CN101253673B - 具有悬浮和横向力能力的无铁芯磁性直线马达 - Google Patents

具有悬浮和横向力能力的无铁芯磁性直线马达 Download PDF

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Abstract

一种无铁芯磁性马达(21～23)采用磁轨(30)和动子(40)。动子(40)在磁轨(30)的直线空气间隙内的磁场(β)中，用于响应换向驱动电流(IX)，产生与X驱动轴平行并且与Z悬浮轴垂直的驱动力(FX)，并且响应换向线圈电流(IZ、IY)，产生与X驱动轴垂直的力(FZ、FY)，其中换向线圈电流(IZ、IY)重叠在换向驱动电流(IX)上并且与之具有相位偏移。为此目的，与X驱动轴平行并且与Z悬浮轴垂直的一组悬浮匝可以在磁场(β)的内部或外部，并且动子(40)可以在直线空气间隙的中心X-Z纵轴(CP)的中心或者偏离这个中心。

Description

具有悬浮和横向力能力的无铁芯磁性直线马达
笼统地说，本发明涉及无铁芯磁性直线马达。具体而言，本发明涉及如何在无铁芯磁性直线马达中产生两个或多个垂直的可控制力。
图1～4说明采用磁轨30和动子(forcer)40的无铁芯磁性直线马达20。磁轨30包括直线磁性阵列31和直线磁性阵列32，用于在直线空气间隙之间产生磁场β，如同图3最好地说明的一样。直线磁性阵列31和32在相邻磁铁之间具有180度的空间间隔。
动子40沿着直线空气间隙的中心X-Z纵平面CP放置在上述直线空气间隙内，如同图2最好地说明的一样，并且包括三(3)个线圈41～43，相邻线圈之间具有120°+n*360度的空间间隔(n是一个任意整数)。如图4所示，线圈41用它的换向驱动电流IX1的流经路径表示，线圈42用它的换向驱动电流IX2的流经路径表示，线圈43用它的换向驱动电流IX3的流经路径表示。
线圈41～43中与直线空气间隙的X驱动轴垂直，与直线空气间隙的Z悬浮轴平行的相对的多组驱动匝在磁场β内部，如同图2和4最好地说明的一样。线圈41～43中与X驱动轴平行，与Z悬浮轴垂直的相对的多组悬浮匝在磁场β外部，如同图最好地说明的一样。结果，分别给线圈41～43施加的120度相移PS1的换向驱动电流IX1、IX2和IX3，能够产生与X驱动轴平行的驱动力FX，如同图5最好地说明的一样。
无铁芯磁性直线马达20结构配置的缺点是不能产生如同图5最好地说明的与Z悬浮轴平行的基本上独立的悬浮力FZ，以及不能产生如同图5最好地说明的与直线空气间隙Y横向轴平行的基本上独立的横向力FY。为了克服这些缺点，本发明提供一种改进了的新型无铁芯磁性直线马达，在磁轨30的直线空气间隙内采用动子40的一种新取向，从而对于动子40的每个线圈，使换向悬浮电流IZ和/或换向横向电流IY在换向驱动电流IX上重叠。
在本发明的第一种形式中，线圈中与X驱动轴平行，与Z悬浮轴垂直的一组悬浮匝在磁场内部；线圈中与X驱动轴平行，与Z悬浮轴垂直的相对的一组悬浮匝在磁场外部。给线圈施加换向驱动电流，产生与X驱动轴平行，与Z悬浮轴垂直的驱动力。在换向驱动电流上叠加与之具有相位偏移的换向悬浮电流，产生与X驱动轴垂直，与Z悬浮轴平行的悬浮力。
在本发明的第二种形式中，动子的线圈偏离直线空气间隙的中心X-Z纵平面。给这个线圈施加换向驱动电流，产生与X驱动轴平行，与Y横向轴垂直的驱动力。在换向驱动电流上叠加与之具有相位偏移的换向横向电流，产生与X驱动轴垂直，与Y横向轴平行的横向力。
在本发明的第三种形式中，给动子的线圈施加换向驱动电流，产生与X驱动轴平行的驱动力。动子在直线空气间隙内，响应叠加在换向驱动电流上，与之具有相位偏移的额外的换向线圈电流，产生与X驱动轴垂直的力。
通过下面参考附图对本发明各个实施例的详细描述，本发明的上述形式和其它形式，以及各个特征和优点将会非常清楚。详细描述和附图仅仅是为了说明本发明，而不是要限制本发明，本发明的范围由后面的权利要求及其等同方案给出。
图1是现有技术中无铁芯磁性直线马达在X-Z平面内的示意图；
图2是图1所示无铁芯磁性直线马达在Y-Z平面内的示意图；
图3是图1所示磁轨的直线空气间隙在X-Y平面内的示意图；
图4是给图1所示动子的线圈施加换向驱动电流的X-Z平面示意图；
图5说明现有技术中施加给图1所示动子的示例性换向驱动电流以及动子响应换向驱动电流产生的示例性驱动力；
图6是本发明第一实施例中无铁芯磁性直线马达在Y-Z平面内的示意图；
图7是本发明中给图6所示动子施加换向悬浮电流的X-Z平面示意图；
图8说明本发明中施加给图7所示动子的示例性换向悬浮电流以及动子响应换向悬浮电流产生的示例性悬浮力；
图9是本发明中给图7所示动子施加重叠的换向驱动电流和换向悬浮电流的X-Z平面示意图；
图10说明本发明中施加给图9所示动子的换向驱动电流和换向悬浮电流的示例性相位偏移；
图11是本发明第二实施例中无铁芯磁性直线马达在Y-Z平面内的示意图；
图12是本发明中给图11所示动子施加重叠的换向驱动电流和换向悬浮电流的X-Z平面示意图；
图13和14是本发明第三实施例中无铁芯磁性直线马达在Y-Z平面内的示意图；
图1 5是本发明中给图1 3和14所示动子施加换向横向电流的X-Z平面示意图；
图16说明本发明中施加给图15所示动子的示例性换向横向电流和动子响应换向横向电流产生的示例性横向力；
图17是本发明中给图2所示动子施加重叠的换向驱动电流和换向横向电流的X-Z平面示意图；
图18说明施加给图17所示动子的换向驱动电流和换向横向电流的示例性相位偏移；
图19说明本发明第四实施例中的换向电流重叠/相位偏移控制***；
图20说明本发明中一对无铁芯磁性直线马达到对象的第一示例性机械耦合；
图21说明本发明中一对无铁芯磁性直线马达到对象的第二示例性机械耦合；
图22是图21所示无铁芯磁性直线马达在X-Z平面内的示意图；
图23说明本发明中一对无铁芯磁性直线马达到对象的第三示例性机械耦合；以及
图24是图23所示一对无铁芯磁性直线马达在X-Z平面内的机械耦合示意图。
参考图6，本发明的无铁芯磁性直线马达21采用磁轨30和动子40，在直线空气间隙内动子40具有新的和独一无二的取向。具体而言，动子40沿着直线空气间隙的中心X-Z纵平面CP布置在直线空气间隙内，如同图6最好地说明的一样。如图7所示，动子40的线圈41用它的换向悬浮电流IZ1的流经路径表示，动子40的线圈42用它的换向悬浮电流IZ2的流经路径表示，动子40的线圈43用它的换向悬浮电流IZ3的流经路径表示。
线圈41～43与X驱动轴垂直并且与Z悬浮轴平行的相对组驱动匝在磁场β的内部，如同图7最好地说明的一样。从图7的底部看过去，线圈41～43与X驱动轴平行并且与Z悬浮轴垂直的一组悬浮匝在磁场β的外部，而从图7的顶部看过去，线圈41～43与X驱动轴平行并且与Z悬浮轴垂直的相对组悬浮匝则在磁场β的内部。结果，分别给线圈41～43施加具有120度相位偏移PS1的换向悬浮电流IZ1、IZ2和IZ3，会产生与Z悬浮轴平行的悬浮力FZ，如同图8最好地说明的一样。
本发明分别给换向驱动电流IX1、IX2和IX3上叠加的换向悬浮电流IZ1、IZ2和IZ3提供相位偏移，以便使驱动力FX(图5)和悬浮力FZ(图8)最大程度地去耦，如果不是完全去耦的话。具体而言，如图9所示，动子40的线圈41用它重叠在换向驱动线圈IX1上的换向悬浮电流IZ1的流经路径表示，动子40的线圈42用它重叠在换向驱动线圈IX2上的换向悬浮电流IZ2的流经路径表示，动子40的线圈43用它重叠在换向驱动线圈IX3上的换向悬浮电流IZ3的流经路径表示。如图10所示，换向悬浮电流IZ1与换向驱动线圈IX1有90度的相位偏移PS2，换向悬浮电流IZ2与换向驱动线圈IX2有90度的相位偏移PS2，换向悬浮电流IZ3与换向驱动线圈IX3有90度的相位偏移PS2。
参考图11，本发明的无铁芯磁性直线马达22采用磁轨30和动子40，与马达21(图6)的直线空气间隙的动子40取向相比，动子40在直线空气间隙内具有相反的取向。具体而言，线圈41～43与X驱动轴垂直并且与Z悬浮轴平行的相对组驱动匝在磁场β内部，如同图12最好地说明的一样。从图12的顶部看过去，线圈41～43与X驱动轴平行并且与Z悬浮轴垂直的一组悬浮匝在磁场β的外部，而从图12的底部看过去，线圈41～43与X驱动轴平行并且与Z悬浮轴垂直的相对组悬浮匝在磁场β的内部。结果，分别给线圈41～43施加具有120度相位偏移PS1的换向悬浮电流IZ1、IZ2和IZ3，会产生与Z悬浮轴平行的悬浮力FZ，如同图8最好地说明的一样。
本发明分别给换向驱动电流IX1、IX2和IX3上叠加的换向悬浮电流IZ1、IZ2和IZ3提供相位偏移，以便使驱动力FX(图5)和悬浮力FZ(图8)最小程度地去耦，如果不是完全去耦的话。具体而言，如图12所示，动子40的线圈41用它重叠在换向驱动线圈IX1上的换向悬浮电流IZ1的流经路径表示，动子40的线圈42用它重叠在换向驱动线圈IX2上的换向悬浮电流IZ2的流经路径表示，动子40的线圈43用它重叠在换向驱动线圈IX3上的换向悬浮电流IZ3的流经路径表示。如图10所示，换向悬浮电流IZ1与换向驱动线圈IX1有90度的相位偏移PS2，换向悬浮电流IZ2与换向驱动线圈IX2有90度的相位偏移PS2，换向悬浮电流IZ3与换向驱动线圈IX3有90度的相位偏移PS2。
参考图13～15，本发明的无铁芯磁性直线马达23采用磁轨30和动子40，在直线空气间隙内动子40具有新的和独一无二的取向。具体而言，动子40布置在直线空气间隙内，偏离直线空气间隙的中心X-Z纵平面CP，如同图13和14最好地说明的一样。如图1 5所示，动子40的线圈41用它的换向悬浮电流IY1的流经路径表示，动子40的线圈42用它的换向悬浮电流IY2的流经路径表示，动子40的线圈43用它的换向悬浮电流IY3的流经路径表示。
线圈41～43与X驱动轴垂直并且与Z悬浮轴平行的相对组驱动匝在磁场β的内部，如同图15最好地说明的一样。线圈41～43与X驱动轴平行并且与Z悬浮轴垂直的相对组悬浮匝在磁场β的外部，如同图15最好地说明的一样。结果，分别给线圈41～43施加具有120度相位偏移PS1的换向横向电流IY1、IY2和IY3，会产生与Y横向轴平行的横向力FY，如同图16最好地说明的一样。
本发明分别给换向驱动电流IX1、IX2和IX3上叠加的换向横向电流IY1、IY2和IY3提供相位偏移，以便使驱动力FX(图5)和横向力FY(图16)最小程度地去耦，如果不是完全去耦的话。具体而言，如图17所示，动子40的线圈41用它重叠在换向驱动线圈IX1上的换向横向电流IY1的流经路径表示，动子40的线圈42用它重叠在换向驱动线圈IX2上的换向横向电流IY2的流经路径表示，动子40的线圈43用它重叠在换向驱动线圈IX3上的换向横向电流IY3的流经路径表示。如图18所示，换向横向电流IY1与换向驱动线圈IX1有90度的相位偏移PS2，换向横向电流IY2与换向驱动线圈IX2有90度的相位偏移PS2，换向横向电流IY3与换向驱动线圈IX3有90度的相位偏移PS2。
在实践中，作为控制本发明的无铁芯磁性直线马达的***，本发明不施加任何限制或约束。在图19所示的一个实施例中，本发明的换向电流重叠/相位偏移控制***50采用M数量的动子位置传感器51和一个换向电流发生器52，其中M≥1。传感器51用于测量磁铁的直线阵在磁轨的直线空气间隙内产生的磁场内，动子的线圈的相对位置(多达360个空间度)。在一个实施例中，传感器51是位置换能器，这些位置换能器相对于动子统一放置，从而产生信号FPS，从磁轨和力的结构配置角度，来表明动子的线圈在磁场中的位置。在第二实施例中，传感器51是磁通量传感器(例如霍尔传感器)，这些磁通量传感器相对于动子在磁场内统一放置，从而提供信号FPS，从磁轨和动子的结构配置的角度，表明动子的线圈在磁场内的位置。
换向电流发生器52用于提供相应换向驱动电流IX上重叠的N数量的换向悬浮电流IZ的相位偏移，和/或相应换向驱动电流IX上重叠的N数量的换向横向电流IY的相位偏移，如图19所示。从结构配置以及磁轨、动子和传感器51的相对取向的角度，发生器52的这一操作与设计的新的和独一无二的重叠/相位偏移换向算法一致。
参考图6～19，本领域技术人员会认识到本发明数不清的优点，包括但不限于，能够克服这里描述的背景技术中的缺点。此外，除了图6、11、13和14分别示出的马达21～23以外，本领域技术人员会明白如何将本发明的相位偏移/重叠原理应用于无铁芯磁性直线马达。特别是本领域技术人员会明白如何在以下情况下应用本发明的相位偏移/重叠原理：(1)磁轨结构配置数不清的变化，(2)动子结构配置数不清的变化，(3)本发明中磁轨的直线空气间隙中动子取向数不清的变化，(4)动子位置传感器结构配置数不清的变化，(5)相同类型的换向线圈电流的相位偏移范围，(6)不相似类型的换向线圈电流的相位偏移范围以及(7)换向线圈电流正斜率和/或负斜率的实施。结果是符合本发明原理的无铁芯磁性直线马达的组合的数不清的变化，例如用一个或多个磁轨来构建更多自由度(位置和/或取向)级/操纵装置，如同将在图20～24的情况下描述的实施例一样。
参考图20，一对无铁芯磁性直线马达23(图13～15)以机械方式与对象60的相对两侧偏心耦合，马达23据此能够选择在它们的相应直线空气间隙中在X驱动方向以及在它们的相应直线空气间隙的Y横向移动对象60。
参考图21和22，一对无铁芯磁性直线马达24以机械方式与对象61的相对两侧偏心耦合。每个马达24包括一对磁轨30，这一对磁轨30以机械方式耦合，将它们的相应直线空气间隙对准，作为集成直线空气间隙。每个马达24还包括在集成直线空气间隙内，用来选择产生驱动力FX、悬浮力FZ、驱动扭矩RX、悬浮扭矩RY和横向扭矩RZ的一对外侧动子40(0)。每个马达24还包括在集成直线空气间隙内，用来选择产生驱动力FX、横向力FY和悬浮扭矩RZ的内部动子40(I)。结果是相对于对象61的坐标系，对象61的六(6)自由度控制，其中对象61的长行程沿着马达24的集成直线空气间隙的X驱动轴，对象61的短行程沿着马达24的集成直线空气间隙的Z悬浮轴和Y横向轴。
参考图23和24，本发明的一对无铁芯磁性直线马达25以机械方式与对象62的相对两侧偏心耦合，每个马达25具有与之机械耦合的本发明的无铁芯磁性直线马达26。每个马达25和马达26包括一对磁轨30，这一对磁轨30以机械方式耦合，以对准它们的相应直线空气间隙，作为集成直线空气间隙。每个马达25还包括在集成直线空气间隙内成对的动子40，用来选择产生驱动力FX、悬浮力FZ、驱动扭矩RX、悬浮扭矩RY和横向扭矩RZ。每个马达26还包括在集成直线空气间隙内，用来选择产生驱动力FX和横向力FY的单个动子40。结果是相对于对象62的坐标系，对象62的六(6)自由度控制，其中对象62的长行程沿着马达24的集成直线空气间隙的X驱动轴，对象62的短行程沿着Z悬浮轴和马达24的集成直线空气间隙的Z悬浮轴和Y横向轴。
尽管目前认为这里公开的本发明的实施例是优选的，但是可以对它们进行各种改变和改进，而不会偏离本发明的实质和范围。本发明的范围由后面的权利要求给出，所有变化都在它们的范围之内。

Claims (11)

1.一种无铁芯磁性马达(21、22)，包括：
磁轨(30)，用于在直线空气间隙中产生磁场(β)，具有X驱动轴、Y横向轴和Z悬浮轴；以及
动子(40)，包括放置在所述直线空气间隙中的线圈(41)，所述动子(40)位于X-Z平面内，
其中所述线圈(41)与所述X驱动轴平行并且与所述Z悬浮轴垂直的第一组悬浮匝在磁场(β)内部，
其中所述线圈(41)与所述X驱动轴平行并且与所述Z悬浮轴垂直的第二组悬浮匝在磁场(β)外部，
其中所述线圈(41)与所述X驱动轴垂直并且与所述Z悬浮轴平行的相对组驱动匝在磁场(β)内部，
其中给所述线圈(41)施加换向驱动电流(IX)来产生与所述X驱动轴平行并且与所述Z悬浮轴垂直的驱动力(FX)，以及
其中在所述换向驱动电流(IX)上叠加与之有相位偏移的换向悬浮电流(IZ)，来产生与所述X驱动轴垂直并且与所述Z悬浮轴平行的悬浮力(FZ)。
2.如权利要求1所述的无铁芯磁性马达(21、22)，其中所述悬浮力(FZ)与所述驱动力(FX)至少得到充分去耦。
3.如权利要求1所述的无铁芯磁性马达(21、22)，其中所述换向悬浮电流(IZ)与所述换向驱动电流(IX)的相位偏移是90度。
4.如权利要求1所述的无铁芯磁性马达(21、22)，其中所述动子(40)在所述直线空气间隙的中心X-Z纵平面(CP)的中心。
5.如权利要求1所述的无铁芯磁性马达(21、22)，其中所述线圈(41)的第一组悬浮匝是所述线圈(41)的顶部组悬浮匝。
6.如权利要求1所述的无铁芯磁性马达(21、22)，其中所述线圈(41)的第二组悬浮匝是所述线圈(41)的顶部组悬浮匝。
7.一种无铁芯磁性马达
(23)，包括：
磁轨(30)，用于在直线空气间隙中产生磁场(β)，具有X驱动轴、Y横向轴和Z悬浮轴；以及
动子(40)，包括放置在所述直线空气间隙中的线圈(41)，所述动子(40)位于X-Z平面内，
其中所述动子(40)偏离所述直线空气间隙的中心X-Z纵平面(CP)，
其中给所述线圈(41)施加换向驱动电流(IX)来产生与所述X驱动轴平行并且与所述Y横向轴垂直的驱动力(FX)，以及
其中在所述换向驱动电流(IX)上叠加与之有相位偏移的换向横向电流(IY)，来产生与所述X驱动轴垂直并且与所述Y横向轴平行的横向力(FY)。
8.如权利要求7所述的无铁芯磁性马达(23)，其中所述横向力(FY)与所述驱动力(FX)至少得到充分去耦。
9.如权利要求7所述的无铁芯磁性马达(23)，其中所述换向横向电流(IY)与所述换向驱动电流(IX)的相位偏移是90度。
10.如权利要求7所述的无铁芯磁性马达(23)，其中所述线圈(41)与X驱动轴平行并且与Z悬浮轴垂直的第一组悬浮匝在磁场(β)外部。
11.如权利要求10所述的无铁芯磁性马达(23)，其中所述线圈(41)与X驱动轴平行并且与Z悬浮轴垂直的第二组悬浮匝在磁场(β)外部。
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