專利名稱：一種動磁式圓筒直線電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電機，尤其涉及一種動磁式圓筒直線電機。
背景技術(shù)：
圓筒型直線電機主要有永磁同步和感應(yīng)異步直線電機兩種，結(jié)構(gòu)上多為 短初級、長次級動圈結(jié)構(gòu)。
永磁同步直線電機次級為強磁磁鐵部件，易吸附鐵磁碎片，影響電機的 安全運行；初級則為帶鐵芯齒槽的電樞結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)上通過斜槽或斜磁的方法 減小齒槽定位力，同時也會削弱有效推力，且運動初級帶有電纜，影響運行 的可靠性。感應(yīng)式異步直線電機初級結(jié)構(gòu)與同步電機類似，次級為導(dǎo)電和導(dǎo) 磁材料組成的復(fù)合體，推力密度小、效率低，伺服性能較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是在于需要提供一種動磁式圓筒直線電機， 以克服因斜槽或斜磁困難存在齒槽定位力過大的缺陷。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種動磁式圓筒直線電機，包括
初級，為圓柱形，接入一多相對稱電流或方波電流；
次級，以圓環(huán)形式套在所述初級的外部，與所述初級磁耦合；
在所述多相對稱電流或方波電流作用下，所述初級形成一與所述次級的 永久磁場交鏈的行波磁場，產(chǎn)生一推力，所述初級與所述次級形成直線相對移動。
優(yōu)選地，所述初級包括 鐵芯；芯軸，為導(dǎo)磁材料制成的圓柱體，與所述鐵芯一起構(gòu)成所述永久磁場的
一部分；
繞組，由空心線圈構(gòu)成，與所述鐵芯相互間隔地繞制在所述芯軸表面；
非磁性護軸，套在所述繞組表面，用于保護所述繞組；
第一軸端及第二軸端，用于限制所述鐵芯及繞組的移動。
優(yōu)選地，所述鐵芯為導(dǎo)磁體，與所述芯軸、繞組、非磁性護軸、第一軸 端及第二軸端，由灌封膠封裝為一體。
優(yōu)選地，所述空心線圈通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式，構(gòu)成至少二相對稱繞組。
優(yōu)選地，所述芯軸的軸向，即為所述相對移動的運動方向。
優(yōu)選地，通過設(shè)置鐵芯和空心線圈的數(shù)量、及所述芯軸的長度，確定所 述相對移動的行程長度。
優(yōu)選地，所述鐵芯，采用非磁性材料制成隔環(huán)，與所述芯軸、繞組、非 磁性護軸、第一軸端及第二軸端，由灌封膠封裝為一體。
優(yōu)選地，所述次級為運動部件，包括
外殼，由非磁性材料制成；
永磁拓撲，粘接在非磁性外殼上，與所述初級一起產(chǎn)生所述推力；
第一端蓋及第二端蓋，與所述外殼一起固定所述永磁拓撲；
線性軸承，數(shù)量為兩個，分別通過所述第一端蓋及第二端蓋固定在所述 外殼上，與所述初級中的非磁性護軸構(gòu)成運動副。
優(yōu)選地，所述初級為鐵芯齒槽結(jié)構(gòu)時，所述永磁拓撲為兩端永磁體不等 厚度的不均勻海爾貝克結(jié)構(gòu)；所述初級為無鐵芯光滑電樞時，所述永磁拓撲 為海爾貝克結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選地，所述永磁拓撲，由軸向充磁的永磁體與徑向充磁的永磁體構(gòu)成， 或者由軸向充磁的永磁體與鐵芯構(gòu)成。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的一種動磁式圓筒直線電機，克服了因斜 槽或斜磁困難存在齒槽定位力過大的缺陷，同時避免了初、次級吸附加工碎 片或鐵屑產(chǎn)生的安全隱患。


圖1為本發(fā)明動磁式圓筒直線電機一實施例的組成示意圖。
圖2為圖1所示實施例的軸向剖視圖。
圖3為本發(fā)明動磁式圓筒直線電機與現(xiàn)有技術(shù)中的圓筒直線電機齒槽定 位力的對比示意圖。
具體實施例方式
以下將結(jié)合附圖及實施例來詳細說明本發(fā)明的實施方式，借此對本發(fā)明 如何應(yīng)用技術(shù)手段來解決技術(shù)問題，并達成技術(shù)效果的實現(xiàn)過程能充分理解 并據(jù)以實施。
圖1為本發(fā)明動磁式圓筒直線電機一實施例的組成示意圖。如圖1所示， 該實施例包括初級20和次級30，其中初級20為圓柱形，用以接入多相對稱 電流或方波電流，該次級30以圓環(huán)形式套在該初級20的外部，與該初級20 磁耦合；初級20接入多相對稱電流或方波電流之后，形成與次級30永久磁 場交鏈的一行波磁場，產(chǎn)生一推力使得次級30沿著初級20的軸向做往復(fù)的 直線相對移動。初級20確定該直線相對移動的運動方向和行程長度。
如圖1所示，本實施例采用長初級、短次級的動磁結(jié)構(gòu)。本發(fā)明從以上 實施例可以看出，既有永磁伺服電機的特性，又有感應(yīng)電機運行可靠的特點。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，推重比和齒槽定位力等有顯著改善，運動部件無饋電電纜、 次級對外的弱磁特性，確保電機的安全和可靠運行。
圖2為圖1所示實施例的軸向剖視圖。請結(jié)合參考圖1，如圖2所示， 初級20包括非磁性護軸21 、鐵芯22、繞組23、芯軸24、第一軸端25和第 二軸端26，其中-
非磁性護軸21，為不導(dǎo)磁鋼管，套在繞組23表面，用于保護繞組23; 鐵芯22，由導(dǎo)磁材料制成；
繞組23，由空心線圈串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成至少二相對稱繞組，與鐵芯22相 互間隔地繞制在芯軸24表面；芯軸24，為導(dǎo)磁材料制成的圓柱體，與鐵芯22—起構(gòu)成前述的永久磁 場的一部分；
第一軸端25和第二軸端26，用于防止鐵芯22及繞組23在軸向推力的 作用下移動，即限制鐵芯22及繞組23的移動。
護軸21、鐵芯22、繞組23、芯軸24、第一軸端25和第二軸端26之間 的間隙，用灌封膠填充，使其成為一體。芯軸24的軸向即為前述相對移動 的運動方向。通過設(shè)置不同數(shù)量的鐵芯22，不同長度的構(gòu)成繞組23的空心 線圈以及相應(yīng)長度的芯軸24，可以確定不同長度的前述相對移動的行程長 度。
在圖1所示的實施例中，鐵芯22由導(dǎo)磁材料制成，與護軸21、繞組23、 芯軸24、第一軸端25和第二軸端26通過灌封膠封裝為一體后形成鐵芯齒槽 電樞，在本發(fā)明動磁式圓筒直線電機的其他實施例中，鐵芯用非磁性材料制 成隔環(huán)，以與空心線圈相互間隔地繞制在芯軸24的表面，在與護軸21、繞 組23、芯軸24第一軸端25和第二軸端26通過灌封膠封裝為一體后，形成 光滑無槽電樞，可完全消除齒、槽引起的定位力。
請結(jié)合參考圖l，如圖2所示，次級30為運動部件，包括外殼35、永 磁拓撲、線性軸承37、第一端蓋38、第二端蓋39，其中
外殼35，由非磁性材料制成；
永磁拓撲，粘接在非磁性外殼35上，為兩端永磁體不等厚度的不均勻 海爾貝克(HALBACH)結(jié)構(gòu)，與初級20中的鐵芯22和芯軸24形成磁路以 產(chǎn)生推力；
線性軸承37，數(shù)量為兩個，分別通過第一端蓋38及第二端蓋39固定在 外殼35上，與初級20中的護軸21構(gòu)成運動副；
第一端蓋38及第二端蓋39，與外殼35—起固定永磁拓撲。
在本發(fā)明中，初級為鐵芯齒槽結(jié)構(gòu)時，采用兩端永磁體不等厚度的不均 勻HALBACH結(jié)構(gòu)，如圖2所示。當(dāng)初級采用無鐵芯光滑電樞時，永磁拓撲 采用HALBACH結(jié)構(gòu)。
圖2所示的不均勻HALBACH永磁拓撲結(jié)構(gòu)，由軸向充磁的第一端永磁體31、第二端永磁體36及若干中間段永磁體33，以及若干徑向充磁的永磁 體構(gòu)成。其中該若干徑向充磁的永磁體與該軸向充磁的中間段永磁體33間 隔排列，該軸向充磁的第一端永磁體31以及第二端永磁體36位于該 HALBECHA拓撲結(jié)構(gòu)的兩端，均與徑向充磁的永磁體相鄰。
如圖2所示，徑向充磁的永磁體為主磁體，是氣隙磁場的主要來源，且 相鄰的兩徑向充磁的永磁體極性相反，圖中用第一徑向充磁永磁體32及第 二徑向充磁永磁體34表示極性相反的兩種徑向充磁的永磁體。軸向充磁的 永磁體為輔助磁體，包括第一端永磁體31、第二端永磁體36及若干中間段 永磁體33，且相鄰的兩軸向充磁的永磁體極性相反，使得主磁體間的漏磁沿 主磁路分布，與主磁體的磁路一致，以加強氣隙磁場。如圖2所示的軸向充 磁的永磁體及徑向充磁的永磁體循環(huán)排列，即形成極性交替變化的多極永磁 拓撲。
圖2所示的不均勻HALBACH永磁拓撲結(jié)構(gòu)，軸向充磁的第一端永磁體 31與中間段永磁體33不等厚，第二端永磁體36與中間段永磁體33不等厚， 且第一端永磁體31與第二端永磁體36也不一定等厚。第一徑向充磁永磁體 32及第二徑向充磁永磁體34等厚。
圖2所示的不均勻HALBACH結(jié)構(gòu)，將極間大部分漏磁導(dǎo)向氣隙，加強 了氣隙磁密，增加了與初級20藕合產(chǎn)生的推力，即提高了推重比。兩端不 等厚的永磁體，即軸向充磁的第一端永磁體31及軸向充磁的第二端永磁體 36，確定與初級20中的鐵芯22之間推力的大小和方向，可以通過調(diào)節(jié)該兩 端不等厚的永磁體的厚度來修正，以削弱永磁拓撲中其它永磁體產(chǎn)生的齒槽
力，從而抑制總的齒槽定位力。不同長度的永磁拓撲結(jié)構(gòu)，可以產(chǎn)生不同的 推力。
如果初級采用無鐵芯光滑電樞，則永磁拓撲中軸向充磁的永磁體之間等 厚，徑向充磁的永磁體之間也等厚。
在本發(fā)明動磁式圓筒直線電機的另一實施例中，次級用鐵芯取代圖2所 示的徑向充磁的永磁體32和34組成永磁體拓撲，達到同樣的效果。相比之 下，電機的推重比略小。
現(xiàn)有技術(shù)中的圓筒直線電機齒槽力很難由斜磁或斜齒來抑制，而是通過選擇齒槽配合來盡量降低，如分?jǐn)?shù)槽等，大多情況下齒槽力仍難滿足設(shè)計要 求。本發(fā)明動磁式圓筒直線電機在合理選擇齒槽配合后，通過調(diào)整次級中的
軸向充磁的第一端永磁體31及第二端永磁體36的軸向厚度，改變初級對其 軸向吸力的大小和相位，與其它永磁體的軸向吸力相互抵消，使次級對初級 的整體定位力顯著減小。圖3為本發(fā)明動磁式圓筒直線電機與現(xiàn)有技術(shù)中的 圓筒直線電機齒槽定位力的對比示意圖，橫坐標(biāo)為運動距離即行程，縱坐標(biāo) 為標(biāo)量化的齒槽定位力。如圖3所示，本發(fā)明動磁式圓筒直線電機的齒槽定 位力僅為現(xiàn)有技術(shù)的約25%。
在本發(fā)明中，無需斜槽或斜磁，則可有效抑制齒槽定位力。采用無鐵芯 光滑電樞初級，則可完全消除齒槽效應(yīng)。采用HALBACH永磁拓撲，可明顯 增強氣隙磁密，提高推重比。電樞初級不吸附加工碎片或鐵屑，確保設(shè)備的 可靠運行。
雖然本發(fā)明所揭露的實施方式如上，但所述的內(nèi)容只是為了便于理解本 發(fā)明而采用的實施方式，并非用以限定本發(fā)明。任何本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域內(nèi) 的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明所揭露的精神和范圍的前提下，可以在實施的 形式上及細節(jié)上作任何的修改與變化，但本發(fā)明的專利保護范圍，仍須以所 附的權(quán)利要求書所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種動磁式圓筒直線電機，其特征在于，包括初級，為圓柱形，接入一多相對稱電流或方波電流；次級，以圓環(huán)形式套在所述初級的外部，與所述初級磁耦合；在所述多相對稱電流或方波電流作用下，所述初級形成一與所述次級的永久磁場交鏈的行波磁場，產(chǎn)生一推力，所述初級與所述次級形成直線相對移動。
2、 如權(quán)利要求l所述的電機，其特征在于，所述初級包括 鐵芯；芯軸，為導(dǎo)磁材料制成的圓柱體，與所述鐵芯一起構(gòu)成所述永久磁場的 一部分；繞組，由空心線圈構(gòu)成，與所述鐵芯相互間隔地繞制在所述芯軸表面； 非磁性護軸，套在所述繞組表面，用于保護所述繞組； 第一軸端及第二軸端，用于限制所述鐵芯及繞組的移動。
3、 如權(quán)利要求2所述的電機，其特征在于，所述鐵芯為導(dǎo)磁體，與所 述芯軸、繞組、非磁性護軸、第一軸端及第二軸端，由灌封膠封裝為一體。
4、 如權(quán)利要求2所述的電機，其特征在于，所述空心線圈通過串聯(lián)或 并聯(lián)的方式，構(gòu)成至少二相對稱繞組。
5、如權(quán)利要求2所述的電機，其特征在于，所述芯軸的軸向，即為所 述相對移動的運動方向。
6、 如權(quán)利要求2所述的電機，其特征在于，通過設(shè)置鐵芯和空心線圈 的數(shù)量、及所述芯軸的長度，確定所述相對移動的行程長度。
7、 如權(quán)利要求2所述的電機，其特征在于，所述鐵芯，采用非磁性材 料制成隔環(huán)，與所述芯軸、繞組、非磁性護軸、第一軸端及第二軸端，由灌 封膠封裝為一體。
8、 如權(quán)利要求1所述的電機，其特征在于，所述次級為運動部件，包括外殼，由非磁性材料制成；永磁拓撲，粘接在非磁性外殼上，與所述初級一起產(chǎn)生所述推力；第一端蓋及第二端蓋，與所述外殼一起固定所述永磁拓撲；線性軸承，數(shù)量為兩個，分別通過所述第一端蓋及第二端蓋固定在所述 外殼上，與所述初級中的非磁性護軸構(gòu)成運動副。
9、 如權(quán)利要求8所述的電機，其特征在于所述初級為鐵芯齒槽結(jié)構(gòu)時，所述永磁拓撲為兩端永磁體不等厚度的不 均勻海爾貝克結(jié)構(gòu)；所述初級為無鐵芯光滑電樞時，所述永磁拓撲為海爾貝 克結(jié)構(gòu)。
10、 如權(quán)利要求9所述的電機，其特征在于所述永磁拓撲，由軸向充磁的永磁體與徑向充磁的永磁體構(gòu)成，或者由 軸向充磁的永磁體與鐵芯構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種動磁式圓筒直線電機，初級由繞組、鐵芯、芯軸和非磁性護軸等組成；次級由永磁體拓撲、端蓋、線性軸承和外殼組成，是可動結(jié)構(gòu)，線性軸承與初級非磁性護軸形成運動副。本發(fā)明可明顯提高電機推重比，非均勻永磁體拓撲可有效抑制齒槽定位力，初級不吸附加工碎片或鐵屑，保證了電機的安全運行。
文檔編號H02K41/02GK101527493SQ20091013572
公開日2009年9月9日 申請日期2009年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月27日
發(fā)明者虹 吳, 周爾清, 姚萬軍 申請人:青島同日電機有限公司