和下部磁极表面之间的间隙8中的磁通流的方向在每个磁极间距上反向。

在根据本实施例的直线电机中，由于上述原因，磁通通过磁针6的永磁体的的N极和S极从上部磁极齿朝下部磁极齿流，还从通过磁针6的永磁体的的S极和N极从下部磁极齿朝上部磁极齿流。结果，有效磁通的磁性路径的磁路变得较短，磁阻变低，有效磁通增加，磁通泄露降低。在另一方面，由于常规的起货钩状磁极型直线电机仅具有一单磁极表面，来自电枢3的N磁极齿的磁通穿过磁针6的永磁体的S磁极和N磁极并返回到电枢3的S磁极齿。因此，有效磁通的磁性路径的磁路变得更长。结果，在常规的起货钩状磁极型直线电机中，磁阻增加，而没有流经磁针6的永磁体但从电枢7的N极齿直接流到附近S极齿的磁通泄漏增加。

接着，下文解释串联或并联设置的包括在附图1中的多个电枢单元的直线电机。附图4所示为包括串联设置的在附图1中所示的两个电枢单元的直线电机。

一般地，在附图4中电枢单元A和电枢单元B串联设置以使在电枢单元A的磁极齿“a”和附近的电枢单元B的磁极齿“b”之间的间距是(K·P+P/M){K＝0，1，2，...，(M＝2，3，4，...)}。P表示磁极间距(选择电枢磁极间距Ps或磁针磁极间距Pm)，以及M表示电机的相位。即在附图4中K＝2和M＝2。

在附图4中，电枢磁极间距Ps可以等于或不等于磁针磁极间距Pm。使电枢磁极间距Ps等于磁针磁极间距Pm能够有效地降低作用在永磁体7和磁极齿之间的脉动推力。磁针6配备有多个永磁体7以使极性在两个相邻的磁极之间交替，并使在附图2中磁性朝Z方向。

当磁针6保持在如附图2中所示的支撑机构14和15支撑的电枢单元A和电枢单元B的上部和下部磁极表面之间的间隙8中并且交替地激励电枢单元A的电枢线圈4和电枢单元B的电枢线圈时，磁通以交替的方向在每个磁极间距上在上部磁极表面和下部磁极表面之间的间隙8中流动。因此，由于P/2的结果产生了运动所需的推力，磁针6相对运动。

如上文所解释，串联设置两个电枢单元构造直线电机，在该马达中磁针6穿过在电枢单元A和B的上部磁极表面和下部磁极表面之间的间隙相对运动。

如附图4所示，虽然上文的解释包含串联的两个电枢单元的结构，但是相同的结构也可以应用到串联的多个电枢单元的结构中。

附图5所示为包括并联设置的附图1的两个电枢单元的直线电机。如附图5所示，并联且完全并排地设置电枢单元A和电枢单元B，每个磁针都配备有多个永磁体7以使磁性在两个相邻磁极之间交替，并将磁针6a和磁针6b组合成一体。在这个过程中，磁针6a从磁针6b移动P/2的间距。相对地说，还可以允许磁针6a和磁针6b完全并排地集成在一起，但电枢单元A从电枢单元B移动P/2的间距。

在附图5的并联结构中，电枢磁极间距Ps等于或不等于如附图4中所示的串联结构的磁针磁极间距Pm。

以与附图4所示的方式类似的方式，当磁针6a和磁针6b保持在分别由如附图2中所示的机构14和15支撑的电枢单元A和电枢单元B的上部和下部磁极齿之间的间隙8中并且交替地激励电枢单元A的电枢线圈4和电枢单元B的电枢线圈时，磁通以交替的方向在每个磁极间距上在上部磁极表面和下部磁极表面之间的间隙8中流动。因此，由于P/2的结果产生了运动所需的推力，磁针6相对运动。

如上文所解释，并联地设置两个电枢单元并将两个磁针组合成一体来构造直线电机，在该直线电机中磁针6a和磁针6b通过分别在电枢单元A和B的上部磁极表面和下部磁极表面之间的间隙相对运动。

虽然如附图5所示上文的解释包含并联的两个电枢的结构和两个磁针结合成一体的情况，但是仍然相同的结构仍然可以应用到多个电枢单元并联并将多个磁针组合成一体的结构中。

如上文所述，在串联或并联的多个电枢单元的结构中，如果电枢单元或磁针组合成在一起以使在两个相邻的电枢单元的磁极齿之间或在两个相邻的磁针的磁极之间的间距是(K·P+P/M){(K＝0，1，2，...)，(M＝2，3，4，...)}，则每个电枢单元都相对运动，这里P表示磁极间距，M表示电机的相位。

附图6所示为根据本发明的另一实施例电枢单元的串联结构的示意图。附图6所示为两相直线电机，在该电机中4个电枢单元串联设置，在这4个电枢单元中每两个电枢单元形成一相，如果磁极间距为P，在同相的两个相邻的电枢单元之间的磁极齿间距为(K·P){K＝0，1，2，...}，在不同相的两个相邻的电枢单元之间的磁极齿间距为(K·P+P/M){(K＝0，1，2，...)，(M＝2，3，4，...)}{K是不超过要设置的相邻的电枢单元的最大数量的任意数目，M是电机的相位}。6(a)所示为电枢单元的相A-相B-相A-相B结构。6(b)所示为电枢单元的相A-相A-相B-相B结构。

当安装多个电枢单元以形成如附图6所示的一相时，通过直线电机可以形成更大的引力。虽然附图6包含在其中安装4个电枢单元每两个电枢单元形成一相的直线电机，但是上文的解释也可以应用到串联的多个电枢单元的结构中。相同结构还可以应用到并联的多个电枢单元并将多个磁针结合成一体的结构中。

附图7所示为在本发明中的磁针的另一实施例。在附图1中的磁针6配备有多个永磁体7以使极性在两个相邻的磁极之间交替。然而，在附图7中所示的磁针6应用扁平的铁磁材料而不用永磁体7，在铁磁材料的两侧上以恒定的间距形成凸起的磁极齿13。

当在铁磁材料的两侧上形成凸起的磁极齿13时，在电枢和磁极表面之间的磁阻产生变化。即，在凸起的磁极齿13和电枢磁极表面之间的磁阻低于在铁磁材料的扁平部分16和电枢的磁极表面之间的磁阻。通过应用磁阻的变化，可以自由地移动磁针。

在上文的结构中，凸起的磁极齿13可以由铁磁材料形成，而扁平部分16由永磁体形成，由此形成组合的磁针。还可以将由铁磁材料形成的凸起的磁极齿13与由非磁性材料形成的扁平部分16相结合。

附图8所示为将在附图7中的扁平的磁针形成为管状磁针的实例。铁磁材料36和非铁磁材料37结合在轴35上。还可以应用永磁体。

附图9所示为在本发明中的磁针的另一实施例。在附图9中，将磁针9构造成环带或环链，并将铁磁材料34嵌入在其中。还可以应用永磁体取代铁磁材料。

下文解释根据本发明的直线电机的制造方法。

附图10所示为在附图1中的直线电机的分解示意图。分别制造每个磁极1和2和磁极齿11a，12b，21b和22a，并将磁极1和磁极齿11a和12b放置在一起，将磁极2和磁极齿12b和22a也放置在一起，以形成电枢单元。为此，可以将在每侧的磁极和上部和下部磁极齿压紧在一起并将两侧放置在一个单元中。还可以将两侧的所有的磁极和上部和下部磁极齿压紧在一起。

安装在电枢单元上的支撑机构(在电枢侧上)14垂直地和水平地支撑着磁针。

附图11所示为本发明的直线电机的另一制造方法。应用这种制造方法，由层状钢板在单片上制造磁极单元31A，该磁极单元31包括在其上绕有线圈4的电枢铁心、在两侧上的磁极、上部磁极齿11a和相对的下部磁极齿21b。

相对朝向地安装的磁极单元31A具有另一磁极单元31A′的作用。支撑结构32和导管33安装在磁极单元31A和另一磁极单元31A′之间。结果，电枢被构造成第(2n-1)个单元是对应于第一相对部分的磁极单元31A，第(2n)个单元是对应于第二相对部分的另一磁极单元31A′。

还可以分别制造右边的一半和左边的一半的磁极单元31A和31A′，并将两半放在一个单元中以将线圈4夹在两侧中。

虽然上文参考直线电机已经描述了本发明的优选实施例，但是本实施例的磁针和电枢单元可以应用到振动型线性致动器中，当给该电枢单元的线圈施加DC电流时在该致动器中磁针相互相对运动。

本发明的效果

如上文所解释，根据本发明，有效磁通的磁路的磁路径变得更短，因此可以降低磁通泄漏。

此外，由于垂直作用在磁针的运动方向上在磁针和电枢之间的总的引力彼此相互抵消为零，因此可以降低在磁针和电枢的磁极表面之间的引力，因此可以使支撑机构上的负担最小。

此外，通过分离件的形式制造电枢单元可以容易地有效地制造根据本发明的电枢，其中应用层状钢板将磁极单元制造成一体，该磁极单元包括在其上绕线圈的电枢铁心、在两侧上的磁极、上部磁极齿和相对的下部磁极齿。

Claims (4)

1、一种直线电机，该直线电机包括由铁磁材料制成的电枢、绕在电枢上的线圈以及通过作用由电枢所产生的磁场相对电枢运动的磁针；进一步包括：

在一侧上成行的磁极齿，该磁极齿磁性地连接到电枢的一个磁极上并以第一和第二级的两级设置，并基本垂直于磁针的运动方向，以及

在另一侧上成行的磁极齿，该磁极齿磁性地连接到电枢的另一个磁极上并以第一和第二级的两级设置，并基本垂直于磁针的运动方向，其中

在一侧上的磁极齿的第一级磁极齿和在另一侧上的磁极齿的第一级磁极齿沿该磁针的运动方向交替地设置，

在一侧上的磁极齿的第二级磁极齿和在另一侧上的磁极齿的第二级磁极齿沿该磁针的运动方向交替地设置，以及

将磁针放置在两侧的第一级磁极齿和在两侧的第二级磁极齿之间。

2、根据权利要求1所述的直线电机，其中当安装包括电枢、线圈和在两侧上的磁极齿的多个电枢单元并假设磁极间距为P时，在两个相邻的电枢单元之间的磁极齿间距是(K·P+P/M){(K＝0，1，2，...)，(M＝2，3，4，...)}{K是不超过要设置的相邻的电枢单元的最大数量的任意数目，M表示电机的相位}。

3、根据权利要求1所述的直线电机，其中当安装包括电枢、线圈和在两侧上的磁极齿的多个电枢单元两个或更多个电枢单元形成一相，并且假设磁极间距为P时，在同相的两个相邻的电枢单元之间的磁极齿间距为(K·P){K＝0，1，2，...}，在不同相的两个相邻的电枢单元之间的磁极齿间距为(K·P+P/M){(K＝0，1，2，...)，(M＝2，3，4，...)}{K是不超过要设置的相邻的电枢单元的最大数量的任意数目，M是电机的相位}。

4、根据权利要求1或2所述的直线电机，其中包括电枢、线圈和在两侧上的磁极齿的电枢单元的磁极齿间距等于或不等于磁针的磁极间距。

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