CN112532016A - 一种圆筒形永磁往复直线运动电机及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种圆筒形永磁往复直线运动电机及其控制方法，其涉及电机领域和往复直线运动执行器领域。该圆筒形永磁往复直线运动电机包括运动输出轴、动子轭端盖、动子轭、线圈组、组成动子部分，爪型固定架、定子导磁端盖、定子导磁外壳、170°弧型径向充磁钕铁硼永磁瓦、铝合金材质磁瓦隔断棱条、销钉和标准法兰式直线轴承组成定子部分。调节通入线圈组的电流大小和方向可以控制电机动子部分输出的位移大小和方向，当通入交流电流时，控制输入电流的大小和频率可以控制电机动子部分输出的往复直线运动的幅值和频率。

Description

一种圆筒形永磁往复直线运动电机及其控制方法
技术领域
本发明涉及电机领域和往复直线运动执行器领域，尤其涉及圆筒形永磁往复直线电机。其在通入直流电流时具有双侧直线运动功能，而在通入交流电流时具有往复直线运动功能。
背景技术
在日常生活生产中，很多目标部件需要进行直线运动或者往复直线运动来达到设定状态，例如对零件进行加工或磨削的刀具往往需要进行直线运动或往复直线运动来加工零件；某些运动或横向振动平台需要进行直线或往复直线运动来实现横移和震荡运动等。而目前获得直线运动及往复直线运动可通过直线电机或旋转电机结合凸轮或连杆机构来实现。直线电机一般适合较大行程的直线运动，且直线电机的的成本较高、控制技术较复杂；而旋转电机结合凸轮或连杆机构的直线运动方案则存在运动形式转换带来的运动不连贯等缺点。
因此本发明根据永磁电机和音圈电机驱动原理，提出一种具有直线运动功能和往复直线运动功能的圆筒形永磁往复直线运动电机，并给出其控制方法控制电机输出直线运动和往复直线运动来实现上述需求。
发明内容
本发明的目的在于提出一种具有直线运动功能和往复直线运动功能的圆筒形永磁往复直线运动电机，并且给出其实现直线运动和往复直线运动的方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种圆筒形永磁往复直线运动电机，整体构件包括运动输出轴、动子轭端盖、动子轭、线圈组、爪型固定架、定子导磁端盖、定子导磁外壳、170°弧型径向充磁钕铁硼永磁瓦、铝合金材质磁瓦隔断棱条、四根固定销钉和标准法兰式直线轴承，所述运动输出轴一端含有螺纹，且与动子轭端盖通过螺纹连接，所述运动输出轴靠近螺纹一端含有利于工具扳旋拧的六边形结构，所述动子轭端盖与动子轭通过六个内六角螺栓进行连接，所述动子线圈组缠绕在动子的线圈槽内，其导线输入与输出端通过动子轭与前动子轭端口的小孔引出，所述运动输出轴和动子轭端盖相对于动子轭对称布置。所述运动输出轴、动子轭端盖、动子轭、线圈组构成动子部分。
所述爪型固定架通过六个内六角螺栓与定子导磁端盖和定子导磁外壳进行连接，所述爪型固定架和定子导磁端盖相对于定子导磁外壳对称布置，所述爪型固定架与标准法兰式直线轴承通过四个内六角螺栓记性连接，所述运动输出轴和标准法兰式直线轴承采用同轴滑动连接。
所述铝合金材质磁瓦隔断棱条开有两个销钉孔，所述定子导磁外壳开有四个销钉孔，所述铝合金材质磁瓦隔断棱条与定子导磁外壳内面通过销钉进行连接，所述170°弧型径向充磁钕铁硼永磁瓦通过永磁力嵌入到定子导磁外壳内面且被两个相同铝合金材质磁瓦隔断棱条隔断。
所述爪型固定架、定子导磁端盖、动子导磁外壳、铝合金材质磁瓦隔断棱条、170°弧型径向充磁钕铁硼永磁瓦、销钉构成定子部分
一种圆筒形永磁往复直线运动电机的控制方法，包括以下部分：
S1：当线圈组通入正向直流电流I+时，圆筒形永磁往复直线运动电机的动子部分输出正向的直线运动并能在一定的位置保持静止，当通入的正向电流I+增大时，该正向位移继续增大并在一定位置处保持静止，反之电流减小时，动子部分反向运动并在一定位置处保持静止，撤去正向直流电流I+时动子部分回到原位。
S2：当线圈组通入反向直流电流I-时，圆筒形永磁往复直线运动电机的动子部分输出反向的直线运动并能在一定的位置保持静止，当通入的直流电流I-增大时，该反向位移继续增大并在一定位置处保持静止，反之电流减小时，动子部分正向运动并在一定位置处保持静止，撤去反向直流电流I-时动子部分回到原位。
S3：当线圈组通入交流电流I±时，圆筒形永磁往复直线运动电机的动子部分会在电流为正时正向运动到一定位置后，当反向电流输入线圈组后动子部分迅速反向运动到一定位置，此时当正向电流再次输入使动子部分开始正向运动到一定位置，该过程随着交流电流的电流方向交替反复进行，直到电机的往复运动频率与交流电I±的频率相同时，动子部分达到稳定的往复直线运动状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明基于安培力、静磁力和永磁体磁场与电磁铁磁场之间相互作用力的合力使动子部分随线圈输入电流的极性及大小变化产生直线运动或往复直线运动，且本发明具有结构简单紧凑、原理清晰、控制方法易实现、响应速度快、并具有一定定位能力的优点。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明爪型固定架局部刨机构示意图。
图3为本发明定子外壳部分构示意图。
图4为本发明定子导磁端盖结构示意图。
图5为本发明定子导磁外壳整体局部刨结构示意图。
图6为本发明铝合金材质磁瓦隔断棱条结构示意图。
图7为本发明销钉结构示意图。
图8为本发明170°弧型径向充磁钕铁硼永磁瓦结构示意图。
图9为本发明动子部分整体结构示意图。
图10为本发明运动输出轴结构示意图。
图11为本发明动子轭端盖结构示意图。
图12为本发明动子轭结构示意图。
图13为本发明线圈组结构示意图。
图中：1-标准法兰式直线轴承；2-爪型固定架；3-定子导磁端盖；4-定子导磁外壳；5-动子部分；6-铝合金材质磁瓦隔断棱条；7-销钉；8-170°弧型径向充磁钕铁硼永磁瓦；201-通孔A；202-螺纹孔A；203-螺纹孔B；301-通孔B；401-销钉孔A；402-沉头孔A；501-运动输出轴；5011-螺纹；5012-六棱面；502-动子轭端盖；5021-螺纹孔C；5022-沉头孔B；5023-引线孔A；503-动子轭；5031-螺纹孔C；5032-引线孔B；5033-线圈槽；504-线圈组；601-销钉孔B。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-12，本发明提供一种技术方案：一种圆筒形永磁往复直线运动电机，包括标准法兰式直线轴承1、爪型固定架2、定子导磁端盖3、定子导磁外壳4、动子部分5、铝合金材质磁瓦隔断棱条6、销钉7、8-170°弧型径向充磁钕铁硼永磁瓦8，所述标准法兰式直线轴承1为标准件，分别安装在爪型固定架2的通孔A201内，并采用四个内六角螺栓与四个螺纹孔A202连接，所述爪型固定架2的六个螺纹孔B203通过六个内六角螺栓连接定子导磁外壳4的六个沉头孔A402和定子导磁端盖3的六个通孔B301，所述爪型固定架2和定子导磁端盖3相对于定子导磁外壳4对称布置，所述两条铝合金材质磁瓦隔断棱条6的两个销钉孔B601分别与定子导磁外壳4的四个销钉孔A401通过四个销钉7连接，所述170°弧型径向充磁钕铁硼永磁瓦8嵌入两条铝合金材质磁瓦隔断棱条6之间的两个空位内并在静磁力的作用下吸附在定子导磁外壳4的内表面。
所述动子部分5包含运动输出轴501、动子轭端盖502、动子轭503和线圈组504，所述运动输出轴501通过扳手等工具旋拧六棱面5012使得螺纹5011分别与动子轭端盖502的螺纹孔C5021配合，所述动子轭端盖502的沉头孔B5022通过内六角螺栓与动子轭503的螺纹孔C5031配合，其中动子轭503为两侧对称结构，且动子轭端盖502的引线孔A5023需与动子轭503的引线孔B5032相对应，使得线圈组504的导线两端可以通过引线孔A5023和引线孔B5032引出，所述运动输出轴501和动子轭端盖502相对于动子轭503对称布置，所述线圈组504缠绕在动子轭503的线圈槽5033内。
实施过程：
直动操作步骤：
为方便描述，规定第一次通入电流的方向为正方向，因此正向电流导致的电机位移为正向位移，反之，反向电流导致的电机位移为正反向位移。
(1)将正向电流I+通入线圈组504中，动子部分5会产生正向的位移，且在一定位置处停止并保持位移不变；增大或减小正向电流I+时，动子部分5产生的正向位移增大或减小；若撤去正向电流I+，则动子部分5回到原位。
(2)将反向电流I-通入线圈组504中，动子部分5会产生反向的位移，且在一定位置处停止并保持位移不变；增大或减小反向电流I+时，动子部分5产生的反向位移增大或减小；若撤去反向电流I+，则动子部分5回到原位。
往复直动操作步骤：
将正负交替的交流电流I±通入线圈组504中，动子部分5会产生正负位移往复的直线震荡运动；当增大或减小交流电流I±大小时，动子部分5产生的往复直线运动幅值会增大或减小；当改变交流电流I±频率时，动子部分5产生的往复直线运动频率会改变；若撤去交流电流I±，则动子部分5回到原位。
工作原理：首先定子导磁外壳4、定子导磁端盖3、动子轭端盖502、动子轭503和动子轭503的线圈槽5033与定子导磁外壳4的内表面形成的空气气隙一起组成了导磁闭合回路，因此170°弧型径向充磁钕铁硼永磁瓦8在闭合闭合磁路产生磁通，而气隙出的磁通为线圈工作的气隙磁通；首先，当线圈组504通入电流时，由安培力定律可知，导电线圈在气隙磁场作用下会产生力的作用，且力的方向遵从左手定则；然后，线圈组504通入电流后会磁化动子轭503和动子轭端盖502使其变成具有N、S极的电磁铁，磁场方向遵从右手螺旋定则，该电磁铁磁场会与两片170°弧型径向充磁钕铁硼永磁瓦8在闭合磁路产生的磁场产生力的作用；最后，动子轭503和动子轭端盖502因为材质为导磁材料因此会受到两片170°弧型径向充磁钕铁硼永磁瓦8的静磁力作用。
动子轭503受到通入规定方向电流后的线圈组504产生的安培力朝一个方向输出位移，安培力的大小随电流大小变化，而动子轭503和动子轭端盖502因为受到两片170°弧型径向充磁钕铁硼永磁瓦8的静磁力作用会阻碍动子轭503的位移，该静磁力在电机行程范围内随着动子部分5位移的变大而变大，而线圈组504通电而产生电磁铁磁场N、S极与两片170°弧型径向充磁钕铁硼永磁瓦8在磁路内的磁场N、S极之间产生相互作用力，且该相互作用力的方向与通入规定方向电流的线圈组504所受到安培力的方向相同，且力的大小随着动子部分5位移的增大而减小，线圈组504的电流增大而增大。
综上所述，当线圈组504通入正向电流时，动子部分5受到两个正向的力和一个反向的力，当动子部分5的位移逐渐变大后，三个力的合力会变化到0，此时动子部分5停止运动并保持位移；当线圈组504通入正向电流增大或较小时两个正向的增大或减小使得正向位移会增加或减小直到再次达到力的平衡后停止运动；当撤去正向电流时，安培力与两磁场间的相互作用力消失，动子部分5在静磁力作用下回到原位，反之线圈组504通入反向电流的情况与正向情况相对。
当线圈组504通入交流电流后，动子部分5的变化情况是线圈组504通过正向电流和反向电流时的结合情况，当通入线圈组504的交流电流变化为正向时动子部分5正向移动，当通入线圈组504的交流电流变化为反向时动子部分5反向移动，重复以上步骤，则在线圈组504通入电流方向连续变化的交流电流下，动子部分5会进行往复直线运动，且运动的幅度、频率与交流电流的大小和频率相关。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种圆筒形永磁往复直线运动电机，包括标准法兰式直线轴承(1)、爪型固定架(2)、定子导磁端盖(3)、定子导磁外壳(4)、动子部分(5)、铝合金材质磁瓦隔断棱条(6)、销钉(7)、170°弧型径向充磁钕铁硼永磁瓦(8)，所述标准法兰式直线轴承(1)为标准件，分别安装在爪型固定架(2)的通孔A(201)内，并采用四个内六角螺栓与四个螺纹孔A(202)连接，所述爪型固定架(2)的六个螺纹孔B(203)通过六个内六角螺栓连接定子导磁外壳(4)的六个沉头孔A(402)和定子导磁端盖(3)的六个通孔B(301)，所述爪型固定架(2)和定子导磁端盖(3)相对于定子导磁外壳(4)对称布置，所述铝合金材质磁瓦隔断棱条(6)的两个销钉孔B(601)分别与定子导磁外壳(4)的四个销钉孔A(401)通过四个销钉(7)连接，所述铝合金材质磁瓦隔断棱条(6)相对于定子导磁外壳(4)内部对称布置，所述170°弧型径向充磁钕铁硼永磁瓦(8)嵌入两条铝合金材质磁瓦隔断棱条(6)之间的两个空位内并在静磁力的作用下吸附在定子导磁外壳(4)的内表面，所述170°弧型径向充磁钕铁硼永磁瓦(8)相对于定子导磁外壳(4)内部对称布置。
[0030]所述动子部分(5)包含运动输出轴(501)、动子轭端盖(502)、动子轭(503)和线圈组(504)，所述运动输出轴(501)通过扳手等工具旋拧六棱面(5012)使得螺纹(2011)分别与动子轭端盖(502)的螺纹孔C(5021)配合，所述动子轭端盖(502)的沉头孔B(5022)通过内六角螺栓与动子轭(503)的螺纹孔C(5031)配合，其中动子轭(503)为两侧对称结构，且动子轭端盖(502)的引线孔A(5023)需与动子轭(503)的引线孔B(5032)相对应，使得线圈组(504)的导线两端可以通过引线孔A(5023)和引线孔B(5032)引出，所述线圈组(504)缠绕在动子轭(503)的线圈槽(5033)内，所述运动输出轴(501)和动子轭端盖(502)相对于动子轭(503)对称布置。
2.一种用于权利要求1所述的圆筒形永磁往复直线运动电机的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：将正向电流I+通入线圈组(504)中，动子部分(5)会产生正向的位移，且在一定位置处停止并保持位移不变；增大或减小正向电流I+时，动子部分(5)产生的正向位移增大或减小；若撤去正向电流I+，则动子部分(5)回到原位。
S2：将反向电流I-通入线圈组(504)中，动子部分(5)会产生反向的位移，且在一定位置处停止并保持位移不变；增大或减小反向电流I+时，动子部分(5)产生的反向位移增大或减小；若撤去反向电流I+，则动子部分(5)回到原位。
S3：将正负交替的交流电流I±通入线圈组(504)中，动子部分(5)会产生正负位移往复的直线震荡运动；当增大或减小交流电流I±大小时，动子部分(5)产生的往复直线运动幅值会增大或减小；当改变交流电流I±频率时，动子部分(5)产生的往复直线运动频率会改变；若撤去交流电流I±，则动子部分(5)回到原位。
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