CN114175476A - 具有集成空气静压轴承导向的铁芯直线电机施力装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种具有集成空气静压轴承导向的铁芯直线电机施力装置(100)。所述电机施力装置(100)包括：(i)封装在具有上表面(11)和下表面(12)的外壳(13)内的铁芯(10)，其中，所述铁芯(10)安装有多个线圈绕组(16)，从所述外壳(13)的上表面(11)到下表面(12)基本垂直地设置有多个空气供应通道(50)，且每个所述空气供应通道(50)在所述下表面(12)处终止于一个或多个孔口(32)；和(ii)具有定子表面(22)的线性电机定子(20)。所述铁芯直线电机施力装置(100)在所述线性电机定子(20)上无摩擦地移动。

Description

具有集成空气静压轴承导向的铁芯直线电机施力装置
优先权和相关申请
本专利申请要求新加坡临时申请的优先权,申请号为10201906690X,于2019年7月19日提交，以及申请号为10201911803U，于2019年12月7日提交。上述两个申请的内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本申请总体上涉及空气静压轴承导向。具体地，本发明涉及一种具有集成空气静压轴承导向的铁芯直线电机施力装置，以形成自调节施力装置和线性电机定子之间运行间隙的模块化单元。
背景技术
众所周知，在传统技术中，开放式铁芯直线电机的施力装置和定子之间的磁吸力可以用作空气静压轴承的预载源。这在美国专利(No.6150740)中已公开，该专利公开了一种预加载线性运动轴承的***和方法，该***和方法被设置成在每个轨道和重叠滑架的两个正交表面之间移动，其中在线圈和磁体之间具有高吸引力的永磁线性电动机相对于表面倾斜，倾斜角度为锐角，以产生非接触线性运动轴线。然而，现有技术是基于将独立的空气静压轴承元件与铁芯线性电机组合在一个组件中。这种设计中，预载力施加在与轴承气膜不同的位置，并且电机加速度施加的力远离每个轴承元件的刚度中心，因此需要精细的机械设计来实现良好的***动力学和高几何精度。
德国专利(No.DE102007057833)公开了一种具有集成线性电机的线性导向器，该线性导向器具有在导向器方向上延伸的固定支架、可移动工作台方向上的导向器和直线电机，该直线电机的可移动部分与工作台在一起，其固定部分与托架相连。该线性导向器还具有集成的位置测量***，该***具有标尺和扫描头，工作台在导向方向和偏离方向上的位置都是可检测的，横向于导向方向并且平行于线性电机的气隙平面。
美国专利(No.6707200)公开了一种集成电机和磁轴承，包括:包含多个永磁体的转子；和包括多个独立控制的线圈段的定子，线圈段磁耦合到永磁体。运动段适应性地对其产生切向力，从而由切向力在定子和转子上产生扭矩和轴承力。
欧洲专利(EP 3460273)公开了一种主动空气静压轴承，其包括具有中心凹陷区域的下板，该凹陷区域包括形成用于来自中心喷嘴的加压空气的入口限制器的孔口。在导向表面和下板之间形成气隙。主动空气静压轴承包括力致动器，该力致动器用于使下板变形，从而改变气隙的形状。该致动器使得第一板的锥形变形。优选地，第一板、第二板和四个枢转点形成平行四边形，该平行四边形的形状可通过致动致动器而改变。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种具有集成空气静压轴承导向的铁芯直线电机施力装置，使得轴承元件、预加载元件和致动元件组合成一个单元。这样的组合单元产生在惯性中心、刚度中心和力中心之间具有固有对准的独立运动元件。这些固有的平衡元件易于集成到***中，减少了整体零件数量，并减小了质量和尺寸，这些特性都有助于在精密运动***的构造中发挥巨大的潜在效用。
本发明的另一个主要目的是提供一种具有集成空气静压轴承导向的铁芯直线电机施力装置，包括：
(i)封装在具有上表面和下表面的外壳内的铁芯，其中，所述铁芯安装有多个线圈绕组，从所述外壳的上表面到下表面基本垂直地设置有多个空气供应通道，且每个所述空气供应通道在所述下表面处终止于一个或多个孔口；和
(ii)具有定子表面的线性电机定子；
从而，加压空气通过多个所述空气供应通道被注入到形成在所述下表面和所述线性电机定子的定子表面之间的磁性气隙中，以产生预加载的轴承气膜，且所述铁芯直线电机施力装置在所述线性电机定子上无摩擦地移动。
本发明的另一个主要目的是提供一种具有集成空气静压轴承导向的铁芯直线电机施力装置，包括：
(i)封装在具有上表面和下表面的外壳内的铁芯，其中，所述铁芯安装有多个线圈绕组；
(ii)多个皮下注射管，每个所述皮下注射管具有内部容积，安装在所述下表面和连接所述皮下注射管的内部容积与所述下表面的多个孔口上；和
(iii)具有定子表面的线性电机定子；
从而，加压空气通过所述皮下注射管注入到形成在所述下表面和所述定子表面之间的磁性气隙中，以在线性电机定子的磁性气隙中产生预加载的轴承气膜，且所述铁芯直线电机施力装置在所述线性电机定子上无摩擦地移动。
本发明的又一个目的是提供一种具有集成空气静压导向的铁芯直线施力装置，其中所述铁芯直线施力装置的所述下表面上的所述皮下注射管上的多个所述孔口由激光器形成。
本发明的另一个目的是提供一种具有集成空气静压轴承导向的铁芯直线电机施力装置，其中所述皮下注射管安装在所述铁芯的下表面下方。
本发明的又一个目的是提供一种具有集成空气静压轴承导向的铁芯直线电机施力装置，其中顶部耐磨层和底部耐磨层具有高水平的平整度。
本发明的另一个目的是提供一种具有集成空气静压轴承导向的铁芯直线电机施力装置，其中所述线性电机定子包括永磁体阵列，且所述施力装置相对于所述线性电机定子移动，所述线性电机定子的定子表面具有高水平的平整度和光洁度。
本发明的又一个目的是提供一种具有集成空气静压轴承导向的铁芯直线电机施力装置，其中所述线性电机定子的定子表面用作所述铁芯直线电机施力装置的导轨。
本发明的另一个目的是提供一种具有集成空气静压轴承导向的铁芯直线电机施力装置，其中所述线性电机定子的上表面和下表面用作所述空气静压轴承的运行表面，在这两个表面之间是一个空气膜，该空气膜由施力装置和定子之间的磁引力预加载，其厚度优选为0.1微米-100微米。
本发明的又一个目的是提供一种具有集成空气静压轴承导向的铁芯直线电机施力装置，其中所述线性电机定子和施力装置的下表面之间设置有间隙预加载气膜或空气间隙膜，以使得直线电机在合适的磁性气隙高度下运行。
以上发明内容为概述，存在细节的简化、概括和省略。因此，本领域普通技术人员应当理解，该概述仅仅是说明性的，并不旨在以任何方式限制本申请。仅由本申请的权利要求限定的其他方面、发明特征和有益效果，通过下面的非限制性详细描述，将变得显而易见。
附图说明
结合附图，本领域技术人员可更好地理解本发明，且本发明的目的、特征和有益效果将变得显而易见。不同的附图中所使用的相同编号表示相似或相同的特征。
图1示出了本发明的第一优选实施例提供的一种具有集成空气静压轴承的铁芯直线电机施力装置的剖视图，其中该施力装置上形成有多个空气供应通道，用于将加压空气注入铁芯直线电机的磁性气隙。
图1A示出了本发明的空气供应通道的孔口的剖视图。
图2示出了本发明的第二优选实施例提供的一种具有集成空气静压轴承的铁芯直线电机施力装置的剖视图，其中该施力装置的下表面上安装有多个皮下注射管，用于将加压空气注入铁芯直线电机的磁性气隙。
图3示出了本发明的小孔节流空气静压止推轴承的气膜承载能力随着膜厚变化的曲线图。
图4示出了本发明的铁芯直线电机的定子力的吸引力随着气隙变化的曲线图。
具体实施方式
以下旨在提供对本发明的实施例的详细描述，不应被视为对本发明的限制。任何数量的变化均可落入本发明的范围内，本发明的范围在申请文件里的权利要求中限定。
图1示出了本发明的第一优选实施例提供的一种具有集成空气静压轴承的铁芯直线电机施力装置(100)的剖视图，其中该施力装置(100)上形成有多个空气供应通道(50)，用于将加压空气注入铁芯直线电机的磁性气隙。根据优选的实施例，所述具有集成空气静压轴承导向的铁芯直线电机施力装置(100)包括(i)封装在外壳内的铁芯(10)；和(ii)具有定子表面的线性电机定子(20)。铁芯(10)安装在具有上表面(11)和下表面(12)的外壳(13)内。铁芯(10)安装有多个线圈绕组(16)，从外壳(13)的上表面(11)到下表面(12)基本垂直地设置有多个空气供应通道(50)。每个空气供应通道(50)在下表面(12)处终止于一个或多个孔口(32)，如图1A所示。该图示出了本发明提供的空气供应通道(50)的孔口(32)。加压空气通过多个空气供应通道(50)被注入到形成在施力装置(100)的下表面(12)和线性电机定子(20)的定子表面(22)之间的磁性气隙中，以产生预加载的轴承气膜(41)。铁芯直线电机施力装置(100)在线性电机定子(20)上无摩擦地移动。
图2示出了根据本发明的第二优选实施例提供的具有集成空气静压轴承的铁芯直线电机施力装置的剖视图，其中多个皮下注射管安装在该施力装置的下表面上，用于将加压空气注入到铁芯直线电机的磁性气隙中。铁芯直线电机施力装置(100)包括铁芯(10)；多个线圈绕组(16)；多个皮下注射管(30)，每个多个皮下注射管(30)具有内部容积，安装在铁芯(10)的下表面(12)下方。铁芯(10)被封装在具有上表面(11)和下表面(12)的外壳(13)内，且铁芯(10)安装有多个线圈绕组(16)。多个皮下注射管(30)位于铁芯(10)的下表面(12)上，且每个皮下注射管(30)被各自终止以在下表面(12)上形成孔口(32)。线性电机定子(20)的定子表面(22)具有高水平的平整度和光洁度。在该优选实施例中，加压空气通过皮下注射管(30)注入到形成在下表面(12)和定子表面(22)之间的磁性气隙中，以产生预加载的轴承气膜(41)，且铁芯(10)在线性电机定子(20)上无摩擦地移动。
在另一个优选实施例中，顶部耐磨层(121)可以安装在铁芯(10)的下表面(12)上，底部耐磨层(21)可以安装在线性电机定子(20)的定子表面(22)上。顶部耐磨层(121)和底部耐磨层(21)均制为高水平的平整度和光洁度，以用作空气静压轴承表面。多个孔口(32)将皮下注射管(30)的内部容积与施力装置(100)的下表面(12)连接起来。
孔口(32)将皮下注射管(30)连接到空气静压轴承气膜(41)，且在铁芯(10)的下表面(12)上的皮下注射管(30)的孔口(32)由激光器等形成。
如图1和2所示，多个线圈绕组(16)嵌入铁芯(10)内，且铁芯(10)被外壳(13)包围。外壳(13)由聚合物材料制成。皮下注射管(30)安装在铁芯(10)的下表面下方。
本发明的优选实施例提供的顶部耐磨层(121)和底部耐磨层(21)具有高水平的平整度。
在操作中，直线电机施力装置(100)相对于包含永磁体阵列的线性电机定子(20)移动。同样地，与施力装置(100)上的空气静压轴承气膜(41)相对的线性电机定子(20)的定子表面，被精加工成高水平的平整度和光洁度，以作为具有集成空气静压轴承的铁芯施力装置的导轨。该导向施力装置的轨迹的几何精度分别取决于施力装置(100)和线性电机定子(20)上相对的支承面(12，22)的平面度。
在图1和图2所示的优选实施例中，这些精密的表面(12，22)是通过将聚合物复制在精密的成品母版上形成的。为了赋予其良好的干运转性能，这里使用了为复制平承面而设计的聚合物混合物。通过其他方式，例如通过研磨、研磨、抛光等制备的空气静压轴承和导轨表面构成了本发明的替代性实施例。
图3示出了本发明的小孔节流空气静压止推轴承的气膜承载能力随着膜厚变化的曲线图。对于特定的空气静压轴承设计，其空气膜的厚度由压缩空气膜的力的大小决定。在一些精密运动应用中，气膜厚度需要在一定范围(对应于高刚度)内，以操作空气静压轴承。
根据本发明，该具有集成空气静压轴承导向的铁芯直线电机施力装置经过合理地设计，最大化空气静压轴承的刚度和几何精度，从而以比传统运动平台设计更低的成本，实现高水平的几何精度和运动可重复性。
与基于独立线性电机和轴承的运动平台相比，该具有集成空气静压轴承导向的铁芯直线电机施力装置可通过有效利用传统上未使用的磁性气隙容积，达到更小的尺寸。与独立设计相比，将空气静压轴承和致动器集成到单个模块化单元中还减少了单元的零件数量和成本。如上所述，线圈绕组和空气静压轴承之间的紧密集成还固有地对准惯性、刚度和力中心，从而提高动态性能。
图4示出了本发明的铁芯直线电机的定子力的吸引力随着气隙变化的曲线图。对于特定的线性电机设计，施力装置和定子之间的吸引力大小取决于它们之间的距离。这种距离被称为磁性气隙，对电机的性能特性有影响，例如其力常数。对于某个线性电机设计，存在较好的磁性气隙范围。
本发明可在制造过程中确定磁性气隙和气膜厚度之间的几何关系，该制造过程易于在受控条件下进行。这表现了对现有技术的改进，现有技术依靠的是精密加工和精细装配来设定线性电机的磁性气隙。在本发明中，轴承气膜厚度的大小是自动调节的。这是由于空气膜的承载能力和线性电机定子(20)中的施力装置铁芯和永磁体之间的磁吸力之间的静态力平衡。如图4所示，磁吸力以线性电机定子(20)和铁芯(10)之间的距离的函数近似二次变化，而空气膜的承载能力以图3所示的特征非线性方式变化。平衡空气膜的厚度通过适当选择施力装置铁芯(10)和施力装置下表面(12)之间的距离来设定。根据设计目的，该平衡空气膜可以自由设定为不同的厚度(例如，最大刚度、隔振等)。这种自调节特性大大简化了运动平台的组装，因为它无需单独且精确地设定磁性预加载元件之间以及空气轴承元件之间的距离。
最后，因为难以确保整个行程的平行性和施力装置-定子的距离一致性,直接利用线性电机定子(20)和施力装置表面作为空气轴承的运行表面，可使得线性电机在比独立电机和轴承的常规设计更小的磁性气隙下运行。
根据本发明的优选实施例，该铁芯直线电机施力装置(100)和线性电机定子(20)的运行表面的任何波纹都会在施力装置轨迹上引起相应的几何误差，同时气膜(41)的厚度和磁性气隙被保持。这一特性可防止无益的施力装置-定子碰撞。减小最薄的可行的磁性气隙可增加电机设计的自由度，可有助于提高线性电机的效率或力密度。
虽然以上仅通过示例的方式描述了本发明的优选实施例，但是本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可对所公开的实施例进行修改。

Claims (13)

1.一种具有集成空气静压轴承导向的铁芯直线电机施力装置(100)，其特征在于，包括
(i)封装在具有上表面(11)和下表面(12)的外壳(13)内的铁芯(10)，其中，所述铁芯(10)安装有多个线圈绕组(16)，从所述外壳(13)的上表面(11)到下表面(12)基本垂直地设置有多个空气供应通道(50)，且每个所述空气供应通道(50)在所述下表面(12)处终止于一个或多个孔口(32)；和
(ii)具有定子表面(22)的线性电机定子(20)；
从而，加压空气通过多个所述空气供应通道(50)被注入到形成在所述下表面(12)和所述线性电机定子(20)的定子表面(22)之间的磁性气隙中，以产生预加载的轴承气膜(41)，且所述铁芯直线电机施力装置(100)在所述线性电机定子(20)上无摩擦地移动。
2.一种具有集成空气静压轴承导向的铁芯直线电机施力装置(100)，其特征在于，包括
(i)封装在具有上表面(11)和下表面(12)的外壳(13)内的铁芯(10)，其中，所述铁芯(10)安装有多个线圈绕组(16)；
(ii)多个皮下注射管(30)，每个所述皮下注射管(30)具有内部容积，安装在所述下表面(12)和连接所述皮下注射管(30)的内部容积与所述下表面(12)的多个孔口(32)上；和
(iii)具有定子表面(22)的线性电机定子(20)；
从而，加压空气通过所述皮下注射管(30)注入到形成在所述下表面(12)和所述定子表面(22)之间的磁性气隙中，以在线性电机定子(20)的磁性气隙中产生预加载的轴承气膜(41)，且所述铁芯直线电机施力装置(100)在所述线性电机定子(20)上无摩擦地移动。
3.根据权利要求1或2所述的铁芯直线电机施力装置(100)，其特征在于，所述施力装置(100)的下表面(12)和所述定子表面(22)具有高水平的平整度。
4.根据权利要求1或2所述的铁芯直线电机施力装置(100)，其特征在于，还包括在所述下表面(12)上的顶部耐磨层(121)和在所述定子表面(22)上的底部耐磨层(21)。
5.根据权利要求2所述的铁芯直线电机施力装置(100)，其特征在于，所述下表面(12)上的所述皮下注射管(30)上的多个所述孔口(32)由激光器形成。
6.根据权利要求1或2所述的铁芯直线电机施力装置(100)，其特征在于，所述线性电机定子(20)包括永磁体阵列，且所述铁芯(10)相对于所述线性电机定子(20)移动。
7.根据权利要求1或2所述的铁芯直线电机施力装置(100)，其特征在于，所述线性电机定子(20)的所述定子表面(22)和所述下表面(12)用作所述空气静压轴承的运行表面，且所述轴承气膜(41)的厚度为0.1微米-100微米。
8.根据权利要求1或2所述的铁芯直线电机施力装置(100)，其特征在于，所述线性电机定子(20)和所述施力装置(100)运行的所述下表面(12)之间设置有间隙预加载气膜(41)，以使得直线电机在所需的磁性气隙下运行。
9.根据权利要求1或2所述的铁芯直线电机施力装置(100)，其特征在于，所述线性电机定子(20)的所述定子表面(22)具有高水平的平整度和光洁度。
10.根据权利要求9所述的铁芯直线电机施力装置(100)，其特征在于，所述线性电机定子(20)的所述定子表面(22)用作所述铁芯直线电机施力装置(100)的导轨。
11.根据权利要求1所述的铁芯直线电机施力装置(100)，其特征在于，所述空气供应通道(50)通过钻孔、机械加工等工艺形成在所述铁芯(10)上。
12.根据权利要求11所述的铁芯直线电机施力装置(100)，其特征在于，多个所述空气供应通道(50)设置在所述铁芯直线电机施力装置(100)的主体中。
13.根据权利要求1所述的铁芯直线电机施力装置(100)，其特征在于，所述空气供应通道(50)内的空气被压缩并释放到所述下表面(12)和所述线性电机定子(20)的所述定子表面(22)之间的磁性气隙中。
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