TWI405389B - 具有減小的齒槽的直線電動機 - Google Patents

Description

具有減小的齒槽的直線電動機 發明領域

本發明涉及直線電動機系統，更具體地涉及具有減小的齒槽(cogging)的直線電動機系統。

發明背景

直線電動機在現有技術中是熟知的並用於許多不同行業。例如，直線電動機系統用於引線接合機，以提供沿不同軸的高速直線運動。例如，在特定引線接合機中，直線電動機用於提供沿機器x軸和y軸的精確高速運動。

在直線電動機領域中已知的問題是齒槽。例如，線性鐵芯同步/無刷直流電動機中的齒槽力是不需要的，因爲它易於作爲伺服系統電流/力回路的干擾，從而損害伺服系統性能。

在包括線圈元件(如包括配置爲繞有線圈的齒的層疊電樞)的直線電動機中，減小齒槽力的一種方法已涉及線圈元件端齒的設計。例如，授予Oishi的美國專利4,912,746通過切掉端齒的一部分以減小在電樞芯各軸向端的齒的單位體積。在另一實例中，授予Wavre的美國專利5,910,691提供具有與第二斜節段86相鄰的第一節段84的端齒78、80。

因此，儘管已知現有技術試圖通過對電樞端齒進行專門設計來減小直線電動機中的齒槽效應，本行業中繼續迫切要求減小直線電動機中的齒槽。

因此，需要提供具有減小的齒槽的直線電動機。

發明概要

根據本發明一個示例性實施例，提供一種直線電動機。該直線電動機包括具有多個永磁鐵的磁軌和包括多個疊片的線圈元件。線圈元件限定了多個齒，在所述多個齒之間具有狹槽。多個齒包括(1)兩個端齒和(2)佈置在兩端齒之間的至少一個非端齒。兩個端齒中的每個限定了包括第一表面和第二表面的端部輪廓。第一表面和第二表面通過與由多個磁鐵所限定的平面大致垂直的台階隔開。該直線電動機還包括多個線圈，所述多個線圈至少部分地設置在由多個齒所限定的狹槽的至少一部分中。

圖式簡單說明

通過以下結合附圖的詳細描述可以最好地理解本發明。應強調，按照一般慣例，附圖的各個特徵未按規定比例。相反，各個特徵的尺寸可任意增大或縮小以便清楚。

附圖中包括以下各圖：第1圖是根據本發明一個示例性實施例的直線電動機的剖視圖；第2圖是根據本發明另一示例性實施例的直線電動機的剖視圖；第3A圖是根據本發明一個示例性實施例的直線電動機的線圈元件的端齒的局部視圖；第3B圖是根據本發明另一示例性實施例的直線電動機 的線圈元件的端齒的局部視圖；第4A圖是根據本發明又一示例性實施例的直線電動機的線圈元件的端齒的局部視圖；第4B圖是根據本發明又一示例性實施例的直線電動機的線圈元件的端齒的局部視圖；第5A圖是根據本發明又一示例性實施例的直線電動機的線圈元件的端齒的局部視圖；以及第5B圖是根據本發明又一示例性實施例的直線電動機的線圈元件的端齒的局部視圖。

具體實施方式

此處，術語“磁軌”用於指在包括多個永磁鐵的直線電動機中的多個結構中的任一結構，其中多個永磁鐵被佈置成與直線電動機線圈元件磁性地相互作用，使得可提供至少一個磁軌和線圈元件的所需直線運動。同樣地，磁軌並不用於限於例如永磁鐵的任一特別佈置或間隔，磁軌也並不用於限於永磁鐵任一特別支承結構。

第1圖爲直線電動機100的剖視圖。直線電動機100包括磁軌101和線圈元件108。如本領域技術人員所理解，爲簡明已省略直線電動機100的某些元件(例如電氣連接等)。

磁軌101包括支承板102(例如鋼板)和置於支承板102上的多個永磁鐵104。例如，永磁鐵104可以本領域技術人員已知的預定間隔被粘結或用其他方式固定在支承板102上。爲描述本發明的某些示例性特徵，在第1圖中顯示了與 永磁鐵104頂面大體平行的平面106。

線圈元件108包括多個疊片110和多個繞組112。疊片110以本領域技術人員公知方式層疊，例如形成電樞等。用於疊片110的示例性材料包括矽鋼、低碳鋼等等。層疊的疊片110限定基部部分110a和從基部部分110a延伸的多個齒110b。本領域技術人員應理解的是，基部部分110a可限定第1圖中未顯示的某些特徵(例如，對準特徵、凹槽、孔等)。

狹槽114被限定在相鄰齒110b之間、端齒110c與相鄰齒110b之間、以及端齒110d與相鄰端齒110b之間。在第1圖所示本發明示例性實施例中，在每個齒110b的端部限定有凸緣部分110e。因此，在第1圖所示本發明示例性實施例中，與沿朝基部部分110a延伸的齒110b的長度的其餘部分的狹槽114相比，在凸緣部分110e之間的狹槽114寬度較小。

繞組112(例如絕緣繞組)設置在狹槽114中。例如，繞組112可佔據每個狹槽114，或某些狹槽114可包括繞組112而其他狹槽可保持爲空的。此外，單個狹槽114可被單個繞組112佔據，或單個狹槽114可被多重繞組112的多個部分佔據。此外，根據特定應用需要，繞組112可佔據狹槽114容積的任意部分(例如，全部、大體上全部、一半等)。

層疊的疊片110也限定從基部部分110a延伸的端齒110c和110d。如上所述，已知直線電動機的端齒設計可對直線電動機的齒槽產生影響。

根據本發明一個示例性實施例，每個端齒的端部輪廓包括第一表面和第二表面。第一表面和第二表面通過台階 隔開，該台階與由直線電動機的多個永磁鐵限定的平面大體垂直。參見第1圖所示本發明實施例，端齒110c和110d均設置有隔開各自第一和第二表面的這種台階，以下將參考第3A圖更詳細描述。

第2圖是根據本發明另一示例性實施例的直線電動機200的剖視圖。直線電動機200包括磁軌201和線圈元件208。磁軌201包括支承板202(例如鋼板)和置於支承板202上的多個永磁鐵204。例如，永磁鐵204可以如本領域技術人員已知的預定間隔被粘結或其他方式固定在支承板202上。爲描述本發明的某些示例性特徵，第2圖顯示了與永磁鐵204頂面大體平行的平面206。

線圈元件208包括多個疊片210和多個繞組212。疊片210以本領域技術人員所知方式層疊，例如形成電樞等。層疊的疊片210限定基部部分210a和從基部部分210a延伸的多個齒210b。狹槽214被限定在相鄰齒210b之間、端齒210c和相鄰齒210b之間、以及端齒210d與相鄰端齒210b之間。在第2圖所示本發明示例性實施例中，在每個齒210b的端部沒有限定凸緣部分(如第1圖實施例所示)，因此，狹槽214的寬度沿著朝基部部分210a延伸的齒210b的長度大體相同。

繞組212設置在狹槽214中。例如，繞組212可佔據每一狹槽214，或某些狹槽214可包括繞組212而其他保持爲空的。此外，單個狹槽214可被單個繞組212佔據，或單個狹槽214可被多重繞組212的多個部分佔據。此外，根據某些 應用需要，繞組212可佔據狹槽214容積的任意部分(例如，全部、大體上全部、一半等)。

層疊的疊片210也限定從基部部分210a延伸的端齒210c和210d。如上所述，已知直線電動機的端齒設計可對直線電動機的齒槽產生影響。

參見第2圖所示本發明實施例，端齒210c和210d均設置有隔開各自第一和第二表面的這種台階，以下將參考第3B圖更詳細描述。

第3A圖是第1圖所示直線電動機100的端齒110c的局部視圖(第1圖中標爲"A")。儘管第3A圖中未提供端齒110d的詳細視圖，它可被認爲是端齒100c的鏡像(如第1圖所示)。現再參見第3A圖，端齒110c的端部輪廓包括被台階110i隔開的第一表面110f和第二表面110g。如第1圖和第3A圖總體所示，台階110i 與平面106大體垂直。第一表面110f與平面106大體平行，且第二表面110g被配置爲相對台階110i成銳角"A"。根據本發明一個優選實施例，第二表面110g和台階110i之間的銳角"A"在60至90度之間。

如果第一表面110f被認爲處於疊片110頂部(使得基部部分110a被認爲處於疊片110底部)，且如果第二表面110g被認爲處於第一表面110f之下，則台階110i是向下的台階。本發明申請所述的所有示例性台階(即台階110i、210i、310i、410i、510i和610i)均以此方式顯示。儘管優選爲這種佈置，本發明也可考慮替代方案，即從第一表面110f至第二表面110g向上的台階。

凸緣部分110h與第一表面110f相鄰，而直線電動機100的多個齒110b的端部包括凸緣部分110e(示於第1圖)。因此，端齒110c(和端齒110d，除第1圖外均未顯示)包括凸緣部分(即，端齒110c的凸緣部分110h)。

第3A圖中也顯示寬度"W1"和"W2"以及高度"H"。如第3A圖所示，寬度W1爲端齒110c與第二表面110g相鄰的部分的寬度(即寬度W1與平面106平行，因此寬度W1與第3A圖中第二表面110g的長度不同)。寬度W2爲端齒110c的總寬度(在具有這種凸緣部分的各實施例中不包括凸緣部分110h的附加寬度)。高度H爲台階110i的高度。發明人已經確定，W1與W2、以及H與W1的某些比值在減小齒槽方面提供特別理想的優點。例如，根據本發明一個示例性實施例，W1/W2比值在0.4至0.7之間，其一個具體實例的W1/W2比值爲0.6。例如，根據本發明一個示例性實施例，H/W1比值在0.3至0.5之間，其一個具體實例的H/W1比值爲0.4。

第3B圖是第2圖中直線電動機200的端齒210c的局部視圖(在第2圖中標爲"B")。如第3B圖所示，端齒210c的端部輪廓包括被台階210i隔開的第一表面210f和第二表面210g。見第2圖和第3B圖總體所示，台階210i與平面206大體垂直。第一表面210f與平面206大體平行，且第二表面210g被配置爲相對台階210i成銳角"A"。根據本發明一個優選實施例，第二表面210g和台階210i之間的銳角"A"在60至90度之間。

與第1圖中端齒110c和110d相比，第2圖中的端齒210c 和210d不包括凸緣部分(例如，端齒110c的凸緣部分110h)。

與第3A圖相似，第3B圖也顯示了寬度"W1"和"W2"以及高度"H"。例如，根據本發明一個示例性實施例，W1/W2比值在0.4至0.7之間，其一個具體實例的W1/W2比值為0.6。例如，根據本發明一個示例性實施例H/W1比值在0.3至0.5之間，其一個具體實例的H/W1比值爲0.4。

第4A圖、第4B圖、第5A圖和第5B圖爲根據本發明各示例性實施例的端齒輪廓的另外實例，其中每一示例性輪廓包括在端齒的端部輪廓的第一表面和第二表面之間的台階。儘管這些視圖均僅顯示了單個端齒的一部分，應理解的是，例如如第1圖至第2圖所示可提供兩個這種端齒(即，其中端齒互爲鏡像)。

第4A圖是配置爲用於如第1圖至第2圖所示直線電動機的端齒310c的局部視圖。如第4A圖所示，端齒310c的端部輪廓包括被台階310i隔開的第一表面310f和第二表面310g。台階310i與多個永磁鐵所限定的平面(即，與第1圖至第2圖中平面106/206相似的平面)大體垂直。第一表面310f和第二表面310g中的每個均與多個永磁鐵限定的平面大體平行，因而，第二表面310g與台階310i之間限定的角度"A"約為90度。與第3A圖所示端齒110c相似，端齒310c包括凸緣部分310h。

第4B圖是配置爲用於如第1圖至第2圖所示直線電動機的端齒410c的局部視圖。如第4B圖所示，端齒410c的端部 輪廓包括被台階410i隔開的第一表面410f和第二表面410g。台階410i與多個永磁鐵所限定的平面(即，與第1圖至第2圖中平面106/206相似的平面)大體垂直。第一表面410f和第二表面410g中的每個均與多個永磁鐵限定的平面大體平行，因而，第二表面410g與台階410i之間限定的角度"A"約爲90度。與第3B圖所示端齒210c相似，端齒410c不包括凸緣部分(即，諸如端齒110c的凸緣部分110h)。

第5A圖是配置爲用於如第1圖至第2圖所示直線電動機的端齒510c的局部視圖。如第5A圖所示，端齒510c端部輪廓包括被台階510i隔開的第一表面510f和第二表面510g。台階510i與多個永磁鐵所限定的平面(即，與第1圖至第2圖中平面106/206相似的平面)大體垂直。第一表面510f與多個永磁鐵限定的平面大體平行。第二表面510g配置爲相對台階510i成鈍角"A"。根據本發明一個優選實施例，第二表面510g與台階510i之間限定的鈍角"A"在90至120度之間。與第3A圖所示端齒110c相似，端齒510c包括凸緣部分510h。

第5B圖是配置為用於如第1圖至第2圖所示直線電動機的端齒610c的局部視圖。如第5B圖所示，端齒610c的端部輪廓包括被台階610i隔開的第一表面610f和第二表面610g。台階610i與多個永磁鐵所限定的平面(即，與第1圖至第2圖中平面106/206相似的平面)大體垂直。第一表面610f與多個永磁鐵限定的平面大體平行。第二表面610g配置爲相對台階610i成鈍角"A"。根據本發明一個優選實施例，第二表面610g與台階610i之間限定的鈍角"A"在90至120度之 間。與第3B圖所示端齒210c相似，端齒610c不包括凸緣部分(諸如端齒110c的凸緣部分110h)。

端齒310c、410c、510c及610c(分別見第4A圖、第4B圖、第5A圖及第5B圖所示)中的每個限定了"W1"和"W2"以及高度"H"。如上所述的端齒110c和210c，根據本發明一個示例性實施例，端齒310c、410c、510c及610c中的每個的W1/W2比值均在0.4至0.7之間，其一個具體實例的W1/W2比值爲0.6。同樣地，根據本發明一個示例性實施例端齒310c、410c、510c及610c中的每個的H/W1比值均在0.3至0.5之間，其一個具體實例的H/W1比值爲0.4。

應注意，與第3A圖至第3B圖和第5A圖至第5B圖中的寬度W1不同，第4A圖至第4B圖中的寬度W1與第二表面(即第4A圖中的第二表面310g，第4B圖中的第二表面410g)的長度相同。

再次參考第1圖至第2圖中所示的示例性直線電動機100和200(其中這種直線電動機可利用本發明範圍內的任何端齒，包括第3A圖至第3B圖、第4A圖至第4B圖以及第5A圖至第5B圖中所示的端齒)，磁軌和線圈元件中的任一個可爲直線電動機的固定部件(即定子)，而磁軌和線圈元件中的另一個可爲直線電動機的移動部件。

如本領域技術人員已知，直線電動機的多個特徵可被優化，以達到如減小齒槽的所需結果。例如，這些特徵可包括：(1)包括在磁軌中的永磁鐵的間隔或節距；(2)線圈元件的多個齒的間隔或節距；(3)齒間狹槽的寬度；(4)齒的長 度等。這些特徵可單獨或相互組合地被優化，以達到所需結果(如通過移相實現齒槽減小)。

本發明的直線電動機可在多個技術領域中得到應用。一種示例性使用領域爲引線結合機，其中根據本發明的直線電動機可用於提供沿x軸、y軸或兩者的直線運動。更具體地，例如，這種直線電動機可用於給引線結合機的接合頭元件提供沿接合頭元件的x軸、接合頭元件的y軸或兩者的直線運動。當然，本發明的直線電動機在需要減小齒槽的其他多個技術領域的任一領域中也將得到應用。

儘管已描述了本發明的某些優選實施例，本發明不限於所示細節。在不偏離本發明範圍情況下，在與各申請專利範圍等同的範圍內可進行多種更改。

100、200‧‧‧直線電動機

101、201‧‧‧磁軌

102、202‧‧‧支承板

104、204‧‧‧永磁鐵

106、206‧‧‧平面

108、208‧‧‧線圈元件

110、210‧‧‧疊片

110a、210a‧‧‧基部部分

110b、210b‧‧‧相鄰齒

110c、110d、210c、210d、310c、

410c、510c、610c‧‧‧端齒

110e、110h、310h、510h‧‧‧凸 緣部分

110f、210f、310f、410f、510f、 610f‧‧‧第一表面

110g、210g、310g、410g、 510g、610g‧‧‧第二表面

110i、210i、310i、410i、510i、

610i‧‧‧台階

112、212‧‧‧繞組

114、214‧‧‧狹槽

"A"‧‧‧角度

W1、W2‧‧‧寬度

H‧‧‧高度

第1圖是根據本發明一個示例性實施例的直線電動機的剖視圖；第2圖是根據本發明另一示例性實施例的直線電動機的剖視圖；第3A圖是根據本發明一個示例性實施例的直線電動機的線圈元件的端齒的局部視圖；第3B圖是根據本發明另一示例性實施例的直線電動機的線圈元件的端齒的局部視圖；第4A圖是根據本發明又一示例性實施例的直線電動機的線圈元件的端齒的局部視圖；第4B圖是根據本發明又一示例性實施例的直線電動機

的線圈元件的端齒的局部視圖；第5A圖是根據本發明又一示例性實施例的直線電動機的線圈元件的端齒的局部視圖；以及第5B圖是根據本發明又一示例性實施例的直線電動機的線圈元件的端齒的局部視圖。

100‧‧‧直線電動機

101‧‧‧磁軌

102‧‧‧支承板

104‧‧‧永磁鐵

106‧‧‧平面

108‧‧‧線圈元件

110‧‧‧疊片

110a‧‧‧基部部分

110b‧‧‧相鄰齒

110c、110d‧‧‧端齒

110e‧‧‧凸緣部分

112‧‧‧繞組

114‧‧‧狹槽

"A"‧‧‧角度

Claims (16)

1. 一種直線電動機，包括：包括多個永磁鐵的磁軌；以及包括多個疊片的線圈元件，所述線圈元件限定了多個齒，在所述多個齒之間具有狹槽，所述多個齒包括(1)兩個端齒和(2)佈置在兩端齒之間的至少一個非端齒，所述兩個端齒中的每個限定了包括第一表面和第二表面的端部輪廓，所述第一表面和第二表面通過與多個磁體所限定的平面大體垂直的台階隔開；線圈元件也包括多個線圈，所述多個線圈至少部分地設置在由多個齒所限定的狹槽的至少一部分中，其中第一表面比第二表面更靠近所述至少一個非端齒，並且第二表面配置為相對台階成銳角。
2. 如申請專利範圍第1項所述的直線電動機，其中第一表面與由多個磁體所限定的平面大體平行。
3. 如申請專利範圍第1項所述的直線電動機，其中(1)台階的高度與(2)第二表面的寬度的比值在0.3至0.5之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述的直線電動機，其中(1)第二表面的寬度與(2)端齒的寬度的比值在0.4至0.7之間。
5. 如申請專利範圍第1項所述的直線電動機，其中如果第一表面被認為處於多個疊片的頂部且第二表面在第一表面下方，則台階是向下的台階。
6. 如申請專利範圍第1項所述的直線電動機，其中第二表面配置為相對台階成60至90度的角度。
7. 如申請專利範圍第1項所述的直線電動機，其中所述至少一個非端齒包括位於其端部的凸緣部分，所述凸緣部分比所述至少一個非端齒的其餘部分寬。
8. 如申請專利範圍第1項所述的直線電動機，其中所述至少一個非端齒沿其整個長度具有大體恒定的寬度。
9. 一種直線電動機，包括：包括多個永磁鐵的磁軌；以及包括多個疊片的線圈元件，所述線圈元件限定了多個齒，在所述多個齒之間具有狹槽，所述多個齒包括(1)兩個端齒和(2)佈置在兩端齒之間的至少一個非端齒，所述兩個端齒中的每個限定了包括第一表面和第二表面的端部輪廓，所述第一表面和第二表面通過與多個磁體所限定的平面大體垂直的台階隔開；線圈元件也包括多個線圈，所述多個線圈至少部分地設置在由多個齒所限定的狹槽的至少一部分中，其中第一表面比第二表面更靠近所述至少一個非端齒，並且第二表面配置為相對台階成鈍角。
10. 如申請專利範圍第9項所述的直線電動機，其中第二表面配置為相對台階成90至120度的角度。
11. 如申請專利範圍第9項所述的直線電動機，其中第一表面與由多個磁體所限定的平面大體平行。
12. 如申請專利範圍第9項所述的直線電動機，其中(1)台階的高度與(2)第二表面的寬度的比值在0.3至0.5之間。
13. 如申請專利範圍第9項所述的直線電動機，其中(1)第二 表面的寬度與(2)端齒的寬度的比值在0.4至0.7之間。
14. 如申請專利範圍第9項所述的直線電動機，其中如果第一表面被認為處於多個疊片的頂部且第二表面在第一表面下方，則台階是向下的台階。
15. 如申請專利範圍第9項所述的直線電動機，其中所述至少一個非端齒包括位於其端部的凸緣部分，所述凸緣部分比所述至少一個非端齒的其餘部分寬。
16. 如申請專利範圍第9項所述的直線電動機，其中所述至少一個非端齒沿其整個長度具有大體恒定的寬度。