CN101527481B - 线性电动机安装结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁引力抵消型线性电动机，该电动机防止电动机推力由于在定子上的位置的变化而变化，从而使得电动机推力和机床的精度以及加工表面的质量能够得到提高。磁引力抵消型线性电动机具有基座(72)，其通过与定子底面(74)接触来固定定子(52a、52b)；两个定子安装构件，其每一个设置在定子(52a、52b)中相对应的一个定子的一侧，并且每一个从基座(72)延伸到与定子顶面(73)的高度实质上相等的高度；以及两个板状支撑构件(81)，其固定地连接到相应的两个定子(52a、52b)的定子顶面以及基座顶面(84)上。

Description

线性电动机安装结构

优先权信息

本申请要求于2008年3月3日提交的申请号为2008-51546的日本专利申请的优先权，其全文通过参考合并于此。

技术领域

本发明涉及一种用于在诸如机床的工业设备中使用的线性电动机的安装结构。

背景技术

线性电动机已经用于诸如机床的工业设备以获得高速度和高精度。在线性电动机中，永磁体设置在可移动构件或定子中，以使推力的数倍大的磁引力在可移动构件与定子之间起作用。磁引力可以使机床不利地变形以降低加工精度。为了解决该问题，使用磁引力抵消型线性电动机(magnetic attractiveforce offsetting linear motor)。例如，参见日本专利公开第2005-137140号(专利文献1)。磁引力抵消型线性电动机由可移动构件和两个定子组成，两个定子彼此平行布置以使可移动构件夹在定子之间。所述配置使得磁引力在两个定子中的每一个与可移动构件之间产生，以使所产生的磁引力在相反的方向上起作用以便相互抵消。这将总的磁引力减小到最小，并且有助于防止磁引力对机床工作的不利影响。

将结合图5至图8来描述常用的线性电动机的一个示例。图5为示出了常用的线性电动机的一般配置的图。图6示出了沿图5中的线C-C截取的截面图。图7为示出了缠绕在线性电动机上的线圈的图。图8为定子的立体图。

线性电动机具有平行延伸的两个定子52a和52b；以及可移动构件51，其可沿定子52a和52b延伸的方向在定子52a与52b之间移动。

定子52a和52b中的每一个由多层电磁钢板形成。定子52a和52b中的每一个具有以间距P布置的凸极50。如图8所示，定子52a和52b中的每一个制造为具有预定长度。每个定子的多个片层在可移动构件51移动的方向上布置在可移动构件51的行程长度的范围内。定子52a和52b固定到，例如机床的基座72(图6中所示)上。具体地，如图6和图8所示，定子52a和52b中的每一个通过螺栓71固定到基座72上，以使定子的底面74与基座72接触。

另一方面，可移动构件51以能够在图5中的X轴的方向上移动的方式由设置在基座72与工作台(附图中未示出)之间并且固定到工作台上的滚动导轨等等支撑。可移动构件51由可移动构件滑块(block)53、54和55组成，可移动构件滑块53、54和55中的每一个由在与X轴的方向垂直的Z轴的方向上显示了优良的磁特性的层叠的定向电磁钢板(stacked directionalelectromagnetic steel plate)形成，可移动构件51在X轴的方向上推进。可移动构件滑块53用于U相，可移动构件滑块54用于W相，而可移动构件滑块55用于V相。可移动构件滑块53、54和55布置为使得可移动构件滑块53、54和55中的每一个相对于X轴的方向移动120°，即定子52a和52b的磁极间距P的三分之一，可移动构件51在X轴的方向上推进。三相交流线圈缠绕在可移动构件滑块53、54和55中的每一个上。即，用于U相的三相交流线圈56缠绕在可移动构件滑块53上。用于W相的三相交流线圈57缠绕在可移动构件滑块54上。用于V相的三相交流线圈58缠绕在可移动构件滑块55上。如图7所示，三相交流线圈56、57和58的U、W和V相以Y的形式连接在一起。三相交流线圈56、57和58缠绕在其上的可移动构件滑块53、54和55用模制树脂(mold resin)76彼此结合。

永磁体59和64布置在可移动构件滑块53、54和55中的每一个的表面上，以使N极和S极交替。具体地，如图5B和图5C所示，各自包括一个N极永磁体和一个S极永磁体的三对永磁体如图5B和图5C所示的以间距P布置。这里，如图5所示，当定子52a侧定义为A-侧而定子52b侧定义为B-侧时，A-侧的永磁体59和B-侧的永磁体64布置为使得A-侧的极性与B-侧的极性相反。

如上所述，三相交流线圈56、57和58以Y的形式连接在一起。当电流在从U到V和W的方向上施加到三相交流线圈56、57和58上时，在线性电动机中激发了磁通量62。

将对线性电动机的工作的一个示例进行描述。当电流施加到三相交流线圈56、57和58上时，可移动构件滑块53、54和55在沿Y轴方向的正向或负向上被激发。结果，增强了在与激发交流线圈的方向相同的磁化方向上排列的永磁体59和64中的磁通量，同时减弱了在与激发方向相反的磁化方向上排列的剩余的永磁体中的磁通量。这样，永磁体59和64中的每一个被激发为具有相反的极性中的任何一个，即，起N极或S极的作用。如图5A中的附图标记62所示，通过可移动构件滑块53、54和55以及定子52a和52b侧的磁通量形成了磁路。这时，磁引力取决于可移动构件51以及定子52a和52b的位置而产生。这样，在可移动构件51中产生了推力，从而使得可移动构件51移动。

将利用如下示例来进一步详细地描述磁通量的流动：在该示例中，电流从U相流向V相和W相，即电流在图5A所示的缠绕方向上流经三相交流线圈56并且在与图5A所示的缠绕方向相反的方向上流经三相交流线圈57和58。然后，可移动构件滑块53的A-侧变为S极，而其B-侧变为N极。与此相反，可移动构件滑块54和55的A-侧变为N极，而其B-侧变为S极。这样，如图5A所示，磁路62形成为使得磁通量通过定子52b从可移动构件滑块53流向可移动构件滑块54和55，然后通过定子52a返回到可移动构件滑块53。然后，磁引力在X轴的方向上作用于可移动构件51以在可移动构件51中产生推力。

发明内容

本发明待解决问题

以下将概述关于上述线性电动机的问题。

在上述配置中，磁引力抵消型线性电动机的定子52a和52b固定到基座72上。具体地，如图6所示，定子52a和52b固定为使得与定子52a和52b中的每一个的底面相对应的定子底面74和基座72接触。然而，与定子52a和52b中的每一个的顶面相对应的定子顶面73不固定。这样，定子52a和52b不利地显示出低刚度。特别地，在图5和图6所示的其中定子52a和52b中的每一个均由多层电磁钢板组成的常用的线性电动机中，电磁钢板在与磁引力作用的方向垂直的方向上层叠。这样，力作用在电磁钢板移动的横向上，不利地显著降低了定子52a和52b的刚度。

此外，在如上所述的定子52a和52b中，仅有定子顶面73被磁引力弯曲。这样，可移动构件51与定子52a和52b中的每一个之间的气隙仅在定子顶面73上被减小。而且，定子52a和52b中的每一个的片层布置在可移动构件51的移动方向上。这样，定子52a和52b中的每一个的刚度取决于电磁钢板的层叠的状态在定子之间的片层之间变化。因此，可移动构件51与定子52a和52b中的每一个之间的气隙取决于定子的位置而变化。结果，电动机推力可以取决于定子52a和52b中的每一个的位置而不利地变化。

此外，在所描述的常用的线性电动机中，设置在可移动构件51侧的三相交流线圈56、57和58被通电以通过气隙激发定子52a和52b，这提供了高磁阻。这样，推力随着气隙减小而增大。气隙需要考虑到期望定子52a和52b弯曲的量来预先确定。然后，气隙需要比期望值大，这不利地导致了减小的电动机推力。

而且，对于电动机控制，必须增大增益以提高反馈可控性。然而，增大的增益使得具有低刚度的定子振动。这防止增益增大到期望值，导致了显著的位置误差。这样，可能不利地恶化机床的精度以及加工表面的质量。

本发明解决了这些问题中的至少一个。本发明首先提供了一种适于防止电动机推力取决于在定子上的位置而变化的线性电动机。

本发明还提供了一种使得电动机推力得到提高的线性电动机。

本发明另外还提供了一种使得机床的精度以及加工表面的质量得到提高的线性电动机。

解决问题的方法

本发明提供了一种允许安装线性电动机的线性电动机安装结构，所述线性电动机安装结构包括平行延伸的两个定子，以及可移动构件，所述安装结构的特征在于包括：基座，其与定子的底面接触以固定定子；两个定子安装构件，每一个定子安装构件从基座延伸到与定子的顶面的高度实质上相等的高度；以及两个板状支撑构件，其固定地连接到两个定子的顶面以及两个定子安装构件的顶面上，并且其中，定子中的每一个的底面固定到基座上，并且定子的顶面经由相对应的板状支撑构件而固定到相对应的定子安装构件上。

此外，基座和两个定子安装构件可以结合在一起以便具有U形横截面。定子中的每一个的底面可以固定到基座的U形横截面的底部上。定子的顶面可以经由相对应的板状支撑构件而固定到基座的U形横截面的顶面上。

此外，在定子中的每一个与相对应的定子安装构件的侧壁之间可以产生有间隙。

而且，当气隙的最大容许位移定义为δx，板厚定义为t，测定系数(measured coefficient)定义为K，施加到定子的顶面上的磁引力定义为Fm，板状支撑构件的宽度定义为W，并且材料的容许应力定义为σ时，板状支撑构件的厚度t可以设定为 $\sqrt[3]{(\mathrm{\δx}/K)}\≥t\≥\mathrm{Fm}/\left(\mathrm{W\σ}\right).$

本发明的优点

通过利用根据本发明的线性电动机，能够防止由于定子的相对位置而引起的电动机推力的变化。此外，因为能够以定子中的每一个与可移动构件之间的气隙设定为预定值的方式来安装定子和可移动构件，所以提高了电动机推力。而且，对于电动机控制，提高了刚度以使增益能够增大，从而提高了反馈可控性并且减小了位置误差。因此，能够提高机床的精度以及加工表面的质量。

附图说明

图1为示出了根据本实施例的用于线性电动机的安装结构的图；

图2为定子的立体图；

图3为示出了根据另一个实施例的用于线性电动机的安装结构的图；

图4为示出了基于不同的原理的用于线性电动机的安装结构的图；

图5A为示出了线性电动机的一般配置的图，而图5B和图5C为示出了永磁体的布置的图；

图6为沿图5A中的线性电动机的线C-C截取的截面图；

图7为缠绕在线性电动机上的线圈的图；以及

图8为定子的立体图。

具体实施方式

以下将结合附图来描述本发明的实施例。

图1为示出了根据本发明的一个实施例的用于线性电动机的安装结构的图，而图2为定子的立体图。线性电动机具有：两个定子52a和52b，其平行延伸；可移动构件51，其可沿定子52a和52b延伸的方向在定子52a与52b之间移动；以及基座72，定子52a和52b固定到基座72上。这里，对于可移动构件51以及定子52a和52b，与以上所述的现有技术中的部件相对应的部件由相同的附图标记来表示并且以下将不会进行详细的描述。

基座72形成为具有U形的横截面。在图1中，用于基座72的附图标记表示下列部件。附图标记85表示形成在基座72中的U形槽。附图标记82表示形成为基座72的侧壁的U形槽侧面壁。附图标记84表示U形的一端，换句话说，与基座72的顶面相对应的基座顶面。基座顶面84在实质上与定子顶面73的高度相等的高度形成。扁平的板状支撑构件81定位为使得桥接基座顶面84与定子顶面73。如图2所示，多个螺栓孔77形成在板状支撑构件81中。板状支撑构件81通过螺栓83固定到基座顶面84上并且通过螺栓71固定到定子顶面73上。这样，定子52a和52b经由螺栓71而固定到U形槽85的底部上并且经由固定到定子顶面73上的板状支撑构件81而固定到基座72的基座顶面84上。

在如上所述配置的定子52a和52b中，定子顶面73经由板状支撑构件81而被基座顶面84支撑。这防止定子52a和52b朝可移动构件51弯曲。这样，能够在定子顶面73与定子底面74之间保持可移动构件51与定子52a和52b中的每一个之间的气隙均匀。此外，由于定子顶面73通过板状支撑构件81固定到基座72上，因此提高了定子52a和52b的刚度。结果，能够防止由于定子52a和52b的位置而引起的电动机推力的变化。另外，定子52a和52b以及可移动构件51能够安装为使得在定子52a和52b中的每一个与可移动构件51之间设置有预定气隙。同样地，能够消除考虑到定子52a和52b的所期望的弯曲而将气隙设定为较大值的任何需求。因此提高了电动机推力。而且，对于电动机控制，提高了刚度以使增益能够增大。这样，提高了反馈可控性以减小位置误差。因此，能够提高机床的精度以及加工表面的质量。

将对根据本实施例的板状支撑构件81的最佳板厚进行描述。与以上所述的现有技术相同，定子52a和52b中的每一个由多层电磁钢板构成。这样，由于累积的尺寸误差，难以获得期望的指定层叠厚度。结果，定子顶面73的高度与基座顶面84的高度不同。压力通过板状支撑构件81施加到定子52a和52b上。压力使得定子52a和52b朝可移动构件51弯曲以改变间隙。这里，当气隙的最大容许位移定义为δx，板状支撑构件81的板厚定义为t，并且测定系数定义为K时，最大容许位移为δx＝Kt³。这样，板状支撑构件81的最大板厚为 $t=\sqrt[3]{(\mathrm{\δx}/K)}.$

具体地，板状支撑构件81的最大板厚如下来确定。定子顶面73与基座顶面84之间的水平高度差设定为假定最大值。具有板厚的板状支撑构件81用于固定定子52a和52b。确定气隙的当前位移，并且基于该结果，确定系数K。根据上述关系(最大容许位移δx＝Kt³)，确定与最大容许板厚相对应的板厚t。

这里，板状支撑构件81的最大板厚必须设定为使得由磁引力引起的反复应力小于或等于材料的容许应力。这里，当施加到定子顶面73上的磁引力定义为Fm，板状支撑构件81的宽度定义为W，并且材料的容许应力定义为σ时，最小板厚为t＝Fm/(Wσ)。这样，板状支撑构件81的最佳板厚可以设定在由如下表达式确定的范围内：

$\sqrt[3]{(\mathrm{\δx}/K)}\≥t\≥\mathrm{Fm}/\left(\mathrm{W\σ}\right)$

在定子52a和52b中的每一个与U形槽侧面壁82之间产生如图1所示的间隙是优选的。如果定子顶面73的高度与基座顶面84的高度不同，则定子52a和52b的弯曲能够通过增加螺栓71与83之间的距离而减到最小以降低板状支撑构件81的挠曲刚度，并且因此减小通过板状支撑构件81施加在定子52a和52b上的压力。

图3为示出了根据另一个实施例的用于线性电动机的安装结构的图。图1所示的U形槽侧面壁82通过切割基座72的一部分来形成。与此相反，在图3中，定子安装构件90通过螺栓固定到基座72上以形成U形的横截面。结果，定子52a和52b经由板状支撑构件81而安装在定子安装构件90的顶面上。这样，能够获得与以上实施例的效果相似的效果。

图4为示出了基于不同的原理的用于线性电动机的安装结构的图。图4中的线性电动机为通常用于机床的磁引力-抵消型的表磁型线性电动机。在可移动构件51的移动方向上彼此平行延伸的两个定子95a和95b中的每一个由长方体(rectangular parallelepipedic)钢板组成。永磁体96在可移动构件51的移动方向上以预定的间隔布置在定子95a和95b的相对的表面中的每一个上。另一方面，在两个定子95a与95b之间移动的可移动构件51具有梳齿状齿部98，齿部98形成在可移动构件铁心97的位于定子95a和95b的对面的表面上。可移动构件51由缠绕在齿部98上的三相交流线圈57组成。将电流施加到三相交流线圈57上使得可移动构件51在两个定子95a与95b之间移动。如在图1中公开的线性电动机中，基于该原理的线性电动机在定子95a和95b中的每一个与可移动构件51之间产生了磁引力。

因为定子95a和95b由钢板组成，所以表磁型线性电动机的定子95a和95b提供了比图1所示的定子52a和52b的刚度高的刚度。然而，使用仅固定长方体的定子95a和95b中的一个的常用的安装结构，定子95a和95b可以被磁引力弯曲以改变间隙。这样，还是在该电动机中，根据以上实施例的线性电动机结构的应用使得能够获得与以上实施例的效果相似的效果。

在本实施例中以上描述的线性电动机中，可移动构件51的结构如图1和图4所示。然而，本发明不局限于该方案。本发明可应用于如下类型的线性电动机：其中，如果定子的形状与图1和图4中所示的定子的形状相似，则可移动构件51的结构与图1和图4所示的可移动构件的结构不同。

Claims (3)

1.一种允许安装线性电动机的线性电动机安装结构，包括：

两个定子，其平行延伸；以及

可移动构件，其在所述定子延伸的方向上在所述两个定子之间是可移动的，所述线性电动机安装结构的特征在于包括：

基座，其与所述定子的底面接触以固定所述定子；

两个定子安装构件，每一个定子安装构件设置在所述两个定子的相对应的一侧，并且每一个定子安装构件从所述基座延伸到与所述定子的顶面的高度实质上相等的高度；以及

两个板状支撑构件，其固定地连接到相应的所述两个定子的顶面以及相应的所述两个定子安装构件的顶面上，并且其中

所述定子中的每一个的所述底面固定到所述基座上，并且所述定子的所述顶面经由相对应的所述板状支撑构件而固定到相对应的所述定子安装构件上，

其中，当气隙的最大容许位移定义为δx，板厚定义为t，测定系数定义为K，施加到所述定子的所述顶面上的磁引力定义为Fm，所述板状支撑构件的宽度定义为W，并且材料的容许应力定义为σ时，所述板状支撑构件的厚度t设定为 $\sqrt[3]{(\mathrm{\δx}/K)}\≥t\≥\mathrm{Fm}/\left(\mathrm{W\σ}\right).$

2.根据权利要求1所述的线性电动机安装结构，其特征在于，所述基座和所述两个定子安装构件结合在一起以便具有U形横截面，

所述定子中的每一个的所述底面固定到所述基座的U形横截面的底部上，并且

所述定子的所述顶面经由相对应的所述板状支撑构件而固定到所述基座的U形横截面的顶面上。

3.根据权利要求1所述的线性电动机安装结构，其特征在于，在所述定子中的每一个与相对应的所述定子安装构件的侧壁之间产生间隙。

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