WO2011076069A1 - 一种动铁式直线电机线圈阵列功率驱动分配方法 - Google Patents
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- H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
Definitions
- the invention relates to a connection mode of a moving iron linear motor coil array and a driver, in particular to a driver distribution method.
- a linear motor is a motor that converts electrical energy into linear motion mechanical energy without the need for any intermediate conversion device. It changes the traditional intermediate conversion system such as chain, wire rope, conveyor belt, rack wire bar, etc. It overcomes the defects of long transmission chain, large volume, low efficiency and poor precision of traditional mechanical conversion mechanism. It has large starting thrust and transmission. High stiffness, fast dynamic response, high positioning accuracy, and unlimited stroke length. Its applications range from machine tools, train drives, material handling, automatic plotters, home appliances, and semiconductors. In terms of linear motor structure, there are various forms, and patents 200410046893.X, Patent 200610033455.9 and Patent 018 03670.8 describe several linear motors of different configurations and their applications.
- moving iron linear motors are one of the most widely used linear motors.
- the stroke length is an important aspect of measuring performance.
- the stator coils must increase as the stroke increases, thereby causing an increase in the number of power drivers for driving the coils.
- the expensive cost of the pen Therefore, a drive distribution method that can reduce the number of drives and ensure the linear motion of a linear motor is urgently needed.
- An object of the present invention is to provide a power drive distribution method for a moving iron linear motor coil array, which realizes a linear motion of a moving iron linear motor with a specified number of drives.
- a moving iron linear motor coil array power driving distribution method comprising a stator coil array and a mover magnetic steel array, wherein the method comprises the following steps:
- each divided region is further divided into a working state region and a transition state region, wherein the working state region includes a working coil, and the state transition region a transition coil is included therein, wherein the transition state region is located on both sides of each divided region, and the size of the moving magnet steel array is smaller than the stator coil array;
- step 1) According to the number of coils in each divided area in step 1), it is determined that the total number of power drivers is consistent with the total number of working coils and transition coils in one divided area, and all power drivers constitute a driver array; 3) setting a switch device, connecting the driver array to the stator coil array through the switch device, and ensuring that each driver is connected to the corresponding position coil in each divided area through the switch device, and one drive can only correspond to one at the same time Coil connection
- transition state region width is calculated according to the following formula:
- L be the transition state region width
- V max be the maximum speed of the mover motion
- ⁇ be the maximum transition time of the stator coil array to turn the drive on or off through the switch device
- the method for determining the size of the working state region is as follows: Under the premise that the electromagnetic shielding of the coil and the magnetic steel array under the moving magnet steel array does not produce an edge effect, the working state region takes the maximum size of the outer circumference of the coil, and the transition The inner frame of the state area is the same size as the working state area, and the width L of the transition state area is expanded along the moving direction in the frame of the transition state area to form a frame of the transition state area, and is determined by the limitation of the outer frame in the transition state area. Transition state area.
- step 1) The method for determining w described in step 1) of the present invention is as follows:
- the technical feature of the present invention is further: the number of transition coils in the transition state region in step 1) is determined by the transition state region width and a single coil size, and each divided region has a size at least equal to the moving magnet array.
- the size of the coverage area Since the above technical solution is adopted, the present invention has the following advantages and outstanding effects, that is, under the condition that the number of coils included in the stator coil array is large, the conversion of the different drive distribution states is made under the magnetic steel array or The nearby coil is in the actual energized working state, reducing the number of power drives for driving the coil, ensuring the normal operation of the energized coil, saving cost, improving work efficiency, and realizing large-stroke linear motion of the linear motor.
- FIG. 1 is a schematic view showing the overall structure of a power-driven distribution device for a moving iron type linear motor coil array according to the present invention.
- Figure 2 is a plan view showing the rotor steel array of the present invention as seen from the bottom.
- 3a and 3b are plan views of different divided regions of the stator coil array of the present invention.
- 4a, 4b are transition diagrams of the drive distribution state during the operation of the present invention.
- FIG. 1 is a schematic view showing the overall structure of a moving iron type linear motor coil array power driving and distributing device according to the present invention, comprising a moving iron linear motor, a driver array 7, a switching device 8, and a transient state region 4, the moving iron linear motor
- the stator 5 includes a stator coil array 6 composed of a plurality of coils, and the lower surface of the mover is provided with a moving magnet steel array 2, and the switch device 8 is respectively connected by a cable 9 Connected to the driver array 7 and the stator coil array 6, the switching device can be soft-switched, hard-switched, and can operate normally in a continuous or discontinuous state.
- the invention provides a method for power drive distribution of a moving iron linear motor coil array, the method comprising the following steps:
- each divided region is further divided into a working state region and a transition state region, wherein the working state region includes a working coil, and the state transition region a transition coil is included therein, wherein the transition state region is located on both sides of each divided region, and the size of the moving magnet steel array is smaller than the stator coil array;
- step 2) According to the number of coils in each divided area in step 1), it is determined that the total number of power drivers is consistent with the total number of working coils and transition coils in one divided area, and all power drivers constitute a driver array;
- transition state area width is calculated according to the following formula:
- L be the transition state region width
- V max be the maximum speed of the mover motion
- ⁇ be the maximum transition time of the stator coil array to turn the drive on or off through the switch device
- the method for determining the size of the working state region is as follows: Under the premise that the electromagnetic shielding of the coil and the magnetic steel array under the moving magnet steel array does not produce an edge effect, the working state region takes the maximum size of the outer circumference of the coil, and the transition state region The inner frame is in the same size as the working state area, and the transition state area width L is extended on both sides of the moving direction frame in the transition state area to form a transition state area outer frame, and the transition state is determined by the limitation of the inner frame in the transition state area. region.
- the method for determining the w is as follows:
- the number of transition coils in the transition state region is determined by the transition state region width and a single coil size, and each divided region has a size at least equal to the size of the area covered by the mover magnet array.
- the working state region 3 takes the maximum size of the outer circumference of the coil, that is, the length of the working state region 3 in the moving direction is 60 mm. .
- the inner frame of the transition state area is the same size as the working state area, and the frame expands on both sides of the moving direction in the transition state area.
- step 1) According to the number of coils in each divided area in step 1), it is determined that the total number of power drivers is the same as the total number of working coils and transition coils in one divided area, that is, four, and all power drivers constitute a driver array;
- the mover 1 repeats steps 5) to 6) in sequence during the continuous motion, thereby realizing the power drive distribution of the moving iron planar motor coil array.
- the coil currents in the transition state region 4 are all zero, in order to ensure a smooth transition of the switching process and avoid the impact of current discontinuity.
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Description
一种动铁式直线电机线圈阵列功率驱动分配方法
技术领域
本发明涉及一种动铁式直线电机线圈阵列与驱动器连接方式， 特别涉及一种驱动器分配 方法。
背景技术
直线电机是一种将电能转换成直线运动机械能而不需要中间任何转换装置的电机。 它改 变过去以链条、 钢丝绳、 传送带、 齿条丝说杠等传统的中间转换体系， 克服了传统机械转换机 构的传动链长、 体积大、 效率低、 精度差等缺陷， 具有起动推力大、 传动刚度高、 动态响应 快、 定位精度高、 行程长度不受限制等优点。 其应用范围十分广泛， 如机床工作、 列车驱动、 物料运送、 自动绘图仪、 家用电器、 半导体等方面。 就直线电机结构而言， 分为多种形式， 专利 200410046893.X、 专利 200610033455.9及专利 018书03670.8描述了几种不同结构的直线 电机及其应用。
其中， 动铁式直线电机是其中一种应用较为广泛的直线电机。 对于直线电机而言， 行程 长度是衡量其性能的一个重要方面。 而对于本发明研究的动铁式直线电机， 若想使行程长度 变长， 其定子线圈务必会随着行程的增大而增多， 从而引起用于驱动线圈的功率驱动器数量 的增多， 这是一笔昂贵的费用。 因此， 一种既能减少驱动器数量， 又能保证直线电机大行程 直线运动的驱动分配方法亟待提出。
发明内容
本发明的目的在于提供一种动铁式直线电机线圈阵列功率驱动分配方法， 在采用指定数 量驱动器的情况下， 实现动铁式直线电机大行程直线运动。
为了达到上述目的， 本发明的技术方案如下：
一种动铁式直线电机线圈阵列功率驱动分配方法， 所述的动铁式直线电机包含定子线圈 阵列和动子磁钢阵列， 其特征在于所述方法包括以下步骤：
1 ) 将动铁式直线电机长方形定子线圈阵列分成《个划分区域， 每个划分区域再分为工作 状态区域和过渡状态区域， 所述的工作状态区域内包含工作线圈， 所述的状态过渡区域内包 含过渡线圈， 其中所述过渡状态区域位于每个划分区域的两侧， 动子磁钢阵列尺寸小于定子 线圈阵列；
2 ) 根据步骤 1) 中每个划分区域中的线圈数量， 确定功率驱动器的总数量与一个划分区 域内的工作线圈和过渡线圈总数量一致， 所有功率驱动器组成驱动器阵列；
3 ) 设置开关设备， 将所述驱动器阵列通过开关设备与定子线圈阵列连接， 并保证每个驱 动器与每个划分区域内对应位置的线圈通过开关设备连接， 且同一时刻一个驱动器只能与一 个对应线圈连通；
4) 利用位移传感器， 测量当前时刻动子的位置 X；
5 ) 根据所述的动子位置 X以及步骤 1 )所划分区域， 确定当前时刻工作状态区域内工作 线圈的位置及过渡状态区域内过渡线圈的位置， 并给工作线圈通上工作电流， 给过渡线圈通 上零电流；
6 ) 在动子从当前位置运动到下个位置过程中，断开退出过渡状态区域的线圈与所对应驱 动器的连接， 连通进入过渡状态区域的线圈与所对应驱动器的连接， 从过渡状态区域进入工 作状态区域的线圈从零电流切换至工作电流， 从工作状态区域进入到过渡状态区域的线圈电 流切换至零；
7 ) 动子在不断的运动过程中， 依次重复步骤 5 ) ~6)， 从而实现动铁式直线电机线圈阵 列功率驱动的分配。
上述技术方案中， 其特征在于， 所述的过渡状态区域宽度按照如下公式计算：
设 L为过渡状态区域宽度， Vmax为所述动子运动的最大速度， Γ为定子线圈阵列通过开关 设备接通或断开驱动器的最大转换时间， 则满足： L≥Vmax *r。
本发明所述的工作状态区域大小的确定方法为： 在保证动子磁钢阵列下方覆盖线圈与磁 钢阵列电磁作用不会产生边缘效应的前提下， 工作状态区域取覆盖线圈外围最大尺寸， 过渡 状态区域内框与所述工作状态区域大小一致， 并在过渡状态区域内框沿运动方向两侧扩展所 述过渡状态区域宽度 L， 形成过渡状态区域外框， 通过过渡状态区域内外框的限定确定过渡 状态区域。
本发明步骤 1) 中所述 w的确定方法如下：
设 S为定子线圈阵列沿运动方向的长度， α为过渡状态区域外框沿运动方向的长度； 计算 ^除以 α，结果若刚好为整数《 则《 = »¾， 即定子线圈阵列刚好分成/ ί个划分区域， 结果若不是整数值， 则向上取整到 m2， 则 w = m2 + l， 即定子线圈阵列分成《个划分区域， 其 中， 前 2个划分区域为完整划分区域， 最后一个划分区域为不完整划分区域。 本发明的技术特征还在于： 步骤 1)中所述过渡状态区域内的过渡线圈数量由所述过渡状 态区域宽度及单个线圈尺寸大小确定， 每个划分区域的大小至少等于动子磁钢阵列所覆盖区 域的大小。
由于采用了以上的技术方案， 本发明具有以下优点及突出性效果， 即在所述定子线圈阵 列包括的线圈数量较大的情况下， 通过不同驱动分配状态的转换， 使位于磁钢阵列下方或附 近的线圈处于实际通电工作状态， 减少驱动线圈的功率驱动器数量， 保障要求通电线圈的正 常工作， 节约成本， 提高工作效率， 实现直线电机的大行程直线运动。
附图说明
图 1是本发明采用的动铁式直线电机线圈阵列功率驱动分配装置的整体结构示意图。 图 2是本发明动子磁钢阵列从下往上看的平面示意图。
图 3a、 3b是本发明定子线圈阵列不同划分区域平面示意图。
图 4a、 4b是本发明工作过程中驱动分配状态的转换图。
其中， 1-动子； 2-动子磁钢阵列； 3-工作状态区域； 4-过渡状态区域； 5-定子； 6-定子 线圈阵列； 7-驱动器阵列； 8-开关设备； 9-线路电缆； 10-不完整划分区域。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图 1为本发明采用的动铁式直线电机线圈阵列功率驱动分配装置的整体结构示意图， 包 括动铁式直线电机、驱动器阵列 7、 开关设备 8及过渡状态区域 4， 所述动铁式直线电机包括 定子 5和与之相配合的动子 1， 定子 5包括由若干个线圈组成的定子线圈阵列 6， 动子下表面 设置有动子磁钢阵列 2，所述的开关设备 8通过电缆 9分别与驱动器阵列 7及定子线圈阵列 6 连接， 开关设备可以进行软切换、 硬切换， 并可在连续或不连续的状态下都能够正常工作。
本发明提供的一种动铁式直线电机线圈阵列功率驱动分配方法， 该方法包括以下步骤：
1 ) 将动铁式直线电机长方形定子线圈阵列分成 w个划分区域， 每个划分区域再分为工作 状态区域和过渡状态区域， 所述的工作状态区域内包含工作线圈， 所述的状态过渡区域内包 含过渡线圈， 其中所述过渡状态区域位于每个划分区域的两侧， 动子磁钢阵列尺寸小于定子 线圈阵列；
2 ) 根据步骤 1) 中每个划分区域中的线圈数量， 确定功率驱动器的总数量与一个划分区 域内的工作线圈和过渡线圈总数量一致， 所有功率驱动器组成驱动器阵列；
3 ) 设置开关设备， 将所述驱动器阵列通过开关设备与定子线圈阵列连接， 并保证每个驱 动器与每个划分区域内对应位置的线圈通过开关设备连接， 且同一时刻一个驱动器只能与一 个对应线圈连通；
4) 利用位移传感器， 测量当前时刻动子的位置 X；
5 ) 根据所述的动子位置 X以及步骤 1 )所划分区域， 确定当前时刻工作状态区域内工作
线圈的位置及过渡状态区域内过渡线圈的位置， 并给工作线圈通上工作电流， 给过渡线圈通 上零电流；
6) 在动子从当前位置运动到下个位置过程中，断开退出过渡状态区域的线圈与所对应驱 动器的连接， 连通进入过渡状态区域的线圈与所对应驱动器的连接， 从过渡状态区域进入工 作状态区域的线圈从零电流切换至工作电流， 从工作状态区域进入到过渡状态区域的线圈电 流切换至零；
7) 动子在不断的运动过程中， 依次重复步骤 5 ) ~6)， 从而实现动铁式直线电机线圈阵 列功率驱动的分配。
参考图 1， 所述的过渡状态区域宽度按照如下公式计算：
设 L为过渡状态区域宽度， Vmax为所述动子运动的最大速度， Γ为定子线圈阵列通过开关 设备接通或断开驱动器的最大转换时间， 则满足： L≥Vmax *r。
所述的工作状态区域大小的确定方法为： 在保证动子磁钢阵列下方覆盖线圈与磁钢阵列 电磁作用不会产生边缘效应的前提下， 工作状态区域取覆盖线圈外围最大尺寸， 过渡状态区 域内框与所述工作状态区域大小一致， 并在过渡状态区域内框沿运动方向两侧扩展所述过渡 状态区域宽度 L， 形成过渡状态区域外框， 通过过渡状态区域内外框的限定确定过渡状态区 域。
所述 w的确定方法如下：
设 S为定子线圈阵列沿运动方向的长度， α为过渡状态区域外框沿运动方向的长度； 计算 ^除以 α，结果若刚好为整数《 则《 = »¾， 即定子线圈阵列刚好分成/ ί个划分区域， 结果若不是整数值， 则向上取整到 m2， 则 w = m2 + l， 即定子线圈阵列分成《个划分区域， 其 中， 前》¾个划分区域为完整划分区域， 最后一个划分区域为不完整划分区域。
所述过渡状态区域内的过渡线圈数量由所述过渡状态区域宽度及单个线圈尺寸大小确 定， 每个划分区域的大小至少等于动子磁钢阵列所覆盖区域的大小。
实施例：
参考图 1、 4， 演示动子 1在运动过程中驱动分配状态的转换过程， 以便进一步理解本发 明。
所述动子 1运动的最大速度 Vmax = lm / s , 所述定子线圈阵列 6通过开关设备 8接通或断 开驱动器的最大转换时间 Γ = 0.1ms , 根据过渡状态区域 4宽度计算公式 L≥Vmax *r， 取 L = 30mm。
在保证动子磁钢阵列 2下方覆盖线圈与磁钢阵列电磁作用不会产生边缘效应的前提下， 工作状态区域 3取所覆盖线圈外围最大尺寸， 即工作状态区域 3沿运动方向的长度为 60mm。 过渡状态区域内框与所述工作状态区域大小一致， 在过渡状态区域内框沿运动方向两侧扩展
所述过渡状态区域 4宽度 L， 形成过渡状态区域外框， 则过渡状态区域外框沿运动方向的长 度^ = 120mm， 通过过渡状态区域内外框的限定确定过渡状态区域 4。
定子线圈阵列 6沿运动方向的长度 S = 480mm， 所述过渡状态区域外框沿运动方向的长 度 a = 120mm， 计算 S除以 β， 结果为 m1 = 4。
1 ) 根据上述计算， 取《 = »^ = 4， 将动铁式直线电机长方形定子线圈阵列分成 4个划分 区域， 每个划分区域再分为工作状态区域和过渡状态区域， 所述的工作状态区域内包含工作 线圈 2个， 所述的状态过渡区域内包含过渡线圈 2个， 其中所述过渡状态区域位于每个划分 区域的两侧， 动子磁钢阵列尺寸小于定子线圈阵列；
2 ) 根据步骤 1) 中每个划分区域中的线圈数量， 确定功率驱动器的总数量与一个划分区 域内的工作线圈和过渡线圈总数量一致， 即为 4个， 所有功率驱动器组成驱动器阵列；
3 ) 设置开关设备， 将所述驱动器阵列通过开关设备与定子线圈阵列连接， 并保证每个驱 动器与每个划分区域内对应位置的线圈通过开关设备连接， 且同一时刻一个驱动器只能与一 个对应线圈连通；
4) 参考图 4a、 4b, 利用位移传感器， 测量当前时刻动子的位置 X；
5 ) 根据所述的动子位置 X以及步骤 1 )所划分区域， 确定当前时刻工作状态区域内工作 线圈的位置及过渡状态区域内过渡线圈的位置， 并给工作线圈通上工作电流， 给过渡线圈通 上零电流；
6 ) 在动子从当前位置运动到下个位置过程中，断开退出过渡状态区域的一个线圈与所对 应驱动器的连接， 连通进入过渡状态区域的一个线圈与所对应驱动器的连接， 从过渡状态区 域进入工作状态区域的一个线圈从零电流切换至工作电流， 从工作状态区域进入到过渡状态 区域的一个线圈电流切换至零；
7) 动子 1在不断的运动过程中， 依次重复步骤 5 ) 〜6)， 从而实现了动铁式平面电机线 圈阵列功率驱动的分配。
在上述步骤中， 处于过渡状态区域 4的线圈电流大小都为零， 目的是保证开关转换过程 平缓过渡， 避免电流不连续带来的冲击。
通过上述步骤， 在所述定子线圈阵列 6包括的线圈数量较大的情况下， 减少驱动线圈的 功率驱动器数量， 保障要求通电线圈的正常工作， 节约成本， 提高工作效率， 实现直线电机 的大行程直线运动。
Claims
1. 一种动铁式直线电机线圈阵列功率驱动分配方法，所述的动铁式直线电机包含定子线 圈阵列和动子磁钢阵列， 其特征在于， 所述方法包括：
1) 将动铁式直线电机长方形定子线圈阵列分成 w个划分区域， 每个划分区域再分为工作 状态区域和过渡状态区域， 所述的工作状态区域内包含工作线圈， 所述的状态过渡区域内包 含过渡线圈， 其中所述过渡状态区域位于每个划分区域的两侧， 动子磁钢阵列尺寸小于定子 线圈阵列；
2) 根据步骤 1) 中每个划分区域中的线圈数量， 确定功率驱动器的总数量与一个划分区 域内的工作线圈和过渡线圈总数量一致， 所有功率驱动器组成驱动器阵列；
3 ) 设置开关设备， 将所述驱动器阵列通过开关设备与定子线圈阵列连接， 并保证每个驱 动器与每个划分区域内对应位置的线圈通过开关设备连接， 且同一时刻一个驱动器只能与一 个对应线圈连通；
4 ) 利用位移传感器， 测量当前时刻动子的位置 X；
5 ) 根据所述的动子位置 X以及步骤 1)所划分区域， 确定当前时刻工作状态区域内工作 线圈的位置及过渡状态区域内过渡线圈的位置， 并给工作线圈通上工作电流， 给过渡线圈通 上零电流；
6) 在动子从当前位置运动到下个位置过程中，断开退出过渡状态区域的线圈与所对应驱 动器的连接， 连通进入过渡状态区域的线圈与所对应驱动器的连接， 从过渡状态区域进入工 作状态区域的线圈从零电流切换至工作电流， 从工作状态区域进入到过渡状态区域的线圈电 流切换至零；
7) 动子在不断的运动过程中， 依次重复步骤 5 ) 〜6)， 从而实现动铁式直线电机线圈阵 列功率驱动的分配。
2. 根据权利要求 1 所述的一种动铁式直线电机线圈阵列功率驱动分配方法， 其特征在 于， 所述的过渡状态区域宽度按照如下公式计算：
设 L为过渡状态区域宽度， Vmax为所述动子运动的最大速度， Γ为定子线圈阵列通过开关 设备接通或断开驱动器的最大转换时间， 则满足： L≥Vmax *r。
3. 根据权利要求 1或 2所述的一种动铁式直线电机线圈阵列功率驱动分配方法，其特征 在于， 所述的工作状态区域大小的确定方法为： 在保证动子磁钢阵列下方覆盖线圈与磁钢阵 列电磁作用不会产生边缘效应的前提下， 工作状态区域取覆盖线圈外围最大尺寸， 过渡状态 区域内框与所述工作状态区域大小一致， 并在过渡状态区域内框沿运动方向两侧扩展所述过 渡状态区域宽度 L， 形成过渡状态区域外框， 通过过渡状态区域内外框的限定确定过渡状态 区域。
4. 根据权利要求 1 所述的一种动铁式直线电机线圈阵列功率驱动分配方法， 其特征在 于， 步骤 1) 中所述 w的确定方法如下：
设 S为定子线圈阵列沿运动方向的长度， α为过渡状态区域外框沿运动方向的长度； 计算 ^除以 α，结果若刚好为整数》 则《 = »¾，即定子线圈阵列刚好分成/ ί个划分区域， 结果若不是整数值， 则向上取整到 m2， 则 w = m2 + l， 即定子线圈阵列分成《个划分区域， 其 中， 前》¾个划分区域为完整划分区域， 最后一个划分区域为不完整划分区域。
5. 根据权利要求 1所述的一种动铁式直线电机线圈阵列功率驱动分配方法， 其特征在 于， 步骤 1)中所述过渡状态区域内的过渡线圈数量由所述过渡状态区域宽度及单个线圈尺寸 大小确定， 每个划分区域的大小至少等于动子磁钢阵列所覆盖区域的大小。
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