CN214626766U - 一种直线电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种直线电机，包括基座，直线导轨，位于直线导轨之间、沿直线导轨的长度方向布设的多个磁钢，可沿直线导轨移动的直线动子，及安装于直线动子的在轨磁编码器检测装置，所述在轨磁编码器检测装置包括与直线动子相连的支架，设于支架上的PCB板，及位于PCB板的多个霍尔元件，所述多个霍尔元件与所述磁钢等间距配合，用于检测直线动子所在磁钢任意相邻磁对极磁场信号，并向用于驱动直线动子行进的伺服驱动器反馈电角度位置。本实用新型利用在轨磁编码器检测装置与直线电机自身磁钢配合实现直线动子位置检测的目的，省去了传统编码器上与霍尔元件配合的磁钢结构，配合检测的精度更高，结构更简单，体积减小，成本降低，可靠性更高。

Description

一种直线电机

技术领域

本实用新型属于传动装置技术领域，尤其是涉及一种直线电机。

背景技术

直线电机可以将电能直接转换成直线运动机械能，其可以省去大量中间传动机构，加快系统的反应速度，提高系统的精确度。目前市面上的直线电机均配合光栅实现对直线动子的位置检测，光栅需要沿着直线导轨的整个长度方向布设，安装结构复杂，防护等级要求高，成本昂贵，且占用体积相对较大。也有使用直线磁栅作为直线电机位置反馈，磁栅沿整个导轨侧面布设，也存在成本高和安装体积大等因素。在一些对定位精度要求低的应用场合，也有在直线动子上安装三个电气角度相差120°或60°的开关霍尔，检测当前磁场所在的电角度位置区间，实现直线动子的驱动位置反馈。以上应用，在性能和成本之间，无法给出一个合理的平衡，很大程度限制直线电机的应用推广。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种体积小，结构简单，定位精度高的直线电机。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种直线电机，包括基座，直线导轨，位于直线导轨之间、沿直线导轨的长度方向布设的多个磁钢，可沿直线导轨移动的直线动子，及安装于直线动子的在轨磁编码器检测装置，所述在轨磁编码器检测装置包括与直线动子相连的支架，设于支架上的PCB板，及位于PCB板的多个霍尔元件，所述多个霍尔元件与所述磁钢等间距配合，用于检测直线动子所在磁钢任意相邻磁对极磁场信号，并向用于驱动直线动子行进的伺服驱动器反馈电角度位置。

本实用新型改变了传统光栅或磁栅对直线动子进行位置检测的结构，将磁编码器检测装置直接安装在直线动子上，通过在轨磁编码器检测装置上的多个霍尔元件与直线电机自身磁钢位置配合，达到位置检测的目的，省去了普通磁编码器上与霍尔元件配合的磁钢结构，减小了整体装置的体积，结构更加简单，大幅降低材料成本和生产成本。

进一步的，所述磁钢沿直线导轨方向呈N极和S极交错等距排布，所述霍尔元件的数量为六个，呈直线等间隔贴片布设在PCB板靠近磁钢一侧，霍尔排列方向与直线动子移动方向一致，所述六个霍尔元件排列的每相邻两个霍尔元件中心位置的间距Xh与磁钢的相邻N-N磁极中心线之间的间距Xe关系为Xh＝Xe/6，以此在磁钢任意相邻磁对极上方，形成60°的电气相位角。

进一步的，所述霍尔元件的数量为三个，霍尔排列方向与直线动子移动方向一致，所述三个霍尔元件排列的每相邻两个霍尔元件中心位置的间距Xh与磁钢的相邻N-N磁极中心线之间的间距Xe关系为Xh＝Xe/3，以此在磁钢任意相邻磁对极上方，形成120°的电气相位角。

本实用新型通过使用六个线性霍尔元件，在相邻的一个直线电机磁对极中，按产生磁场的一个正弦周期，呈60°电气相位角分布，六路信号连接到微处理器的AD采样口，其中第一个和第四个、第二个和第五个、第三个和第六个霍尔信号完全180°电气角度对称，在微处理器进行数字差分计算，形成相位差120°的三路正弦电压信号。差分处理消除共模干扰，并提升电压信号利用率，提高采样分辨率和精度。在一些对成本敏感，定位要求低的应用场合，直接使用相位差120°的三个霍尔；采用贴片霍尔能保证安装位置的精度，包括霍尔之间的距离，以及距离电机磁钢的距离。

进一步的，所述在轨磁编码器检测装置的支架安装于直线动子的下方，所述支架包括与直线动子相连的中间板体，及与中间板体相垂直的下板体，所述下板体平行靠近直线电机磁钢，其下侧形成用于容纳PCB板的安装腔体。

进一步的，所述安装腔体内部通过灌封胶灌封，安装腔体的侧面有出线孔和编码器数据读写开口，编码器线束从出线孔引出，布设在沿直线导轨的长度方向延伸的拖链电缆托架内，所述编码器数据读写开口的外侧有用于密封的橡胶塞。

将PCB板安装在安装腔体内，安装腔体采用全灌封结构，实现高防护等级要求；整个在轨磁编码器检测装置安装于直线动子下方，随直线动子一起运动，实时检测直线动子的移动位置，结构简单，占用体积小；输出电缆同直线动子电缆并行输出，不占用额外空间；在安装腔体的侧面设置编码器数据读写开口，通过编码器MCU的串口与外部校准设备连接，可以读取和写入编码器数据，用于精度校准和检测；橡胶塞起到应用过程中的防水要求。

进一步的，所述霍尔元件和磁钢之间设置气隙距离，该气隙距离使多个霍尔元件输出模拟电压信号呈完整正弦形态。基于磁编码器工作机理，完整正弦信号的检测，通过AD采样、区间判断、综合误差修正、和角度查表计算，实现连续角度位置的检测。

本实用新型提出一种含有在轨磁编码器检测装置的直线电机，利用电机自身磁钢的正弦磁场信号，使用安装于直线动子上的多个线性霍尔感测的正弦电压信号解码，输出高精度电角度位置信号。

本实用新型的有益效果是：利用在轨磁编码器检测装置与直线电机自身磁钢配合实现直线动子位置检测的目的，省去了传统编码器上与霍尔元件配合的磁钢结构，配合检测的精度更高，结构更简单，体积减小，成本降低，可靠性更高。

附图说明

图1为本实用新型的立体图。

图2为本实用新型截取部分后的立体图。

图3为图2中的C处结构放大图。

图4为本实用新型的俯视图。

图5为图4中的A-A剖视图。

图6为图5中的D处结构放大图。

图7为图4中的B-B剖视图。

图8为本实用新型支架的立体图一。

图9为本实用新型含线束及数据读写开口密封橡胶塞的支架立体图二。

图10为本实用新型支架的剖视图。

图11为本实用新型PCB板的立体图。

图12为本实用新型霍尔元件为六个时的配合工作状态简示图。

图13为本实用新型霍尔元件为三个时的配合工作状态简示图。

图14为本实用新型的工作流程框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

如图1-14所示，一种直线电机，包括基座1，设置在基座1上的直线导轨2，位于直线导轨2之间、沿着直线导轨2的长度方向布设的多个磁钢3，可以沿着直线导轨2移动的直线动子4，及安装在直线动子4上的在轨磁编码器检测装置5。

如图1、3所示，在轨磁编码器检测装置5包括与直线动子4固定相连的支架51，设置在支架51上的PCB板52，及位于PCB板52上的多个霍尔元件53。支架51包括与直线动子4固定相连的中间板体512，及与中间板体512相垂直的下板体513。

下板体513平行靠近磁钢3设置，其下表面形成一个用于容纳PCB板52的安装腔体514，该安装腔体514的大小、形状与PCB板52适配。霍尔元件53呈直线间隔固定连接在PCB板52朝向磁钢3的一侧。多路霍尔元件53为贴片封装形式。在PCB板52上焊接有输出线缆6，从支架51的出线孔515引出，所述PCB板52上焊接有微处理器和输出电路，PCB板52及上面贴装元件和线束焊接点，通过灌封胶全灌封于安装腔体514内。所述PCB板52上焊接有数据通信接口，其连接器通过支架51的开口516与外部连接，开口使用橡胶塞517密封。

霍尔元件53的数量可以是三个，其沿着直线导轨2的长度方向间隔布设，霍尔元件53的排列方向与直线动子4移动方向一致。当然，霍尔元件53的数量也可以是三组，每组包括两个霍尔元件53，可以通过差补消除位置偏差，位置反馈的精度更高，于本实施例中，霍尔元件53的数量为三组，总共六个。

当霍尔元件53为六个时，所述六个霍尔元件53排列的每相邻两个霍尔元件53中心位置的间距X_h与磁钢3的相邻N-N磁极中心线之间的间距X_e关系为X_h＝X_e/6，以此在磁钢3任意相邻磁对极上方，形成60°的电气相位角，如图12所示。

当霍尔元件53为三个时，所述三个霍尔元件53排列的每相邻两个霍尔元件53中心位置的间距X_h与磁钢3的相邻N-N磁极中心线之间的间距X_e关系为X_h＝X_e/3，以此在磁钢3任意相邻磁对极上方，形成120°的电气相位角，如图13所示。

霍尔元件53和磁钢3之间形成气隙距离，该气隙距离使多个霍尔元件53输出模拟电压信号呈完整正弦信号。

磁钢3沿直线导轨方向呈N极和S极交错等距排布，N-S-N-S-……磁极呈正弦磁场分布。从而霍尔元件53与磁钢3配合，可以用于检测直线动子4所在磁钢3任意相邻磁对极磁场信号，通过微处理器AD采样计算，转换成角度信号，并向驱动直线动子4行进的伺服驱动器反馈电角度位置。

直线电机的磁钢3排列，正好构成连续的正弦磁场分布，霍尔元件53随直线动子4运动，从而产生连续的正弦电压变化信号，每个完整的正弦电压变化，正好对应电机的一个电角度周期。

基于正交脉冲增量输出的微处理器信号处理过程包括：

1)AD采样；2)数字滤波处理；3)有效数据区间判断；4)综合误差修正；5)角度查表输出；6)修正数据查表输出；7)迭代计算修正系数；8)计算周期脉冲累加；9)输出方向鉴相处理；10)DDA脉冲周期计算；11)正交脉冲输出；12)Z相计算输出。

基于绝对值角度输出的微处理器信号处理过程包括：

1)AD采样；2)数字滤波处理；3)有效数据区间判断；4)综合误差修正；5)角度查表输出；6)修正数据查表输出；7)迭代计算修正系数；8)串口中断处理输出绝对角度数据。

为了放置编码器线缆，在基座1上沿着宽度方向延伸形成托架11，该托架11沿直线导轨2的长度方向延伸，与直线导轨2的长度相当。

上述具体实施方式用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种直线电机，其特征在于：包括基座(1)，直线导轨(2)，位于直线导轨(2)之间、沿直线导轨(2)的长度方向布设的多个磁钢(3)，可沿直线导轨(2)移动的直线动子(4)，及安装于直线动子(4)上的在轨磁编码器检测装置(5)，所述在轨磁编码器检测装置(5)包括与直线动子(4)相连的支架(51)，设于支架(51)上的PCB板(52)，及位于PCB板(52)上的多个霍尔元件(53)，所述多个霍尔元件(53)与所述磁钢(3)等间距配合，用于检测直线动子(4)所在磁钢(3)任意相邻磁对极磁场信号，并向用于驱动直线动子(4)行进的伺服驱动器反馈电角度位置。

2.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于：所述磁钢(3)沿直线导轨(2)方向呈N极和S极交错等距排布，所述霍尔元件(53)的数量为六个，呈直线等间隔贴片布设在PCB板(52)靠近磁钢(3)一侧，霍尔排列方向与直线动子(4)移动方向一致，所述六个霍尔元件(53)排列的每相邻两个霍尔元件(53)中心位置的间距X_h与磁钢(3)的相邻N-N磁极中心线之间的间距X_e关系为X_h＝X_e/6，以此在磁钢(3)任意相邻磁对极上方，形成60°的电气相位角。

3.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于：所述霍尔元件(53)的数量为三个，霍尔排列方向与直线动子(4)移动方向一致，所述三个霍尔元件(53)排列的每相邻两个霍尔元件(53)中心位置的间距X_h与磁钢(3)的相邻N-N磁极中心线之间的间距X_e关系为X_h＝X_e/3，以此在磁钢(3)任意相邻磁对极上方，形成120°的电气相位角。

4.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于：所述支架(51)安装于所述直线动子(4)的下方，所述支架(51)包括与直线动子(4)相连的中间板体(512)，及与中间板体(512)相垂直的下板体(513)，所述下板体(513)平行靠近所述磁钢(3)，其下侧形成用于容纳PCB板(52)的安装腔体(514)。

5.根据权利要求4所述的直线电机，其特征在于：所述安装腔体(514)内部通过灌封胶灌封，所述安装腔体(514)的侧面有出线孔(515)和编码器数据读写开口(516)，所述编码器线束(6)从出线孔(515)引出，布设在沿直线导轨(2)的长度方向延伸的拖链电缆托架(11)内，所述编码器数据读写开口(516)的外侧有用于密封的橡胶塞(517)。

6.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于：所述霍尔元件(53)和磁钢(3)之间设置气隙距离，该气隙距离使多个霍尔元件(53)输出的模拟电压信号呈完整的正弦形态。

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