CN114900008B - 高响应长寿命平板直线电机 - Google Patents

Abstract

提供了一种高响应长寿命平板直线电机，包括中空框架，两侧具有开口；动子，沿长度方向可往复滑动地设置于中空框架内且两端可伸出所述开口，该动子包括基板、沿长度方向安装于该基板正反两面的多个磁极交替布置的永磁体、沿长度方向布置于基板的正面的第一直线导轨和第二直线导轨、以及沿长度方向布置于基板的反面的第三直线导轨和第四直线导轨；滑块，固定连接于所述中空框架且与所述第一至第四直线导轨对应设置第一定子线圈，固定于所述中空框架且位于所述动子上方；以及第二定子线圈，固定于所述中空框架且位于所述动子下方。该平板直线电机寿命长，动子在保持高强度的同时更轻薄且响应更快。

Description

高响应长寿命平板直线电机

技术领域

本发明涉及直线电机领域，尤其涉及一种高响应长寿命平板直线电机。

背景技术

中国专利ZL201921554142.7公开了一种对称式平板直线电机，由动子和两块定子线圈组成，双边直线电机有效克服了单边直线电机定子与动子之间吸力过大引起的一系列问题。但是，该专利采用两端的复合材料轴套作为导向孔，动子由导向孔导向并往复运动。复合材料具有易损耗的特点，长时间使用后磨损严重，且在实践中发现，由于上下两块定子对动子的吸引力较大且难以保持绝对平衡，动子容易在长度方向上向上或向下弯曲变形导致气隙等参数变化，为此，动子采用两个永磁体动子(永磁体动子本身就包括永磁体和背铁，相当于采用三层背铁)黏贴于背铁正反面的结构以增加整体强度，但是，这无疑使得动子的重量和体积大大增加。

然而，在重载高加速应用场合中，直线电机的定子部分质量越小越好，现有的直线电机的动子仍然消耗了很大的惯性力，导致动态响应性能不足。如何实现动子的轻薄化和/或高动态响应，成了迫切需要解决的问题。

因此，有必要研究一种高响应长寿命平板直线电机来解决上述的一个或多个技术问题。

发明内容

为解决上述至少一个技术问题，根据本发明一方面，提供了一种高响应长寿命平板直线电机，其特征在于包括：

中空框架，两侧具有开口；

动子，沿长度方向可往复滑动地设置于中空框架内且两端可伸出所述开口，该动子包括基板、沿长度方向安装于该基板正反两面的多个磁极交替布置的永磁体、沿长度方向布置于基板的正面的第一直线导轨和第二直线导轨、以及沿长度方向布置于基板的反面的第三直线导轨和第四直线导轨；

滑块，固定连接于所述中空框架且与所述第一至第四直线导轨对应设置；

第一定子线圈，固定于所述中空框架且位于所述动子上方；以及

第二定子线圈，固定于所述中空框架且位于所述动子下方。

根据本发明又一方面，所述中空框架包括第一线圈固定板、第二线圈固定板、第一支撑块、第二支撑块、第一端板和第二端板，所述开口设置于所述第一端板和第二端板，所述第一线圈固定板和第二线圈固定板连接于所述第一端板和第二端板之间，所述第一定子线圈固定于第一线圈固定板，第二定子线圈固定于第二线圈固定板，第一支撑块连接于第一线圈固定板的第一侧和第二线圈固定板的第一侧之间，第二支撑块连接于第一线圈固定板的第二侧和第二线圈固定板的第二侧之间。

根据本发明又一方面，所述的高响应长寿命平板直线电机还包括位置传感器，该位置传感器通过支架安装于中空框架，该位置传感器用于感测动子的位置信息。

根据本发明又一方面，所述永磁体对称地贴装在所述基板正反面，位于同一面的永磁体沿着动子的长度方向布置且相邻两块永磁体的极性相反且间距相等。

根据本发明又一方面，所述第一定子线圈和第二定子线圈为带有铁芯的线圈或不带铁芯的线圈，所述第一定子线圈和第二定子线圈对称地布置于动子的上下两侧且与动子保持预定的气隙。

根据本发明又一方面，所述第一定子线圈和第二定子线圈接入三相交流电产生两个行波磁场，所述动子在所述两个行波磁场的共同作用下沿着滑块直线运动。

根据本发明又一方面，所述的高响应长寿命平板直线电机还包括驱动器，用于同步控制和向所述第一定子线圈和第二定子线圈通入同步变化的三相交流电，产生相同方向的行波磁场，所述动子正反两侧的永磁体受到相对于定子方向的相同磁场作用，实现所述直线电机推力翻倍。

根据本发明又一方面，所述第一支撑块为多个，多个第一支撑块间隔布置于第一端板和第二端板之间。

根据本发明又一方面，所述第二支撑块为多个，多个第二支撑块间隔布置于第一端板和第二端板之间。

根据本发明又一方面，所述动子由所述基板、多个磁极交替布置的永磁体、第一至第四直线导轨组成。

本发明可以获得以下一个或多个技术效果：

由于设置有长度方向的直线导轨，使得上下定子施加至动子的吸引力均匀传导和分散至直线导轨、滑块以及框架，确保了仅设置单层背铁(单层基板)的情形下依然充分保持动子在长度方向上不发生弯曲/形变，因而可减少背铁的数量和厚度，大大减轻了动子的质量，提高了响应速度；

相较于现有技术(ZL201921554142.7)的对称式平板直线电机，动子的质量和厚度可以减小3/4左右，实现了更紧凑的结构，且避免了动子的变形；

避免了动子在长度方向上的弯曲/形变，保持气隙参数稳定；

通过支撑块急剧降低了直线导轨承受的压力，有效延长了使用寿命。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为根据本发明的一种优选实施例的高响应长寿命平板直线电机的示意图。

图2为图1中第一定子线圈、第二定子线圈、基板和永磁体的位置关系示意图。

图3为根据本发明的一种优选实施例的高响应长寿命平板直线电机的动子与滑块的配合示意图。

图4为图1中第一定子线圈与第一线圈固定板的位置关系示意图。

图5为根据本发明的一种优选实施例的高响应长寿命平板直线电机的驱动器的驱动信号示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过优选实施例来描述本发明的最佳实施方式，这里的具体实施方式在于详细地说明本发明，而不应理解为对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和实质范围的情况下，可以做出各种变形和修改，这些都应包含在本发明的保护范围之内。

实施例1

根据本发明一种优选实施方式，参见图1-4，提供了一种高响应长寿命平板直线电机，其特征在于包括：

中空框架，两侧具有开口；

动子，沿长度方向可往复滑动地设置于中空框架内且两端可伸出所述开口，该动子包括基板3、沿长度方向安装于该基板3正反两面的多个磁极交替布置的永磁体2、沿长度方向布置于基板3的正面的第一直线导轨5和第二直线导轨6、以及沿长度方向布置于基板3的反面的第三直线导轨7和第四直线导轨8；

滑块9，固定连接于所述中空框架且与所述第一至第四直线导轨8对应设置；

第一定子线圈1，固定于所述中空框架且位于所述动子上方；以及

第二定子线圈4，固定于所述中空框架且位于所述动子下方。

根据本发明又一优选实施方式，所述中空框架包括第一线圈固定板10、第二线圈固定板11、第一支撑块12、第二支撑块12、第一端板13和第二端板14，所述开口设置于所述第一端板13和第二端板14，所述第一线圈固定板10和第二线圈固定板11连接于所述第一端板13和第二端板14之间，所述第一定子线圈1固定于第一线圈固定板10，第二定子线圈4固定于第二线圈固定板11，第一支撑块12连接于第一线圈固定板10的第一侧和第二线圈固定板11的第一侧之间，第二支撑块12连接于第一线圈固定板10的第二侧和第二线圈固定板11的第二侧之间。

优选地，所述动子的两端分别设置有第一限位块16和第二限位块17，用于限制动子的行程。

根据本发明又一优选实施方式，所述的高响应长寿命平板直线电机还包括位置传感器，该位置传感器通过支架15安装于中空框架，该位置传感器用于感测动子的位置信息。

根据本发明又一优选实施方式，所述永磁体2对称地贴装在所述基板3正反面，位于同一面的永磁体2沿着动子的长度方向布置且相邻两块永磁体2的极性相反且间距相等。

根据本发明又一优选实施方式，所述第一定子线圈1和第二定子线圈4为带有铁芯的线圈或不带铁芯的线圈，所述第一定子线圈1和第二定子线圈4对称地布置于动子的上下两侧且与动子保持预定的气隙。

根据本发明又一优选实施方式，所述第一定子线圈1和第二定子线圈4接入三相交流电产生两个行波磁场，所述动子在所述两个行波磁场的共同作用下沿着滑块9直线运动。

根据本发明又一优选实施方式，所述的高响应长寿命平板直线电机还包括驱动器，用于同步控制和向所述第一定子线圈1和第二定子线圈4通入同步变化的三相交流电，产生相同方向的行波磁场，所述动子正反两侧的永磁体2受到相对于定子方向的相同磁场作用，实现所述直线电机推力翻倍。

根据本发明又一优选实施方式，所述第一支撑块12为多个，多个第一支撑块12间隔布置于第一端板13和第二端板14之间。

根据本发明又一优选实施方式，所述第二支撑块12为多个，多个第二支撑块12间隔布置于第一端板13和第二端板14之间。

根据本发明又一优选实施方式，所述动子由所述基板3、多个磁极交替布置的永磁体2、第一至第四直线导轨8组成。

根据本发明又一优选实施方式，还提供了一种高响应长寿命平板直线电机，其包括初级对称布置双线圈、次级双面贴磁板、电机框架和位置传感器。

优选地，所述次级包括一块基板3及贴装在基板3正反两面的若干永磁体2，所述永磁体2对称地贴装在所述基板3正反面，所述永磁体2相邻两块极性相反且间距相等。

优选地，所述初级包括第一线圈和第二线圈，所述第一线圈和所述第二线圈不限于有铁芯线圈和无铁芯线圈；所述第一线圈和所述第二线圈作为定子对称地布置于所述双面贴磁板两侧。所述第一线圈和所述第二线圈接入三相交流电产生两个行波磁场，所述次级双面贴磁板在所述行波磁场的作用下直线运动并产生推力。

优选地，所述框架包含线圈固定板、支撑块12、端板和直线导轨，所述双面贴基板3的两侧边缘的正反面装有第一直线导轨5、第二直线导轨6、第三直线导轨7和第四直线导轨8，所述四根直线导轨，每根导轨上均配有N1个滑块，优选的，所述N1为2、3、4或者更多。所述四根直线导轨均相互平行。

优选地，所述第一线圈安装在第一线圈固定板10一侧，所述第二线圈安装在第二线圈固定板11一侧，所述第一线圈固定板10和所述第二线圈固定板11两侧装配所述支撑块12，所述支撑块12共有N2组，对称的安装在所述第一线圈固定板10和所述第二线圈固定板11之间；优选的，所述N2为2、3、4或者更多。

优选地，所述四根导轨上的所有滑块均与所述第一线圈固定板10和所述第二线圈固定板11通过螺钉固接，所述第一线圈固定板10和所述第二线圈固定板11两端设有第一端板13和第二端板14；所述双面贴磁板与所述第一线圈和所述第二线圈间的气隙由所述第一线圈安装板、所述第二线圈安装板、所述支撑块12以及所述基板3的相对位置决定。

优选地，所述动子双面贴磁板的长度由直线电机的行程决定，所述基板3一侧装有位置传感器支架15，所述位置传感器支架15上安装有位置传感器用于提供位置信息反馈，所述双面贴磁板可带动所述第一直线导轨5、第二直线导轨6、第三直线导轨7和第四直线导轨8沿着滑块导向直线往复运动。

优选地，所述直线电机由一台驱动器同步控制所述第一线圈和所述第二线圈，所述驱动器向所述第一线圈和所述第二线圈内通入同步变化的三相交流电，产生相同方向的行波磁场，所述动子正反两侧的永磁体2受到相对于定子方向的相同磁场作用，实现所述直线电机推力翻倍的目标。

有利地，采用双面磁体和双线圈对称式结构，使直线电机推力翻倍，同时该对称结构可有效平衡单边线圈与永磁体2间的巨大吸力，显著降低了贴装永磁体2的基板3的刚性要求，从而可使用轻薄基板3贴装永磁体2，极大提升了直线电机的动态响应和稳定性。进一步，所述直线电机框架，在对称结构的基础上可急剧降低直线运动副的正压力，实现长寿命免维护。此外，基于该直线电机的结构设计，可制作更大推力的高响应、长寿命直线电机。

优选地，该直线电机采用双线圈作为定子，动子双面贴磁板在对称布置的两组线圈之间直线运动，双面贴磁板采用超薄结构，在推力翻倍的基础上有效降低动子部件质量，极大提升了直线电机的动态响应和稳定性。另外所述直线电机框架，在对称结构的基础上可急剧降低直线运动副的正压力，实现长寿命免维护。

根据本发明又一优选实施方式，还提供了一种高响应长寿命平板直线电机，其包括初级双面贴磁板、次级对称布置双线圈、电机框架和位置传感器。

优选地，所述永磁体2通过专用胶水对称的粘接在所述基板3正反两侧，所述永磁体2间隔相等；所述第一直线导轨5、第二直线导轨6、第三直线导轨7以及第四直线导轨8通过螺栓与所述基板固接，所述第一直线导轨5、第二直线导轨6、第三直线导轨7以及第四直线导轨8上均设有两只滑块9，所述第一线圈1与所述第一线圈固定板10通过螺栓固接，所述第二线圈4与所述第二线圈固定板11通过螺栓固接，所述支撑块12通过螺栓固接在所述第一线圈固定板10以及所述第二线圈固定板11之间，所述滑块均通过螺栓与对应一侧的线圈固定板固接；由此，确定了本发明中的气隙为0.6mm至1mm。

优选地，所述永磁体的上下表面分别为N极或S极，相邻的两个永磁体的极性相反，具有不同所述磁极的相邻两个所述永磁体之间的距离为22.5mm，具有相同所述磁极的相邻两个所述永磁体之间的距离为45mm。

优选地，所述传感器支架15与所述基板3通过螺栓固接，所述传感器支架上设有位置传感器(图中未标出)，用于提供位置信息反馈，所述第一限位块16和所述第二限位块17通过螺栓固接在所述基板3两端，用于限制所述基板3的可移动范围。

优选地，向所述第一线圈1和所述第二线圈4内通入变化的三相交流电，在交流电的作用下，所述第一线圈1和所述第二线圈4会产生特定的行波磁场。所述永磁体2在行波磁场内会受到相对于定子方向的推力，由于所述第一线圈1产生的推力方向与所述第二线圈4产生的推力方向相同，所以直线电机能够输出双倍推力；使用驱动器驱动所述直线电机进行方波位置控制，参见图5，电机方波运动减速点18和电机方波运动加速点19代表了所述直线电机的加减速能力，所述直线电机加速或减速到某一指定速度需要的时间越短，则所述直线电机的动态响应越优秀。

优选地，所述基板3采用了超薄设计，使得所述动子部分的整体质量相较于传统平板电机得到明显下降，同时考虑到直线电机的推力范本，因此本发明所述直线电机较于传统直线电机，其加速度提升2–3倍，使得电机的动态性能和稳定性显著提高。

根据本发明又一优选实施方式，还提供了一种高响应长寿命平板直线电机，其包括初级对称布置双线圈、次级双面贴磁板、电机框架和位置传感器，其特征在于：所述直线电机初级对称布置双线圈包含第一线圈和第二线圈作为定子，所述次级双面贴磁板作为动子，所述两个定子线圈对称地布置在所述动子双面贴磁板两侧；所述第一线圈和所述第一线圈固定板固接，所述第二线圈和所述第二线圈固定板固接；所述双面贴磁板设有直线导轨，所述直线导轨上的滑块与所述第一线圈固定板以及所述第二线圈固定板固接，所述第一线圈固定板以及所述第二线圈固定板通过所述支撑块固接；所述位置传感器的读头和尺子分别固定在所述线圈固定板和双面贴磁板上。

根据本发明又一优选实施方式，所述次级双面贴磁板包括一块基板及贴装在基板正反两面的若干永磁体，所述永磁体对称地贴装在所述基板正反面，所述永磁体相邻两块极性相反且间距相等；

根据本发明又一优选实施方式，所述初级包括第一线圈和第二线圈，所述第一线圈和所述第二线圈不限于有铁芯线圈和无铁芯线圈；所述第一线圈和所述第二线圈作为定子对称地布置于所述双面贴磁板两侧。所述第一线圈和所述第二线圈接入三相交流电产生两个行波磁场，所述次级双面贴磁板在所述行波磁场的作用下直线运动并产生推力。

根据本发明又一优选实施方式，所述框架包含线圈固定板、支撑块、端板和直线导轨，所述双面贴基板的两侧边缘的正反面装有第一直线导轨、第二直线导轨、第三直线导轨和第四直线导轨，所述四根直线导轨，每根导轨上均配有N1个滑块，优选的，所述N1为2、3、4或者更多。所述四根直线导轨均相互平行。

根据本发明又一优选实施方式，所述第一线圈安装在第一线圈固定板一侧，所述第二线圈安装在第二线圈固定板一侧，所述第一线圈固定板和所述第二线圈固定板两侧装配所述支撑块，所述支撑块共有N2组，对称的安装在所述第一线圈固定板和所述第二线圈固定板之间；优选的，所述N2为2、3、4或者更多。

根据本发明又一优选实施方式，所述四根导轨上的所有滑块均与所述第一线圈固定板和所述第二线圈固定板通过螺钉固接，所述第一线圈固定板和所述第二线圈固定板两端设有第一端板和第二端板；所述双面贴磁板与所述第一线圈和所述第二线圈间的气隙由所述第一线圈安装板、所述第二线圈安装板、所述支撑块以及所述基板的相对位置决定。

根据本发明又一优选实施方式，所述动子双面贴磁板的长度由直线电机的行程决定，所述基板一侧装有位置传感器支架，所述位置传感器支架上安装有位置传感器用于提供位置信息反馈，所述双面贴磁板可带动所述第一直线导轨、第二直线导轨、第三直线导轨和第四直线导轨沿着滑块导向直线往复运动。

本发明至少可以获得以下一个或多个技术效果：

由于设置有长度方向的直线导轨，使得上下定子施加至动子的吸引力均匀传导和分散至直线导轨、滑块以及框架，确保了仅设置单层背铁(单层基板)的情形下依然充分保持动子在长度方向上不发生弯曲/形变，因而可减少背铁的数量和厚度，大大减轻了动子的质量，提高了响应速度；

相较于现有技术的对称式平板直线电机，动子的质量和厚度可以减小3/4左右，实现了更紧凑的结构，且避免了动子的变形；

避免了动子在长度方向上的弯曲/形变，保持气隙参数稳定；

通过支撑块急剧降低了直线导轨承受的压力，有效延长了使用寿命。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种高响应长寿命平板直线电机，其特征在于包括：

中空框架，包括第一线圈固定板、第二线圈固定板、第一支撑块、第二支撑块、第一端板和第二端板，所述第一端板和第二端板平行地竖直设置且中部均设置有开口，所述第一线圈固定板和第二线圈固定板水平设置且连接于所述第一端板和第二端板之间，第一支撑块连接于第一线圈固定板的第一侧和第二线圈固定板的第一侧之间，第二支撑块连接于第一线圈固定板的第二侧和第二线圈固定板的第二侧之间；

动子，沿长度方向可往复滑动地设置于中空框架内且两端可伸出所述开口，该动子包括水平设置的单层超薄基板、沿长度方向安装于该基板正反两面的多个磁极交替布置的永磁体、沿长度方向布置于基板的正面的第一直线导轨和第二直线导轨、以及沿长度方向布置于基板的反面的第三直线导轨和第四直线导轨，且该动子仅设置单层超薄基板；

滑块，固定连接于所述中空框架且与所述第一至第四直线导轨对应设置；

第一定子线圈，固定于所述中空框架且位于所述动子上方；以及

第二定子线圈，固定于所述中空框架且位于所述动子下方；

其中，所述动子的两端分别设置有第一限位块和第二限位块，第一限位块中部设有孔，所述动子的长度大于中空框架的长度，第一支撑块和第二支撑块用于降低第一至第四直线导轨承受的压力，沿长度方向分别布置于基板正面和反面的所述第一至第四直线导轨使得上下的第一定子线圈和第二定子线圈施加至动子的吸引力均匀传导和分散至第一至第四直线导轨、滑块以及中空框架以在仅设置所述单层超薄基板的情形下保持动子在长度方向上不发生弯曲形变。

2.根据权利要求1所述的高响应长寿命平板直线电机，其特征在于所述第一定子线圈固定于第一线圈固定板，第二定子线圈固定于第二线圈固定板。

3.根据权利要求1所述的高响应长寿命平板直线电机，其特征在于还包括位置传感器，该位置传感器通过支架安装于中空框架，该位置传感器用于感测动子的位置信息。

4.根据权利要求1-3任一项所述的高响应长寿命平板直线电机，其特征在于所述永磁体对称地贴装在所述基板正反面，位于同一面的永磁体沿着动子的长度方向布置且相邻两块永磁体的极性相反且间距相等。

5.根据权利要求4所述的高响应长寿命平板直线电机，其特征在于所述第一定子线圈和第二定子线圈为带有铁芯的线圈或不带铁芯的线圈，所述第一定子线圈和第二定子线圈对称地布置于动子的上下两侧且与动子保持预定的气隙。

6.根据权利要求4所述的高响应长寿命平板直线电机，其特征在于所述第一定子线圈和第二定子线圈接入三相交流电产生两个行波磁场，所述动子在所述两个行波磁场的共同作用下沿着滑块直线运动。

7.根据权利要求4所述的高响应长寿命平板直线电机，其特征在于还包括驱动器，用于同步控制和向所述第一定子线圈和第二定子线圈通入同步变化的三相交流电，产生相同方向的行波磁场，所述动子正反两侧的永磁体受到相对于定子方向的相同磁场作用，实现所述直线电机推力翻倍。

8.根据权利要求2所述的高响应长寿命平板直线电机，其特征在于所述第一支撑块为多个，多个第一支撑块间隔布置于第一端板和第二端板之间。

9.根据权利要求8所述的高响应长寿命平板直线电机，其特征在于所述第二支撑块为多个，多个第二支撑块间隔布置于第一端板和第二端板之间。

10.根据权利要求4所述的高响应长寿命平板直线电机，其特征在于所述动子由所述基板、多个磁极交替布置的永磁体、第一至第四直线导轨组成。