CN220475586U - 一种直线电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种直线电机，包括动子、直线导轨、移动平台，动子活动配合于直线导轨的上方，动子与移动平台固定连接；在直线导轨的两端均设有驱动磁体，两个驱动磁体的磁极方向相反，动子通电后产生与两个驱动磁体相作用的磁场；驱动磁体为永磁体或电磁铁。动子产生的磁场与两个驱动磁体分别产生吸引力和排斥力，导致驱动磁体驱动动子在直线导轨上产生运动，改变动子中电流的方向产生了相反方向的磁场，从而使移动平台在直线导轨上往返运动。动子和驱动磁体之间的排斥力与吸引力对移动平台的影响较小，因此移动平台的稳定性增加；本方案减去了常规直线电机中的定子，从而减少了制造定子的高昂费用，使得直线电机的制造成本大大减低。

Description

一种直线电机

技术领域

本实用新型涉及机械设计领域，具体涉及一种短程无定子的直线电机。

背景技术

直线电机，也称为线性电机，顾名思义，它是一种能产生直线运动的电机，其运动的原理为通电导线在磁场中受力而发生运动。直线电机把电能转换成直线运动的机械能，不需要任何中间传动转换装置，因此比旋转电机经过转换装置形成的直线运动效率更高。

直线电机的结构主要包括定子、动子和直线运动的支撑轮三部分。参考目前的主流设计方案，一般其定子包括机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等部分，其主要作用是产生磁场；转子包括铁心、绕组和换向器等部分，其主要作用是完成机电能量转换。

常规直线电机动子的下方与定子活动连接，动子的上方与移动平台固定连接。在通电时，动子和定子之间会产生吸引力，导致动子和定子之间相靠近，从而导致动子上方的移动平台朝向定子被拉扯，当移动平台比较薄时，会容易导致移动平台变形，使直线电机的结构损坏；并且，定子的制备过程中需要使用稀土永磁体，而稀土永磁体的价格很高，一些高牌号的永磁体价格甚至更高，而转子中绕组的铜线和钢等材料仅为其1/8的价格，所以由稀土永磁体组成的定子物料成本极高，因此常规直线电机的制造成本偏高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种直线电机，解决了上述背景技术中提出的移动平台容易变形以及直线电机的定子成本高的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种直线电机，包括动子、直线导轨、移动平台，动子活动配合于直线导轨的上方，动子与移动平台固定连接；在直线导轨的两端均设有驱动磁体，两个驱动磁体的磁极方向相反，动子通电后产生与两个驱动磁体相作用的磁场；驱动磁体为永磁体或电磁铁。

动子通电后产生与两个驱动磁体相作用的磁场，由于两个驱动磁体的磁极方向相反，而动子的两端与驱动磁体平行，使得动子与一端的驱动磁体之间产生排斥力，而与另一端的驱动磁体产生吸引力，从而驱动动子朝向一端的驱动磁体运动，带动移动平台运动；使用驱动磁体驱动动子沿着直线导轨运动，从而带动移动平台运动。并且，直线电机中减去了定子，从而减少了定子制造所需的高昂成本，减少了直线电机的生产成本。驱动磁体为永磁体或电磁铁，使用价格较低的传统永磁体材料制造或电磁铁制造驱动磁体，减少了直线电机的生产成本和运行成本。使用电磁铁作为驱动磁体，可通过调节驱动电磁铁所产生的磁力大小，从而调节动子运动的速度，进而调节移动平台运动的速度。

进一步地，在动子上安装有多个伸缩杆，伸缩杆为可伸缩的空心圆柱体杆状结构；伸缩杆的底端与动子的顶面固定连接，伸缩杆的顶端与移动平台的底面固定连接。伸缩杆的能够上下伸缩，使移动平台能够沿着垂直于动子运动的方向运动，从而调节移动平台的高度，使直线电机的应用范围更加广泛。

进一步地，动子的顶面与移动平台的底面通过弹簧固定连接。弹簧使移动平台能够承受更多的压力，便于使直线电机承载更重的物品。

进一步地，在移动平台朝向驱动磁体的面上安装有减震垫，移动平台上安装的减震垫减小了移动平台与驱动磁体之间相靠近时所产生的压力，减少了移动平台和驱动磁体的损耗，增加了直线电机的使用寿命。

进一步地，在直线导轨的两端设置有固定机构，驱动磁体安装在固定机构上。固定机构将驱动磁体固定安装在直线导轨的两端，增加了驱动磁体的稳定性，避免使用过程中驱动磁体产生位移，从而避免造成直线导轨设备的损坏。

进一步地，固定机构为侧板，在侧板上与动子平行的位置安装有驱动磁体。侧板的造价较低，且固定效果良好；而将驱动磁体安装在与动子平行的位置，使动子与驱动磁体之间的距离达到最小，增加了驱动磁体对动子的驱动力，有利于提高了直线电机中动子的运动速度。

进一步地，在动子上靠近直线导轨的侧面安装有定位器，定位器包括光栅尺。磁栅尺通过录磁头在磁性尺上录制出间隔严格相等的磁波；光栅尺也称为光栅尺位移传感器，是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置；磁栅尺会受到直线电机中磁极的影响，导致定位产生误差，而光栅尺不受磁场的影响，因此在本装置中采用光栅尺进行测量。定位器使得移动平台的移动速率和移动位置有数据记录，有利于对移动平台运动的情况进行监控和调整，便于直线电机的实际应用。

进一步地，移动平台上还安装有处理器，处理器将定位器测量的信息转化为数字信号，以便于后续操作。

进一步地，移动平台上还安装有控制器，控制器接收处理器传出的数字信号；控制器与动子和驱动电磁铁的开关连接，从而控制动子和驱动电磁铁的开启和关闭。

进一步地，控制器与电流调节阀相连接，电流调节阀控制动子和驱动电磁铁内电流的大小和方向。控制器通过调节动子内部电流的方向，改变动子产生磁场的方向，进而改变移动平台的运动方向。控制器通过改变动子内电流的大小，改变动子所产生的磁场的大小，从而改变动子的运动速度，进而改变移动平台的运动速度；并且控制器还能够通过改变驱动电磁铁的电流大小，改变动子所受驱动电磁铁的驱动力的大小，从而改变动子的运动速度，进而改变移动平台的运动速度。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本方案提出了一种直线电机，动子活动配合于直线导轨的上方，动子与移动平台固定连接；在直线导轨的两端均设有驱动磁体，两个驱动磁体的磁极方向相反，动子通电后产生与两个驱动磁体相作用的磁场；驱动磁体为永磁体或电磁铁。动子产生的磁场与两个驱动磁体分别产生吸引力和排斥力，导致驱动磁体驱动动子在直线导轨上产生运动；改变动子中电流的方向使动子产生了相反方向的磁场，从而导致动子带动移动平台在直线导轨上往返运动。由于驱动磁体位于移动平台的左右两边，移动平台只受负载力，动子和驱动磁体之间的排斥力与吸引力对移动平台的影响较小，因此移动平台不易产生形变，设备的稳定性增加；同时，除去定子后，降低了直线电机的高度，缩小了直线电机的尺寸，有利于直线电机的改良优化。此外，本方案还减去了常规直线电机中的定子，从而减少了制造定子的高昂费用，降低了直线电机的制造成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种直线电机的结构图；

图2为一种直线电机的动作示意图，供说明移动平台向左运动的状态；

图3为一种直线电机的动作示意图，供说明移动平台向右运动的状态；

图4为另一种直线电机的动作示意图，供说明移动平台向左运动的状态；

图5为另一种直线电机的动作示意图，供说明移动平台向右运动的状态；

图6为一种直线电机的伸缩杆的示意图；

图7为一种直线电机的定位系统的示意图。

图中：1、移动平台；2、直线导轨；3、第一电磁铁；4、底板；5、动子；6、第二端部侧板；7、第一端部侧板；8、第二电磁铁；9、第一磁体；10、第二磁体；11、伸缩杆。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

常规直线电机由定子提供动力，但是定子的制造过程中需要使用稀土永磁体，导致定子的制造成本偏高。并且，常规直线电机运行时，动子和定子之间具有吸引力，会使动子和定子相靠近，容易导致动子上方的移动平台变形，使直线电机的结构损坏。

本实用新型提供了一种直线电机，除去了常规直线电机中的定子，在动子的两端安装驱动磁体。两个驱动磁体的磁极方向相反，使通电后的动子受一端驱动磁体的吸引力，受另一端驱动磁体的排斥力，从而导致驱动磁体驱动动子朝向与其具有吸引力的驱动磁体运动；而改变动子中电流的方向即可改变动子的磁场方向，从而改变其与驱动磁体间力的效果，从而使动子产生反向的运动；规律性地改变动子中电流的方向，即可使动子在两个驱动磁体之间产生往返运动，从而带动移动平台运动，将电能转换为机械能。

由于驱动磁体位于移动平台的左右两边，移动平台只受负载力，动子和驱动磁体之间的排斥力与吸引力对移动平台的影响较小，因此减小了移动平台变形的概率；并且可降低整个电机的高度，减小电机的尺寸，有利于直线电机的改良优化。同时，由于直线电机中减去了定子，进而减少了定子所需的高昂费用，使得直线电机的制造成本大大减低。传统永磁材料的价格低，本方案中所使用的磁体材料均为传统永磁材料。此直线电机只适用于小行程、小范围，行程大了以后速度上不去且负载会变得很小。

实施例1：

安培定则，也叫右手定则，是表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则。用右手握住通电直导线，让大拇指指向通电螺线管N极，那么四指指向就是电流的环绕方向；用右手握住通电螺线管，让四指指向电流的方向，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。

本实施例中提出了一种直线电机，请参阅附图1，为直线电机的结构图。

直线电机包括固定结构和活动结构，固定结构包括底板4、直线导轨2、第一电磁铁3、第二电磁铁8、第一端部侧板7和第二端部侧板6；活动结构包括动子5和移动平台1。底板4为矩形板状结构，底板4两端的短边分别垂直安装有第一端部侧板7和第二端部侧板6，在第一端部侧板7上安装有第一电磁铁3，在第二端部侧板6上安装有第二电磁铁8；在底板4的上方，沿着底板4的两条长边安装有直线导轨2；动子5为设置在直线导轨2上的长方体结构，动子5与直线导轨2活动连接；动子5的上方固定连接着移动平台1，动子5沿着直线导轨2产生直线运动，从而导致移动平台1沿着直线导轨2产生直线运动。

在此实施例中的驱动磁体为驱动电磁铁，在直线导轨的两端设置有端部侧板，驱动电磁铁安装在端部侧板上，在端部侧板上与动子平行的位置安装有驱动电磁铁。端部侧板将驱动电磁铁固定安装在直线导轨的两端，增加了驱动电磁铁的稳定性，避免使用过程中驱动电磁铁产生位移，从而避免造成直线导轨设备的损坏。侧板的造价较低，且固定效果良好；而将驱动磁体安装在与动子平行的位置，使动子与驱动磁体之间的距离达到最小，增加了驱动磁体对动子的驱动力，有利于提高直线电机中动子的运动速度。

在直线电机运行时，动子5的内部有电流通过，根据安培的右手定则动子5产生磁场；第一电磁铁3和第二电磁铁8位于直线导轨2的两端，动子5的两端与第一电磁铁3和第二电磁铁8平行，优选地，动子5的两端与第一电磁铁3和第二电磁铁8平行且高度一致；第一电磁铁3和第二电磁铁8的磁极方向相反，导致第一电磁铁3与第二电磁铁8对动子5分别产生吸引力和排斥力，第一电磁铁3与第二电磁铁8对动子5分别产生排斥力和吸引力；在两个力的作用下，动子5产生运动，导致移动平台1运动。当动子5内的电流方向改变，动子5的磁场方向改变，使得移动平台1和动子5的运动方向改变；动子5内电流的方向规律性地改变，导致移动平台1和动子5沿着直线导轨2产生往返直线运动。

需要说明的是，电磁铁在未通电时不存在磁极，本实施例中所描述的驱动电磁铁的磁极为驱动电磁铁通电时产生的磁极。

请参阅附图2，为直线电机的动作示意图，供说明移动平台向左运动的状态。

在第一电磁铁3与第二电磁铁8上有电流通过，斜向箭头所示的方向为电流运动的方向；第二电磁铁8的电流方向为由下向上，根据右手定则可知第二电磁铁8的磁极方向为左端为N极、右端为S极；第一电磁铁3的电流方向为由上向下，根据右手定则可知第一电磁铁3的磁极方向为左端为S极、右端为N极。在动子5的内部也有电流通过，如图2所示，动子5的电流方向为由下向上，根据右手定则可知定子5的磁极方向为左端为N极、右端为S极；由于同名磁极相互排斥、异名磁极相互吸引，因此动子5与第二电磁铁8之间具有吸引力，动子5与第一电磁铁3之间具有排斥力，动子5朝向第二电磁铁8运动，带动移动平台1向左运动。

请参阅附图3，为直线电机的动作示意图，供说明移动平台向右运动的状态。

动子5的电流方向为由上向下，根据右手定则可知定子5的磁极方向为左端为S极、右端为N极；由于同名磁极相互排斥、异名磁极相互吸引，因此动子5与第二电磁铁8之间具有排斥力，动子5与第一电磁铁3之间具有吸引力，动子5朝向第一电磁铁3运动，带动移动平台1向右运动。

因此，仅需要改变动子5中电流运动的方向，即可改变动子5上磁极的方向，从而导致动子5产生左右运动，带动移动平台1沿着直线导轨2往返运动。

永磁材料按磁性能的高低，大致可分为两类：一种为传统永磁材料，如铝镍钴、铁氧体，磁性能较低，价格低；另一种为稀土永磁新材料，如钐系磁体(例如，SmCo)及钕系磁体(例如，钕铁硼)，磁性能较高，价格贵；本方案中所使用的磁体材料均为传统永磁材料。

在进一步地实施例中，在以上方案的基础上，将驱动磁体进行进一步的优化；使用传统永磁材料作为驱动磁体，可减少直线电机的制造成本和运行成本。如附图4和附图5所示，将所述第一电磁铁3与第二电磁铁8改变为第一磁体9与第二磁体10，减少了直线电机的耗电量，从而减少了直线电机工作时产生的能耗，有利于实现节能减排，也减少直线电机的制造成本和运行成本。

请参阅附图4，为直线电机的动作示意图，供说明移动平台向左运动的状态。

第二磁体10与第一磁体9与动子5沿着一条直线排列，第一磁体9与第二磁体10的磁极方向相反；第一磁体9的左端为S极、右端为N极；第二磁体10的左端为N极、右端为S极。在动子5的内部也有电流通过，如图4所示，斜箭头显示的是电流的方向，动子5的电流方向为由下向上，根据右手定则可知定子5的磁极方向为左端为N极、右端为S极；由于同名磁极相互排斥、异名磁极相互吸引，因此动子5与第二磁体10之间具有吸引力，动子5与第一磁体9之间具有排斥力，动子5朝向第二磁体10运动，带动移动平台1向左运动。

请参阅附图5，为直线电机的动作示意图，供说明移动平台向右运动的状态。

如图5所示，动子5的电流方向为由上向下，根据右手定则可知定子5的磁极方向为左端为S极、右端为N极；由于同名磁极相互排斥、异名磁极相互吸引，因此动子5与第二磁体10之间具有排斥力，动子5与第一磁体9之间具有吸引力，动子5朝向第一磁体9运动，带动移动平台1向右运动。

本实施例中用传统永磁材料代替驱动电磁铁，减少了直线电机的耗电量，从而减少了直线电机工作时产生的能耗，有利于节能减排，并节省了直线电机的制造成本和使用成本。

本方案所制备的直线电机除去了常规直线电机中的定子，使用价格低廉的电磁铁或者传统永磁体作为驱动磁体为直线电机提供动力，规律性地改变动子中电流的方向，即可使动子在两个驱动磁体之间产生往返运动，从而带动移动平台运动，将电能转换为机械能。此直线电机结构简单，并且动力效果好。并且，移动平台只受负载力，减去了动子和定子之间产生的拉扯力，从而避免了直线电机由于动子和定子的拉扯力产生的形变，使直线电机的稳定性提高；而除去了定子后，降低了整个直线电机的高度，减小了直线电机的尺寸。同时，由于除去了定子，且驱动磁体的制造成本低，减少了直线电机的制造成本，有利于企业的生产经营。

实施例2：

在本实施例中提供了一种直线电机，在上述方案的基础上，在动子与移动平台之间安装多个伸缩杆。请参阅附图6，为伸缩杆的示意图，伸缩杆为可伸缩的空心圆柱体杆状结构。伸缩杆11的顶端与移动平台1的底面固定连接，伸缩杆11的底端与动子5的顶面固定连接，伸缩杆11能够上下伸缩，使移动平台1能够平行于动子5上下运动，从而调节移动平台1的高度，使直线电机的应用范围更加广泛。

在进一步的实施例中，动子5的顶面与移动平台1的底面通过弹簧固定连接。弹簧使移动平台1能够承受更多的压力，有利于直线电机承载更重的物品。

在进一步的实施例中，在移动平台朝向驱动磁体的面上安装有减震垫，移动平台上安装的减震垫减小了移动平台与驱动磁体之间相靠近时所产生的压力，减少了移动平台和驱动磁体的损耗，增加了直线电机的使用寿命。

在进一步的实施例中，在移动平台的上表面安装有定位系统，对移动平台的所在位置进行定位；如附图7所示，为一种直线电机的定位系统的示意图。定位系统包括安装在移动平台1上定位器，定位器测量移动平台1所处的位置，处理器将测量的信息转化为数字信号传递给控制器。

在进一步的实施例中，在动子上靠近直线导轨的侧面安装有定位器，定位器包括光栅尺。磁栅尺通过录磁头在磁性尺上录制出间隔严格相等的磁波；光栅尺也称为光栅尺位移传感器，是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置；磁栅尺会受到直线电机中磁极的影响，导致定位产生误差，而光栅尺不受磁场的影响，因此在本装置中采用光栅尺进行测量。移动平台上安装的控制器接收处理器传出的数字信号；控制器与动子和驱动电磁铁的开关连接，从而控制动子和驱动电磁铁的开启和关闭。

在进一步的实施例中，控制器与电流调节阀相连接，电流调节阀控制动子和驱动电磁铁内电流的大小和方向。控制器通过调节动子内部电流的方向，改变动子产生磁场的方向，进而改变移动平台的运动方向。控制器通过改变动子内电流的大小，改变动子所产生的磁场的大小，从而改变动子的运动速度，进而改变移动平台的运动速度；并且控制器还能够通过改变驱动电磁铁的电流大小，改变动子所受驱动电磁铁的驱动力的大小，从而改变动子的运动速度，进而改变移动平台的运动速度。

定位系统使得移动平台的移动速率和移动位置有数据记录，有利于对移动平台运动的情况进行监控和调整，便于直线电机的实际应用。

综上所述，本申请从实际应用出发，考量除去直线电机中的定子的可行性，设计了一种直线电机。将动子活动配合于直线导轨的上方，在动子的上方固定连接移动平台；在直线导轨的两端均安装驱动磁体，两个驱动磁体的磁极方向相反；在动子的内部有电流通过，动子产生的磁场与两个驱动磁体分别产生吸引力和排斥力，导致驱动磁体驱动动子在直线导轨上产生运动，带动移动平台产生运动；改变动子中电流的方向产生了相反方向的磁场，从而使移动平台在直线导轨上往返运动。由于驱动磁体位于移动平台的左右两边，移动平台只受负载力，动子和驱动磁体之间的排斥力与吸引力对移动平台的影响较小，因此移动平台不易产生形变，设备的稳定性增加；同时可降低整个电机的高度，减小电机的尺寸，有利于直线电机的改良优化。本方案减去了常规直线电机中的定子，从而减少了制造定子的高昂费用，使得直线电机的制造成本大大减低。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种直线电机，包括动子、直线导轨、移动平台，所述动子活动配合于所述直线导轨的上方，所述动子与所述移动平台固定连接；其特征在于，在所述直线导轨的两端均设有驱动磁体，两个所述驱动磁体的磁极方向相反，所述动子通电后产生与两个所述驱动磁体相作用的磁场；所述驱动磁体为永磁体或电磁铁。

2.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于，在所述动子上安装有多个伸缩杆，所述伸缩杆为可伸缩的空心圆柱体杆状结构；所述伸缩杆的底端与所述动子的顶面固定连接，所述伸缩杆的顶端与所述移动平台的底面固定连接。

3.根据权利要求2所述的直线电机，其特征在于，所述动子的顶面与所述移动平台的底面通过弹簧固定连接。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的直线电机，其特征在于，在所述移动平台朝向所述驱动磁体的面上安装有减震垫。

5.根据权利要求4所述的直线电机，其特征在于，在所述直线导轨的两端设置有固定机构，所述驱动磁体安装在所述固定机构上。

6.根据权利要求5所述的直线电机，其特征在于，所述固定机构为侧板，所述驱动磁体安装在所述侧板上与所述动子平行的位置。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的直线电机，其特征在于，在所述动子上靠近所述直线导轨的侧面安装有定位器，所述定位器包括光栅尺。

8.根据权利要求7所述的直线电机，其特征在于，所述移动平台上还安装有处理器，所述处理器将测量的信息转化为数字信号。

9.根据权利要求8所述的直线电机，其特征在于，所述移动平台上还安装有控制器，所述控制器接收所述处理器传出的数字信号，所述控制器与所述动子和驱动电磁铁的开关连接。

10.根据权利要求9所述的直线电机，其特征在于，所述控制器与电流调节阀相连接，所述电流调节阀控制所述动子和所述驱动电磁铁内电流的大小和方向。