CN2192097Y

CN2192097Y - 直流无刷直线电动机

Info

Publication number: CN2192097Y
Application number: CN 94214525
Authority: CN
Inventors: 顾玉兰; 凌金福; 周海波
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 1994-06-17
Filing date: 1994-06-17
Publication date: 1995-03-15
Anticipated expiration: 2004-06-17

Abstract

直流无刷直线电动机，形状扁平，分成电机本体和电子电路二部分，电机本体的定子双磁体或单磁体多极磁路，动子绕组固封在非磁性线圈骨架中，位置传感器采用光耦器件与电机的定子和动子装在一起，配用电子电路使电机动子在任何位置都能可靠地启动和运行。特点是工作行程长，动子质量轻，推力大，启动运行停止快速灵敏自如，特别适用于快速直线运动和精密定位系统，例如计算机的磁盘机、精密机器人，双坐标记录仪等。

Description

本实用新型属于电机，是一种形状扁平的，具有长行程的永磁式直流无刷直线电动机。

已有技术直流直线电动机（下文中有时简称电动机或电机，意义相同），其磁路有单极式和多极式。一种单极式直流直线电动机又称音圈电机，常用电流激磁或永久磁铁激磁。图3是一种永磁单极式直流直线电动机，一端开口，外层为定子磁轭41，环形磁钢42固定在定子磁轭41的内壁，定子内芯柱43装在定子磁轭41的中心，以其根部45与定子磁轭41的连接端46固定，筒状的动子44套装在定子内芯柱43之上，其内外壁与定子内芯柱43和磁钢42之间均有气隙。如图3所示，在电机的激磁长度内的所有磁通都汇聚到定子内芯柱43和定子磁轭41上，特别是在定子磁轭的连接端46和定子内芯柱的根部45，由于磁密的过饱和，使漏磁通增加，主磁通降低，因此这种直线电动机的行程不宜过长。

图2是一种直流直线电动机的双磁体多极磁路，其中定子上磁轭31和定子下磁轭32互相平行对齐组成气隙，气隙中两种极性的磁钢33沿纵向间隔均匀上下成对地装在上下磁轭31和32上，相邻磁钢的极性不同。在这里，每对磁极构成一个磁回路，在动子长度不变时，只要改变定子的长度，就可以制造出有任意长行程的直线电动机。但是常规的这种直线电动机在整个工作行程中激磁的极性不断变化，因而动圈中的电流方向需要随之改变（即换向）。通常采用机械接触式的换向器和电刷实现换向，由于机械磨损影响电机寿命，又因这种电机的换向电火花产生无线电干扰，使其在精密控制系统中难以使用。

此外，已有技术的直流直线电动机中的位置传感器大多采用霍尔器件，容易受温度的影响引起工作点飘移造成工作不稳定。

本实用新型的目的是克服单极式直流直线电动机磁路磁密过饱和的缺点和多极式直流直线电动机机械换向的缺点，提供一种无机械接触换向的、机电时间常数小，适于在精密控制系统中采用的、长行程形状扁平的直流无刷直线电动机。

本实用新型直流无刷直线电动机形状扁平，由电机本体和电子电路二部分组成，电子电路与电机本体做成分离式（二者为各自独立的部件）或合体式（二者总装成一体）；电机本体由定子，动子和位置传感器组成，定子采用双磁体多极磁路或单磁体多极磁路，动子中的绕组固封于非磁性材料制成的线圈骨架中，或用热固性塑料直接将绕组固封成型；位置传感器与电子电路组成电子换向器，替代机械接触式的换向器和电刷；位置传感器有固定部分和运动部分，它们分别与电机的定子和动子装在一起。

本实用新型电动机的定子磁路中，采用永磁磁块制成磁极，永磁磁块采用磁钢或永磁合金制造，为叙述方便统称为磁钢。双磁体多极磁路是在气隙两面的磁轭上装有磁钢，单磁体多极磁路则是在气隙一面的磁轭上装有磁钢。在电机磁路中，定子极数和动子极数是不相等的，定子极数可以不是偶数，也可以不是整数。据此，当改变定子长度和极数而动子不变时，可以得到不同行程的电机；反之，定子不变只改变动子绕组数据，也可以得到不同推力的电动机。

当位置传感器采用光耦器件时，传感器定子部分的纵向位置可以调节，传感器动子部分共有4只光耦器件，其中一只用作确定并发出行程和运动方向信号，其余三只检测和发出定子和动子磁场的相对位置信号。在无外接控制信号时，本电动机能在指定的行程往复运动，在有外接控制信号时，则按指令控制的行程和速度自如地运行。所以，这里的位置传感器兼有换向和行程开关作用。

电机本体的动子中，用于固封绕组的非磁性线圈骨架，可以用工程塑料或铝合金制成，也可以用热固性塑料将绕组固封成型，以减轻重量，提高运动灵敏度。动子绕组是一组矩形叠绕整距线圈，可以是一段或几段型式的，并且与对应的电子电路相连接。

本电动机的电子电路包括位置传感器信号，二分频电路、逻辑运算单元、控制单元、功率放大和采样电路，保护电路几部分（见图4）。从与电机本体（包括定子和动子）固定在一起的位置传感器中得到定子和动子磁场的相对位置信号，得到运动行程方向信号经二分频处理后一起送到逻辑运算电路，逻辑运算处理后的信号加给控制单元，再经采样电路和功率放大电路后加到电机绕组上，实现无刷换向并按设计的工作方向运动。若采样电路送出的信号超过设计值，则启动保护电路，保护电路给控制单元一个暂停信号，待采样输出正常后，电机将恢愎安全正常的工作。

本实用新型直流无刷直线电动机有以下特点：

1.气隙磁密高而且均匀，由于本电动机采用双磁体或单磁体多极式磁路结构，克服了单极电机磁路过饱和而限制行程不宜过长的缺点，本电机行程可以做得较长，磁轭可以很薄，电机本体外形扁平，在磁钢用量相同的条件下，采用双磁体多极式磁路的气隙磁密比单磁体多极式磁路高而且均匀。

2.本电机定子磁极数与动子磁极数不相等且定子磁极数不受偶数、整数的限制。在动子不变时，只要加长定子长度，增加定子极数（可以不是整数），就可以得到行程不同的电机；在定子不变时，改变动子绕组的匝数、导线直径和接线方法，就可以得到不同推力的电机。

3.机电时间常数小，动态响应速度快。本电动机定子和动子为分装式，结构紧凑，动子无铁芯和齿槽，质量轻，无涡流，电感小，所以电动机的机电时间常数小，反应灵敏，再加上光耦器件有效范围宽，所以分装式结构在与任何负载连接时，对装配精度的要求不高。

4.动子可以在任何位置可靠地启动，快速停止、灵活地双向运动。由于位置传感器的运动部分采用光耦器件，与霍尔器件相比，具有热稳定性好，灵敏度高，装调方便的优点，更重要的是能保证动子在工作范围内的任何位置，都能检测和发出定子和动子的相对位置信号，保证电动机无“死点”运行。

5.寿命长，调速范围宽，速度稳定度高，控制方便。本电动机直流无刷驱动，没有换向器和电刷的机械磨损和换向火花产生的无线电干扰，所以特别适宜于在精密控制系统中使用。

图1.本实用新型直流无刷直线电动机的电机本体

图2.双磁体多极磁路纵向剖面图

图3.单极式直流直线电动机结构图

图4.本实用新型电动机电子电路的方框图

图5.本电动机位置传感器（光耦器件）电路原理图

图6.本电动机绕组与功率放大部分连接原理简图

以下结合附图（图3除外）所示实施例，进一步说明本实用新型的内容。图1是本实用新型电动机的电机本体，它采用如图2所示双磁体多极磁路，电机本体与电子电路为分离式。定子由上磁轭18、下磁轭11，装在上、下磁轭之上的磁钢15，闭合磁路板19，传感器固定部分17、端板16组成。这里的双磁体多极磁路结构是这样的，图1中上磁轭18（相当于图2中的31）和下磁轭11（相当于图2中的32）是截面为矩形的长板，二者互相平行对齐组成气隙，磁钢15（相当于图2中33）沿纵向间隔均匀，极性交替变化地装在上下磁轭18和11朝气隙的面上，上下互相对齐的一对磁钢的极性相反，上磁轭18和下磁轭11的横向一侧有闭合磁路板19将二者连在一起，使磁路闭合连通，上磁轭18和下磁轭11的纵向端部用端板16将二者固定在一起，位置传感器采用光耦器件，传感器固定部分17沿纵向装在上磁轭18的外表面，其纵向位置变化是可调的。

本电动机中也可以采用单磁体多极磁路，这时只在上磁轭18或下磁轭11朝气隙的一面上装有磁钢15。本电动机中，定子极数与动子极数是不相等的，定子极数可以不是偶数，甚至可以不是整数。可以根据不同行程或不同推力要求简便地设计磁路。

如图1所示，本电动机动子由非磁性线圈骨架13，动子绕组14，传感器运动部分12组成。传感器运动部分12与线圈骨架13联成一体，安装时与传感器固定部分17相配合并装在其上方，动子绕组14固化在线圈骨架13之内。动子绕组14位于磁路气隙中，是一组矩形叠绕整距线圈，本实施例中采用三段型式与电子电路的功率放大部分接成桥式电路。位置传感器运动部分12中共有4只光耦器件，其中一只输出行程和运动方向信号，其余3只输出定子和动子磁场相对位置信号。

图4为本实用新型电动机电子电路方框图，位置传感器与电机本体固定在一起，随时检测并输出定子和动子磁场相对位置信号和行程运动方向信号。利用D触发器正沿触发特性将行程运动方向信号二分频，与定子动子磁场相对位置信号一起进行逻辑运算后输入到控制单元，控制单元输出信号经采样电路功率放大电路后加到电机绕组上，若采样电路输出超过设计值则启动保护电路，保护电路给控制单元一个暂停信号，待采样输出正常之后，电机继续安全正常工作。

图5表示了位置传感器光耦器件与D型触发器和逻辑运算单元的连接关系。有4只光耦器件GR1－GR4并联，光耦器件中的发光二极管正端分别通过电阻R1－R4与电源端V_＋连结，发光二极管的负端接地；光耦器件中接收三极管的集电极与电源端V_＋连结，发射极分别通过电阻R5－R8接地；光耦器件GR1－GR3各以接受三极管发射极与非门F1－F3连接，非门F1－F3的输出端与逻辑运算单元连结；一只D型触发器，以CLR端接电源端V_＋，D端与

端相连接，光耦器件GR4接收三极管的发射极与非门F5相连接，非门F5的输出端与D型触发器的CP端连接，D型触发器的输出端Q与非门F4连接，非门F4的输出端接逻辑运算单元。光耦器件GR1－GR4与传感器的固定部分相对应，分别以射极跟随器的方式输出一个方波信号，GR4输出的行程和运动方向信号经非门F5整形后作为D型触发器的时钟脉冲（接CP端），由于D型触发器的正沿触发作用将运动行程信号二分频后由D型触发器输出端Q输出信号，该输出信号与光耦器件GR1－GR3的输出信号分别经过非门F1－F4整形后送入逻辑运算单元。

图6为本电动机绕组与功率放大部分连接简图。图中A、B、C为三段式星形绕组，以桥式与节点a、b、c连接，两组功率管T1、T2、T3和T4、T5、T6分别接在节点a、b、c的上下两端，由控制单元发出的信号分别加在节点a、b、c上下两端两组6只功率管的基极上；功率管T1、T2、T3各以发射极与节点a、b、c连接，集电极并联接电源端V_＋；功率管T4、T5、T6各以集电极与节点a、b、c连接，发射极并联接地。工作中的任何时刻在T1、T2、T3和T4、T5、T6二组功率管中，每组各有一只不接在同一节点的功率管处于导通状态，其余4只处于截止状态，于是动子绕组中按三段六拍的节奏轮流流过电流，随着传感器不断送来的信号，绕组通过电流的次序得以确定，保证在同一极性下的导体中流过电流的方向始终不变，从而实现了电动机的无刷换向（即电子换向），电动机按设计的工作方向运动。

如前所述，由于位置传感器还输出一个行程运动方向信号，它与位置信号一起经过逻辑运算后送入控制单元，所以电机在无外接控制时能自如地在指定的工作行程内往复运动，而在有外接控制时，外接信号替代了本机内部光耦器件GR4的信号，所以电动机则按控制指令的行程方向和变换的频率运行。

本实施例直流无刷直线电动机的主要结构和技术性能参数如下：

电动机外形尺寸：高40×宽65×长190毫米；

双磁体多极磁路结构：磁钢采用钕铁硼永磁合金，长32，宽20，高7毫米，共12块，气隙上、下二边各6块，单边气隙0.5毫米；

动子绕组：3个线圈，每线圈为160匝，裸导线直径0.45毫米；

光耦器件：型号SPI315－25－BD，共4只；

直线工作行程：102毫米；

推力：9.8牛顿，最大推力19.6牛顿；

工作电流：直流1.5安培；

电动机直线定位精度：0.5－10微米范围内可调。

本实用新型直流无刷直线电动机有广泛的用途和开发前景，特别适用于需要快速直线运动的精密定位系统中。例如在作为计算机外部设备的磁盘机中驱动磁头作快速直线运动并且精确定位。经实测，在14英寸磁盘机中采用本电动机，其平均取数时间仅有几个毫秒，在系统中有伺服盘的情况下，定位精度达到0.5微米。

本电动机还可以用在精密机器人或机械手中，驱动关切部位的直线往复运动，在X－Y座标记录仪中带动绘图笔，在医疗诊断仪中驱动探针，还可以驱动小型精密直线往复泵，以及用来遥控开关各种门窗等。

Claims

1、一种直流无刷直线电动机，外形扁平，由电机本体和电子电路二部分组成，其特征是电机本体由定子，动子和位置传感器组成，定子采用双磁体多极磁路或单磁体多极磁路，动子中的绕组固封于非磁性材料制成的线圈骨架中，或用热固性塑料直接将绕组固封成型；位置传感器采用光耦器件，传感器固定部分和运动部分分别与电机的定子和动子装在一起，传感器运动部分共有4只光耦器件，其中一只输出行程和运动方向信号，其余3只检测和输出定子和动子磁场相对位置信号。

2、如权利要求1所述的直流无刷直线电动机，其特征是定子由上磁轭18，下磁轭11，磁钢15，闭合磁路板19，传感器固定部分17，端板16组成；上磁轭18和下磁轭11是截面为矩形的长板，二者互相平行对齐组成气隙，磁钢15沿纵向间隔均匀、极性交替变化地装在上磁轭18和下磁轭11朝气隙的面上，上下互相对齐的一对磁钢的极性相反，上磁轭18和上磁轭11的横向一侧有闭合磁路板19将二者联在一起，上磁轭18和下磁轭11的纵向端部有端板16将二者固定在一起，传感器固定部分17沿纵向装在上磁轭10的外表面，其纵向位置是可调的。

3、如权利要求1和2所述的直流无刷直线电动机，其特征是电机本体的动子中，动子绕组14固化在工程塑料制成的线圈骨架13之中，传感器运动部分12与线圈骨架13联成一体并被装在传感器固定部分17的上方，位于磁路气隙中的动子绕组14是一组矩形叠绕整距线圈，可以是一段或几段型式，与对应的电子电路中的功率放大电路相连接。

4、如权利要求1或3所述的直流无刷直线电动机，其特征是其磁路中定子极数和动子极数是不相等的，定子极数可以不是偶数，也可以不是整数。

5、如权利要求3所述的直流无刷直线电动机，其特征是在其电子电路中的信号检测部分，有4只光耦器件GR1－GR4并联，光耦器件中的发光二极管正端分别通过电阻R1－R4与电源端V_＋连结，发光二极管的负端接地；光耦器件中接收三极管的集电极与电源端V_＋连结，发射极分别通过电阻R5－R8接地；光耦器件GR1－GR3各以接受三极管发射极与非门F1－F3连接，非门F1－F3的输出端与逻辑运算单元连结；一只D型触发器，以CLR端接电源端V_＋，D端与Q端相连接，光耦器件GR4接收三极管的发射极与非门F5相连接，非门F5的输出端与D型触发器的CP端接结，D型触发器的输出端Q与非门F4连接，非门F4的输出端接逻辑运算单元。

6、如权利要求3所述的直流无刷直线电动机，其特征是在其电子电路的功率放大电路中，动子绕组为三段式星形绕组A、B、C，以桥式与节点a、b、c连接，两组功率管T1、T2、T3和T4、T5、T6分别接在节点a、b、c的上下两端，由控制单元发出的信号分别加在节点a、b、c上下两组功率管的基极上，功率管T1、T2、T3各以发射极与节点a、b、c连接，集电极并联接电源端V_＋，功率管T4、T5、T6各以集电极与节点a、b、c连接，发射极并联接地。