CN1689215A - 强力密度线性电机 - Google Patents

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Abstract

包括可移动部分(21)的线性电机或致动器，可移动部分(21)包含支撑着一组电气传导线圈(25)的软磁芯(22)，可移动部分(21)由轨道(26)可滑动地支撑，轨道(26)配备有沿芯的外围以纵向方向延伸的至少一组永磁体(27，30，31)。通过气隙与该组线圈(27，30，31)相协作的磁体(27，30，31)产生磁场。可移动部分(21)的软磁芯(22)由软磁复合材料制成。电气传导线圈(25)与芯(21)的中心线基本垂直地围绕芯的外围缠绕，并且至少两组磁体(27，30，31)沿芯的外围排列，从而使得该至少两组磁体(27，30，31)相对于所述芯(22)以不同的角度排列。

Description

强力密度线性电机
本发明涉及一种包括可移动部分的线性电机或致动器，该可移动部分包括一个支撑着一组电气传导线圈的软磁芯，该可移动部分通常使用空气轴承由轨道结构可滑动地支撑着，该轨道结构配备有沿芯外围以纵向方向分布的至少一组永磁体，通过气隙与该组线圈相协作的该磁铁产生磁场。
上面描述线性电机的类型已经已知很久并且广泛应用于不同的目的，特别是作为致动器。这种已知电机的可移动部分由包含一叠叠置的软磁钢片的芯组成。钢片的叠层构造一方面减少了芯内的电气损耗，但另一方面，仅给芯提供了2D的磁通承载容量，即磁通仅在薄片中传导而不沿横向传导。
虽然这些电机功能很好并且已经被广泛使用了一段相当长的时间，但是由于它们的芯结构，与它们所能提供的力相比，它们有着重量太重、体积太大的缺点。
本发明的目的是提供一种与已知标准的线性电机相比，更轻、更小并且体积减小的线性电机。
为了实现该目的，根据本发明的线性电机或致动器的特征在于，可移动部分的软磁芯由软磁复合材料制成，并且电气传导线圈与芯中心线基本垂直地缠绕在芯的外围，并且沿芯纵向方向的轨道上至少如此提供两组磁体，使得该至少两组磁体相对于芯以不同的角度排列。
在这里必须注意，用于本发明的线性电机或致动器的芯的软磁复合材料已经已知很多年了并且已被公开，例如，Alan G.Jack；BarrieC.Mecrow；Philip G.Dickinson；Dawn Stephenson；JamesS.Burdess；Neville Fawcett和J.T.Evans在IEEE工业应用学报(IEEE Transactions on Industrial Applications)，2000年7/8月第36卷、第4期所著的“具有粉末状芯及预压制绕组的永磁机(Permanent-Magnet Machines with Powdered Iron Cores andPrepressed Windings)”。
虽然将软磁复合材料用于永磁机已经在此出版物中有过描述，但是没有公布任何关于这种材料用于线性电机或致动器所具有的结构优点，也没有建议使用软磁复合材料的线性电机的特殊构造。
本发明所基于的思想就是，建议如此利用软磁复合材料的3维(3D)磁通承载容量，使得线性电机的力产生表面面积的数量增加，而不进一步增加用于线圈的铜的数量，从而不增加机器内产生的损耗。
根据本发明，该芯可以具有延长形状，其横截面形状是方形、矩形、三角形或圆形。当然，协同操作的轨道就具有相对应的横截面形状，并且该组永磁体如此排列在轨道上，使得它们至少部分地围绕着芯和线圈。以这种方式，永磁体的磁场以不同的角度指向所述芯，从而使得磁体和绕组之间的相互作用表面充分增加。通过软磁复合芯材料的3D-磁通承载容量使本发明的围绕芯的磁体排列成为可能。
根据本发明的线性电机/致动器的另一个实施例的特征在于轨道装备有沿其纵向延伸的冷却装置，并且这些装置在芯和线圈的部分外围上与其进行热交换接触。
根据该发明电机的另一个实施例，还可能提供带有内部冷却通道的芯。在这种情况下保留了更多的芯和线圈结构的外表面，使其可与成组的永磁体相协作。
根据依据本发明电机的另外一个实施例，所述芯装备有圆周槽，线圈位于所述圆周槽中。
本发明的其它优点和特征将在以下本发明的详细描述中参考附图进行说明，其中：
图1a和图1b分别是传统的线性电机的示意性侧视图和横截面图，非真实比例。
图2a和图2b分别是根据本发明的线性电机的示意性侧视图和前视图，非真实比例。
图3和图4示意性示出了根据本发明的线性电机的可移动部分的剖面形状，分别具有圆形和三角形形状。
图5示出了根据本发明的线性电机的芯，它装备有圆周槽，线圈位于所述圆周槽中。
图6示出了传统电机和根据本发明的线性电机的可移动部分，这两种电机提供相似的功率。
图1a和图1b示出了一种传统的线性电机，它具有移动部分1，该移动部分1包含芯2，该芯包括一叠叠置的钢片3。片3装备有齿4，电气传导的导线的线圈5围绕齿4放置。可移动部分1可以在轨道6中滑动，轨道6中容纳有永磁体7，永磁体7与线圈5通过气隙相互协作。
具有这样的传统结构的问题在于：叠置的芯只能沿着钢片的方向而不能在横向方向承载磁通，这对于力产生表面的面积构成了严重的限制。进一步的问题是从结构的角度来看很难有效地冷却可移动部分以便达到一个可接受的工作温度。并且，在该实施例中末端线圈9对力的产生没起作用。
图2a和图2b示出了一种相似的线性电机，它也包括移动部分21和轨道26，但是现在可移动部分包含由软磁复合材料构成的芯22，并且线圈25与芯的中心线基本垂直地直接围绕芯22缠绕。轨道26具有U型横断面，它具有底壁28和两个侧壁29，底壁和两个侧壁的每个都承载着一组永磁体27、30和31，该永磁体通过与它们相关联的气隙与芯22上的绕组25相互协作。很明显，通过这种方法芯的所有三个面都对电机的力的产生作出贡献。如果需要，这还可以通过封闭轨道顶侧并且在这一侧上也安装一组永磁体来增加，从而使得移动部分和轨道的所有面都作为力产生表面。
用于芯22的软磁材料具有3D-磁通承载容量，根据这样的事实，使得沿可移动部分各个侧面排列两组、三组或者甚至四组永磁体成为可能。与传统的线性电机相比，通过这种方法该线性电机的力密度增加了。
在图6中，传统线性电机的可移动部分的附图标记是61，而根据本发明产生相等力的线性电机的可移动部分的附图标记是62。可以立刻清楚地看出，根据本发明的可移动部分62的尺寸约为传统的可移动部分的尺寸的一半。由此可以清楚地看出，提供相等的力的情况下，根据本发明的线性电机比传统的电机可以更小和更轻。
如图2b中示意性示出的那样，轨道26的顶侧支撑着冷却通道32，该冷却通道可以与可移动部分21以及它的芯22和线圈25进行良好的热交换接触。利用这种冷却通道，热量可以从机器中被非常有效地取出，从而使得机器的工作温度保持在可接受的限度内。
除了如根据图2b中的实施例那样，使用可移动部分的其中一个侧面与冷却通道进行热交换接触，还可以提供具有内部冷却通道的芯22，以便在这种情况下顶侧也可以用作力产生表面。所要做的只是在这一侧安装与线圈相互协作的永磁体。
图3和4中示意性示出了根据本发明的线性电机的另外的可能实施例。在根据图3的实施例中，横截面形状是圆形的。事实上这是一个非常有益的形状。圆形的芯42很容易制造，并且线圈45很容易围绕圆形的芯缠绕而没有尖锐的弯曲。在这种情况下永磁体47是环形磁体，它或者完全包围着芯42和线圈45，或者结构可以具有如图所示的形状，以便可以在平坦顶表面上设置与芯和线圈进行热交换接触的冷却槽。
图4示意性示出根据本发明的线性电机还可以具有三角形的横截面形状或部分三角形形状，其中三角形的顶端部分被去掉，如果这样有必要的话，以便芯的顶表面60可以配备冷却元件。
最后，图5示出了怎样在软磁复合材料的芯21上配备圆周槽50，在该圆周槽50中安装有电气传导线圈。虽然这使芯的形状稍微更复杂一些，但是它相当大地减小了芯以致整个电机的尺寸和重量。在这种情况下，齿51还可以如图5b中示意性示出的那样配备齿顶52，以便减小寄生效应。
线性电机中的移动部分有产生表示为“嵌齿”(cogging)的寄生力分量的趋势。在根据本发明的线性电机中，根据磁场的分布在末端延长芯的软磁复合材料就有可能获得零嵌齿。末端延伸的长度是磁体极距的函数。
从以上的描述中将明显看出，本发明提供了一种与传统线性电机相比具有很多不寻常的优点的线性电机。虽然在这里描述了本发明的电机的有限的几种构造，但是应当注意到在所附的权利要求的范围内，很多替换方案都是可能的。

Claims (6)

1.包括可移动部分(21)的线性电机或致动器，可移动部分(21)包含支撑着一组电气传导线圈(25)的软磁芯(22)，可移动部分(21)由轨道(26)可滑动地支撑，轨道(26)配备有沿芯的外围以纵向方向分布的至少一组永磁体(27，30，31)，通过气隙与该组线圈相协作的磁体产生磁场，其特征在于，软磁芯(21)由软磁复合材料制成，所述电气传导线圈(25)与芯(21)的中心线基本垂直地围绕芯的外围缠绕，并且至少两组永磁体(27，30，31)沿所述外围以纵向方向排列，从而使得该至少两组磁体相对所述芯以不同的角度排列。
2.根据权利要求1的线性电机，其特征在于，所述软磁复合材料的芯(21)的横断面具有方形或矩形的形状，并且所述组的永磁体(27，30，31)沿芯的至少两侧、但优选为三侧放置。
3.根据权利要求1的线性电机，其特征在于，所述软磁复合材料的芯(42)的横截面具有基本圆形的形状，并且所述组的永磁体由环形磁体(47)构成，如以横向方向看到的那样，它包围着芯(42)圆周的相当大的部分。
4.根据前面的一个或多个权利要求的线性电机，其特征在于，所述轨道(26)配备有冷却装置(32)，冷却装置(32)沿着轨道的纵向方向延伸，并且在所述芯(22)和线圈(25)的部分表面上与其进行热交换接触。
5.根据前面的一个或多个权利要求的线性电机，其特征在于，所述芯(22)配备有内部冷却通道。
6.根据前面的一个或多个权利要求的线性电机，其特征在于，所述芯(22)配备有其中可以安装所述线圈的圆周槽。
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