CN101286687B - 直线电动机 - Google Patents

Abstract

当布置在电枢上的两个相邻磁极部分中心之间的间距被定义为τ_s时，布置在中间的永磁体的长度W与该间距τ_s相等(W＝τ_s)。分别被布置在永磁体磁极排的两端处的两个端部永磁体中每一个的长度标记为W1。长度W1与长度W的比值W1/W被限定为0.43＜W1/W＜0.49。通过这样的限定，直线电动机的齿槽效应转矩可以显著地减小。

Description

直线电动机

技术领域

本发明涉及一种直线电动机。

背景技术

公开号为11-308850的日本专利文献公开了一种包括定子和可动部件的直线电动机，从而可动部件可以相对于定子做往复运动，以及还包括设置在定子和可动部件之一上的电枢和设置在定子和可动部件的另一个上的永磁体磁极排(magnetic pole row)。该直线电动机的电枢具有铁芯，该铁芯具有三个或更多个沿可动部件的运动方向布置的磁极部分，以及分别围绕铁芯的三个或更多个磁极部分缠绕的三相电枢绕组。永磁体磁极排具有非磁材料制成的框架和设置在形成于框架内的通孔中的多个永磁体。这多个永磁体沿可动部件运动方向以给定间隔布置成排，从而使得N极和S极可以交替地布置。永磁体磁极排被布置为与磁极部分具有给定间隙。在该直线电动机中，为了减小齿槽效应转矩，分别布置在永磁体磁极排的两端上的两个永磁体中每一个的长度W1被设计为小于其余永磁体的长度W，其中W1和W都是沿着运动方向的长度，而且长度W1和长度W之间的比值W1/W被限定为0.5＜W1/W＜0.6。另外，当形成电枢的多个磁极部分中的两个相邻磁极部分之间的间距定义为τ_s，并且分别布置在永磁体磁极排两端的两个永磁体中一个的中心和相邻的永磁体的中心之间的间距定义为λ’时，间距λ’和间距τ_s的比值λ’/τ_s为0.9＜λ’/τ_s＜1.0。

然而，在目前传统的直线电动机中将齿槽效应转矩减小到足够小是不可能实现的。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种直线电动机，其中齿槽效应转矩可以被减小到足够小。

根据本发明改进得到的直线电动机包括定子和可动部件。电枢布置在定子和可动部件中的一个之上。电枢包括沿着可动部件的运动方向设置的具有三个或更多个磁极部分的铁芯和围绕铁芯布置并用于激励三个或更多个磁极部分的三相电枢绕组。永磁体磁极排布置在定子和可动部件中的另外一个之上。永磁体磁极排包括由磁性材料制成的基部，以及多个永磁体沿着运动方向成一排地以特定间隔布置在基部，从而使得N极和S极交替设置。多个永磁体被布置为以给定间隙面对三个或更多个磁极部分。分别布置在永磁体磁极排的两端上的两个永磁体中每一个的长度W1被设计为小于其余永磁体的W，其中W1和W都是沿着运动方向测量的。每相每极的凹槽数为3/8。这里，每相每极的凹槽数被定义为电枢的凹槽数除以永磁体磁极的极数得到的数值然后再被电枢绕组的相数所除后得到的结果。

在本发明的一个方面中，当形成电枢的多个磁极部分中的两个相邻磁极部分中心之间的间距定义为τ_s时，其余的多个永磁体的长度W被限定为W＝τ_s，以及长度W1和长度W之间的比值W1/W被限定为0.43＜W1/W＜0.49。在经过认真研究之后，本发明的发明人发现通过将比值W1/W设定0.43＜W1/W＜0.49，可以将齿槽效应转矩减小到实际应用中可接受的水平。还应考虑到由于按照上面描述的那样布置永磁体(也就是当比值W1/W被设定在上述范围内时)，齿槽效应转矩可以被排除。当比值W1/W为0.43或更小时，或者比值W1/W为0.49或更大时，齿槽效应转矩将会增加到不可接受的水平或者超过允许的水平。本发明是基于如下的发现：当比值W1/W落入到上面提到的范围之内时，齿槽效应转矩将会有最小值。

在本发明的另一个方面中，直线电动机可以包括多个永磁体磁极排。当布置在多个永磁体磁极排的一侧端部中的多个永磁体沿运动方向的长度各不相同并且布置在一侧端部中的永磁体的平均长度定义为W10，以及当布置在多个永磁体磁极排的另一侧端部的多个永磁体沿运动方向的长度各不相同并且布置在另一侧端部的永磁体的平均长度定义为W20时，永磁体磁极排可以这样布置，从而使得平均长度W10与长度W的比值W10/W为0.43＜W10/W＜0.49，以及平均长度W20与长度W的比值W20/W为0.43＜W20/W＜0.49。上面所定义的比值范围对本发明是合适的。

优选地，由非磁性材料制成的隔离物布置在多个永磁体中的两个相邻永磁体之间，以在它们之间形成隔离。以此方式，该隔离物的存在可以防止两个相邻永磁体之间的电短路。

该隔离物可以通过切割传统线材从而以低加工成本制成。

在本发明的进一步的一个方面，永磁体磁极排可以布置在可动部件上，以及电枢可以布置在定子上。在这种布置情况下，基部可以形成为圆筒或圆柱形，以及多个永磁体可以被固定在该基部的内周表面上。定子可以部分地布置在可动元件的内部。电枢可以在可动部件的运动方向上在两个端部处通过定子固定装置被固定在基座上。导块可以被固定到可动部件以及导块可以可滑动地被布置在基座上的导轨支撑。因此，当导块在导轨上滑动时，该可动部件可以相对于定子沿着运动方向运动。按照这种布置，可以以简单的设置来使可动部件相对于定子运动。

附图说明

附图1是根据本发明一个实施例的直线电动机的剖面图。

附图2是附图1的部分放大图。

附图3是示出了在测试中使用的直线电动机的齿槽效应转矩和比值W1/W之间的关系的曲线。

附图4是示出了本发明的移动部件和比较例子的直线电动机的齿槽效应转矩和偏移量之间关系的曲线，其中在这些直线电动机中比值W1/W是不同的。

附图5是示出了根据本发明的另一个实施例的8个永磁体磁极排中的一半(4个)的分解平面视图。

附图6是示出了根据本发明进一步的实施例的直线电动机的部分放大视图。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明的优选实施例。附图1是根据本发明一个实施例的圆筒形直线电动机的剖面图。如附图1所示，该实施例的直线电动机包括定子1和可动部件3。定子1包括具有铁芯5和多个电枢绕组7的电枢9。该铁芯5具有圆筒形的支架(yoke)5a和从支架5a延伸的多个磁极部分5b。在相邻的两个磁极部分5b之间形成有环形凹槽。多个电枢绕组7在圆筒形支架圆周方向上隔着绝缘体分别围绕着多个环形凹槽而缠绕。在这个实施例中，多个电枢绕组7被布置以使得三相按照U相、-U相、U相、V相、-V相、V相、W相、-W相、W相的顺序布置。在日本专利申请公开文献NO.11-332211(JP11-332211A)和其它文献中已经对从电枢出发的磁通量的流向进行了解释。

铜箱6a被设置在圆筒形支架5a的内部。冷却水通过输送管道6b被输送给箱6a以及通过排放管道6c排放。因此冷却水在铜箱6a中循环以冷却电枢9。

可动部件3包括由软磁材料例如硅钢片制成的圆筒形基部11，和连接到基部11的内周表面上的永磁体磁极排15。永磁体磁极排15具有多个(该实施例中为9个)永磁体P1到P9。电枢9被部分地布置到永磁体磁极排15内部，该永磁体磁极排15是圆筒形的，以使得永磁体P1到P9和多个磁极部分5b可以彼此面对。可动部件3沿着铁芯5的支架5a的延伸方向(就是被箭头D1标识的运动方向)做往复运动。永磁体磁极排15的永磁体P1到P9，也就是说，从第1个到第M个永磁体(其中M是4或更大的自然数；在该实施例中M为9)以特定间隔沿着运动方向排成一排布置从而使得N极和S极可以交替布置。第1个永磁体P1到第9(M)个永磁体P9中的每个由圆筒形永磁体形成。因此，永磁体P1到P9(Mth)的外部轮廓形成为一个环形。在这个实施例中，在该直线电动机中使用9个永磁体。第1个永磁体P1和第9个永磁体P9的长度为其余永磁体的长度的一半或者更小。由于这个原因，第1个永磁体P1和第9个永磁体P9被一起看作为一个极。因此，永磁体磁极排15的总极数被看作为是8。在电枢9的面对永磁体磁极排15的一部分中，凹槽的数目为9。正如上面提到的，三相电流流过多个电枢绕组7。相应地，这个实施例中的直线电动机的每极每相的槽数被计算为3/8。

根据这个实施例的直线电动机的铁芯5在其两端处在运动方向D1上被固定到定子固定装置17A和17B上。定子固定装置17A和17B被固定到基座19上。导块21被固定到可动部件3的较低部分上，并且被设置在基座19上的导轨23可滑动地支撑。通过这种布置方式，当导块21在导轨23上滑动时，可动部件3可以在相对于定子1的运动方向D1上运动。

如附图1的部分放大图即附图2所示，除了布置在永磁体磁极排的端部的两个永磁体之外的永磁体，也就是说，除了第1个永磁体P1和第9个永磁体P9(Mth)之外的位于永磁体磁极排15中的永磁体P2到P8(从运动方向上看，布置在永磁体磁极排中间部分的永磁体)具有沿可动部件的运动方向D1的相同的长度W。在下文中，永磁体P2到P8被称作为中间永磁体P2到P8，以及第1个永磁体P1和第9个永磁体P9(Mth)被称作为端部永磁体P1和P9。端部永磁体P1和P9具有在运动方向D1上的相同的长度W1，该长度比中间永磁体P2到P8的长度W要短。第5个永磁体P5到第9个永磁体P9在附图2中并没有示出。当电枢9的两个相邻磁极部分5b的中心之间的间距被定义为τ_s，该间距τ_s与中间永磁体P2到P8的长度W相等，也就是说W＝τ_s。端部永磁体P1和P9的长度W1与中间永磁体P2到P8的长度W之间的比值W1/W是0.43＜W1/W＜0.49。当端部永磁体P1和其相邻的中间永磁体P2之间的距离，以及端部永磁体P9和其相邻的中间永磁体P8之间的距离分别被定义为d₀以及在中间永磁体P2到P8中的两个相邻永磁体中心之间的间距被定义为τ_p时，d₀与长度W1的总和与间距τ_p之间的比值(d₀+W1)/τ_p为0.6＜(d₀+W1)/τ_p＜0.66。

接下来，通过改变用于该实施例的直线电动机的W1/W值，研究了齿槽效应转矩和比值W1/W之间的关系。对于测试中使用的直线电动机，长度W为12毫米，间距τ_s为12毫米，距离d₀为3毫米，间距τ_p为13.5毫米，以及永磁体P1-P9的厚度为4毫米。通过改变长度W1来改变比值W1/W。附图3示出了测量结果。从附图3中可以很明显地看出来在0.43＜W1/W＜0.49这个范围内，齿槽效应转矩被抑制。

接下来，对于这个实施例中的直线电动机，研究了齿槽效应转矩和可动部件的偏移量之间的关系，其中比值W1/W为0.45，以及对于一个比较例中的直线电动机，其中比值W1/W为0.54。这里，该实施例和比较例中的直线电动机具有相同的长度W为12毫米，同时长度W1的值不相同。附图4示出了测试的结果。从附图4中可以明显地看出来齿槽效应转矩相对于可动部件偏移量的变化在该实施例中比在比较例中的更小。

附图5示出了根据本发明的另一个实施例的直线电动机的永磁体磁极排115。在这个实施例中的直线电动机中，每个永磁体为弧形的，共有8个永磁体磁极排115。附图5是示出了8个永磁体磁极排115中的一半(4个)的分解平面视图。该实施例中的直线电动机具有的永磁体磁极排115中的另外一半(4个)与附图5中所示的相似。如附图5中所示，除了分别被布置在8个永磁体磁极排115的两个端部处的端部永磁体P11到P14和P21到P24之外，中间永磁体PC具有沿运动方向D1测量的相同的长度W。

布置在8个永磁体磁极排115的一侧端部的端部永磁体P11到P14具有沿着运动方向D1测量的不同的长度W11到W14。沿运动方向D1测量的长度W11到W14比中间永磁体PC的长度W要小。进一步地，当永磁体P11到P14的长度W11到W14的平均长度被定义为W10，平均长度W10与中间永磁体PC的长度W的比值W10/W为0.43＜W10/W＜0.49。相似地，沿着运动方向D1测量，布置在8个永磁体磁极排115的另外一侧端部的第9个(Mth)永磁体P21到P24具有不同的长度W21到W24。沿着运动方向测量，长度W21到W24要小于中间永磁体PC的长度W。进一步地，当把永磁体P21到P24的长度W21到W24的平均长度定义为W20时，该平均长度W20与中间永磁体P2到P8的长度W的比值W20/W为0.43＜W20/W＜0.49。

而且，在附图5所示的实施例中，相邻的中间永磁体PC中心之间的间距是彼此相等的。端部永磁体P11到P14和它们的相邻的中间永磁体PC之间的距离，以及端部永磁体P21到P24和它们的相邻的中间永磁体PC之间的距离可以与前面实施例中那样分别被定义为d₀。中间永磁体P2到P8中的两个相邻的永磁体的中心之间的间距可以被定义为τ_p。端部永磁体P11到P14的长度W11到W14的平均长度可以被定义为W10，或者端部永磁体P21到P24的长度W21到W24的平均长度可以被定义为W20。那么，比值(d₀+W10)/τ_p(距离d₀和四个端部永磁体的平均长度W10之和与间距τ_p的比值)或比值(d₀+W20)/τ_p(距离d₀和四个端部永磁体的平均长度W20之和与间距τ_p的比值)可以被定义为0.6＜(d₀+W10)/τ_p＜0.66或0.6＜(d₀+W20)/τ_p＜0.66。

对于该实施例中的直线电动机，得到了如附图4所示的相似的测试结果。

附图6是示出了本发明的进一步实施例的直线电动机的部分放大视图。在该实施例中的直线电动机中，隔离物201分别被布置在多个永磁体P1到P9中的两个相邻永久磁体之间以形成间隙200。其它的布置方式与附图2中所示的直线电动机相似。隔离物201通过切割由非磁性材料制成的铝线而形成，这种铝线的直径与间隙200的宽度相等。

本发明不限于这些实施例，在不脱离本发明范围的情况下还可以有多种不同的变形和改进。

Claims (8)

1.一种包括定子和可动部件的直线电动机，包括：

布置在定子和可动部件中的一个之上的电枢，

电枢包括：

具有沿着可动部件的运动方向设置的三个或更多个磁极部分的铁芯；以及

围绕铁芯缠绕以激励所述三个或更多个磁极部分的三相电枢绕组；以及

布置在定子和可动部件中另一个之上的永磁体磁极排，

永磁体磁极排包括：

由磁性材料制成的基部；以及

在基部上沿着运动方向以给定间隔布置成一排的多个永磁体，从而使得N极和S极交替设置，

所述多个永磁体以给定间隙面对所述三个或更多个磁极部分；其中

沿着运动方向测量的分别布置在永磁体磁极排的两端处的两个永磁体中的每一个的长度W1小于沿运动方向测量的其余的永磁体的长度W；以及

每相每极的凹槽数为3/8；且

当形成电枢的多个磁极部分的两个相邻磁极部分的中心之间的间距定义为τ_s时，永磁体的长度W定义为W＝τ_s；且长度W1与长度W的比值W1/W为0.43＜W1/W＜0.49。

2.根据权利要求1的直线电动机，其中由非磁性材料制成的隔离物布置在多个永磁体中的两个相邻永磁体之间以在两个相邻永磁体之间形成隔离。

3.根据权利要求2的直线电动机，其中隔离物通过切割线材而形成。

4.根据权利要求1的直线电动机，其中

永磁体磁极排布置在可动部件上；

基部的形状为圆筒形或圆柱形，且由所有永磁体磁极排共用；

多个永磁体被固定到基部的内周表面上；

电枢被布置在定子上；

定子被部分地布置在可动部件的内部；

电枢在运动方向上在两端部处通过定子固定装置被固定到基座上；

导块被固定到可动部件上；

导块通过布置在基座上的导轨被可滑动地支撑；以及

当导块在导轨上滑动时，可动部件能够相对于定子在运动方向上运动。

5.一种包括定子和可动部件的直线电动机，包括：

布置在定子和可动部件中的一个之上的电枢，

电枢包括：

具有沿着可动部件的运动方向设置的三个或更多个磁极部分的铁芯；以及

围绕铁芯缠绕以激励所述三个或更多个磁极部分的三相电枢绕组；以及

布置在定子和可动部件中另一个之上的多个永磁体磁极排，

每个永磁体磁极排包括：

由磁性材料制成的基部；以及

在基部上沿着运动方向以给定间隔布置成一排的多个永磁体，从而使得N极和S极交替布置，多个永磁体以给定间隙面对所述三个或更多个磁极部分；其中

布置在多个永磁体磁极排的一侧端部的多个永磁体具有在运动方向上测量的互不相同的长度，以及布置在该一侧端部的永磁体的平均长度被定义为W10；

布置在多个永磁体磁极排的另一侧端部的多个永磁体具有在运动方向上测量的互不相同的长度，以及布置在该另一侧端部的永磁体的平均长度被定义为W20；

在运动方向上测量，平均长度W10和平均长度W20小于其余永磁体的长度W；

每相每极的凹槽数为3/8；以及

当形成电枢的多个磁极部分中的两个相邻磁极部分中心之间的间距被定义为τ_s时，永磁体的长度W被定义W＝τ_s；平均长度W10与长度W的比值W10/W为0.43＜W10/W＜0.49；以及平均长度W20与长度W的比值W20/W为0.43＜W20/W＜0.49。

6.根据权利要求5的直线电动机，其中由非磁性材料制成的隔离物布置在多个永磁体中的两个相邻永磁体之间以在两个相邻永磁体之间形成隔离。

7.根据权利要求6的直线电动机，其中隔离物通过切割线材而形成。

8.根据权利要求5的直线电动机，其中

永磁体磁极排被布置在可动部件上；

基部的形状为圆筒形或圆柱形，且由所有永磁体磁极排共用；

多个永磁体被固定到基部的内周表面上；

电枢被布置在定子上；

定子部分地被布置在可动部件内部；

电枢在运动方向上在两端部处通过定子固定装置被固定到基座上；

导块被布置在可动部件上，

导块通过布置在基座上的导轨被可滑动地支撑；以及

当导块在导轨上滑动时，可动部件能够相对于定子在运动方向上运动。

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