專利名稱：磁懸浮雙邊磁阻驅(qū)動式直接線性傳動裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種直驅(qū)式傳動、直線磁阻電機和磁懸浮技術等領域，具體涉及一種磁懸浮雙邊磁阻驅(qū)動式直接線性傳動裝置。
背景技術：
直線電機直接驅(qū)動系統(tǒng)的“零傳動”特性，消除了傳統(tǒng)直線往復運動由機械傳動帶來的間隙、柔度以及與之相關的其它問題，精簡了裝置結(jié)構，提高了傳動精度和速度，受到了人們的普遍重視。目前，大功率直接線性傳動常采用的交流感應式直線電機和永磁同步直線電機， 存在起動困難、調(diào)速設備復雜、功率因數(shù)和效率低、整機制造成本高、容錯運行能力差等問題。磁阻式直線電機作為一種新型驅(qū)動電機，具有制造成本低、起動性能好(大推力小電流)、功率密度高、無極調(diào)速性能好、機電效率高、易四象限運行、可適應惡劣環(huán)境等，歐美日等發(fā)達工業(yè)國正在競相開發(fā)相關的技術。如俄羅斯Emetron公司與德國I^derborn大學合作研制了基于6相12/10結(jié)構磁阻式直線電機驅(qū)動的“RailCab”鐵路機車樣機；美國維吉尼亞州立理工學院Hong S L等人研制了基于3相6/4結(jié)構磁阻式直線電機驅(qū)動的垂直驅(qū)動電力提升機樣機；日本橫濱國立大學&ito Y等人討論并理論驗證了 3相6/4結(jié)構磁阻式直線電機作為2自由度精密定位工作平臺驅(qū)動電機的可行性等。但綜合文獻可知，現(xiàn)有磁阻式直線電機的結(jié)構形式主要為旋轉(zhuǎn)型磁阻電機的直線展開方式，該種結(jié)構導致電機定子與動子間的電磁磁通回路路徑長，需要機座導磁，且磁路開放，由此形成了相間電磁耦合度高、磁滯損耗大和對外電磁干擾強的不良特性，因此，有必要進一步改進磁阻式直線電機的結(jié)構形式，以減小磁通路徑和封閉磁路。另外，在直線電機直接驅(qū)動方式的線性傳動裝置中，移動部件與傳統(tǒng)機械支承導軌之間的摩擦是影響驅(qū)動性能的主要因素，因此，消除導軌摩擦產(chǎn)生的不良影響是提高直接線性傳動的關鍵。應用磁懸浮形式的支承導軌是消除摩擦的常用方式，例如專利文獻 ZL200310107945. 5中提出的一種工業(yè)應用型主動磁懸浮機床導軌直線電機進給平臺，專利文獻ZL200710026069. 1中提出的一種智能型磁懸浮直線進給單元，均采用6自由度的磁懸浮支承導軌來消除直接線性傳動過程中的摩擦。但此類磁懸浮系統(tǒng)由于引入了機械結(jié)構上相對獨立的磁懸浮功能部件，如專用的承載電磁鐵、導向電磁鐵以及這些電磁鐵的導磁回路等，導致了裝置的體積和總質(zhì)量增大，機械結(jié)構趨于復雜，機械部件增多，功率體積比下降；同時，由于運動部件的質(zhì)量和體積增加，引起動態(tài)響應速度降低，并在理論上抑制了臨界運動線速度的進一步提高。因此，依據(jù)磁懸浮支承電磁結(jié)構和直線電機定子電磁結(jié)構的相似性，研究磁懸浮支承導磁回路和直線電機定轉(zhuǎn)子導磁回路復用的，緊湊結(jié)構的磁懸浮直接線性傳動裝置，具有良好的工程實用意義。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種結(jié)構簡單緊湊，電磁推力大，磁路路徑短且相間封閉性好，容錯能力強的磁懸浮雙邊磁阻驅(qū)動式直接線性傳動裝置。本實用新型的技術解決方案是一種磁懸浮雙邊磁阻驅(qū)動式直接線性傳動裝置，其特征是雙邊長定子直線磁阻電機的定子通過定子機座固定連接桿與直線型雙邊長機座連接；雙邊長定子直線磁阻電機的動子通過動子相間連接桿與運動承載臺連接；直線運動位移傳感尺的動尺部件和靜尺部件分別與運動承載臺和直線型雙邊長機座連接；運動承載臺與直線型雙邊長機座之間的兩側(cè)各安裝一套輔助支承導軌副，其中，輔助支承導軌副的靜導軌與直線型雙邊長機座固定安裝，輔助支承導軌副的動導軌與運動承載臺固定安裝，直線型雙邊長機座的始末兩端均安裝一組散熱風扇；所述雙邊長定子直線磁阻電機的每相定子由一個“E”形的定子鐵心和繞在該定子鐵心上的4套相互獨立的定子線圈繞組組成，每個“E”形定子鐵心由一組“E”形截面的電工鋼片疊壓而成，在“E”形定子鐵心開口處的3個斷截面末端各安裝1個懸浮氣隙檢測傳感器；所述雙邊長定子直線磁阻電機的每相動子僅由一個矩形的動子鐵心組成， 每個矩形動子鐵心由一組矩形截面的電工鋼片疊壓而成。一套輔助支承導軌副的靜導軌縱截面為“凹”形。所述雙邊長定子直線磁阻電機的定子為雙邊η相，η >4，動子為雙邊n-1相；定子和動子的安裝布局為左右兩邊對稱結(jié)構，同一縱截面下兩邊的一對“E”形定子鐵心開口相向；在動子前后運動方向上，各相定子等間距排列，各相動子也等間距排列，各相定子間的間距長度與各相動子間的間距長度之比等于動子相數(shù)與定子相數(shù)之比。所述定子機座固定連接桿和動子相間連接桿均由非導磁材料制成。所述雙邊長定子直線磁阻電機的磁路封閉于各相定子鐵心和動子鐵心之內(nèi)。所述“E”形定子鐵心上的4套相互獨立的定子線圈繞組分類為由1套線圈繞組組成的電機電磁推力繞組部分和由3套線圈繞組組成的磁懸浮氣隙控制繞組部分。電機電磁推力繞組部分由1套線圈繞組組成，其功能是通過對該線圈繞組的勵磁電流控制，實現(xiàn)動子和運動承載臺在Z軸方向上的前后運動；磁懸浮氣隙控制繞組部分由其余3套線圈繞組組成，其功能是通過對該3套線圈繞組的勵磁電流控制，實現(xiàn)動子和運動承載臺在X軸和Y軸方向上的懸浮氣隙控制。在裝置Z軸方向上，通過直線運動位移傳感尺對運動承載臺的實時位移反饋，可以獲得雙邊長定子直線磁阻電機各相動子與相應定子之間的相對位置，依據(jù)磁阻電機的 “磁阻最小”控制原理以及用戶需要的運動承載臺運動方向(Z軸正方向或Z軸負方向)和速度，即可計算得出雙邊長定子直線磁阻電機各相定子電機電磁推力繞組所需的勵磁控制電流的時序和幅值。在裝置X-Y軸平面上，通過與定子相對固定安裝的多個懸浮氣隙檢測傳感器對動子與定子間氣隙間距大小的實時檢測，可以獲得動子在X軸和Y軸方向上相對于定子的懸浮位置，依據(jù)磁懸浮技術中懸浮氣隙的差動控制原理，即可計算得出各相定子上的磁懸浮氣隙控制繞組所需的勵磁控制電流的幅值和方向。依據(jù)上述控制原理，磁懸浮雙邊磁阻驅(qū)動式直接線性傳動裝置正常工作時，即可實現(xiàn)無摩擦、高加速度、高速、大推力、線性直驅(qū)運行。輔助支承導軌副在裝置停止工作時，以及工作時突發(fā)機械故障或斷電等特殊情況下，起到動子及運動承載臺在X-Y軸方向上的輔助支承與導向作用。[0016]本實用新型的優(yōu)點在于(1)在磁懸浮支承特性方面，磁懸浮氣隙控制繞組與電機電磁推力繞組共用定子鐵心，實現(xiàn)了磁懸浮功能部件與定子部件機械結(jié)構合一，提高了鐵心的利用率，極大地簡化了機械結(jié)構，縮減了裝置體積。(2)在勵磁磁路特性方面，直線電機的電機電磁推力繞組和磁懸浮氣隙控制繞組的勵磁工作磁路均局限于單個“E”形定子鐵心及其相對應的動子鐵心內(nèi)部，無需機座等其他部件導磁，磁路呈內(nèi)部封閉狀態(tài)，因此，磁路閉合路徑短，磁滯損耗小，相間電磁耦合度低，對外電磁干擾少，省去了隔磁防護部件。(3)在運動部件結(jié)構方面，裝置的運動部件均由無源部件組成，無需外部供電或拖掛導線(鉸鏈)，結(jié)構簡單堅固，運動慣量小，可實現(xiàn)高速運動。(4)在裝置性能及制造成本方面，兼具了磁阻電機、磁懸浮和直線傳動的優(yōu)點；整機無永磁材料，結(jié)構簡單，制造難度小，功率體積比大，成本低；電機(機座)內(nèi)部空間大，散熱方便。
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。

圖1為本實用新型一個實施例的裝置結(jié)構主視圖。圖2為圖1的俯視圖。圖3為圖1的左視圖。在圖1、圖2和圖3中1直線型雙邊長機座、2定子機座固定連接桿、3雙邊長定子直線磁阻電機的定子、4雙邊長定子直線磁阻電機的動子、5動子相間連接桿、6運動承載臺、7直線運動位移傳感尺的靜尺、8直線運動位移傳感尺的動尺、9輔助支承導軌副的靜導軌、10輔助支承導軌副的動導軌、11懸浮氣隙檢測傳感器、12定子線圈繞組、13散熱風扇。圖4、圖5、圖6為圖1示例中，定子線圈繞組4種勵磁磁路的磁力線分布示意圖。圖4、圖5、圖6中，箭頭方向代表相應的線圈經(jīng)勵磁后，產(chǎn)生的磁力線方向。以上附圖是以由雙邊四相長定子直線磁阻電機(即定子為雙邊四相，動子為雙邊三相)構成的磁懸浮雙邊磁阻驅(qū)動式直接線性傳動裝置結(jié)構來說明的。根據(jù)磁阻電機的基本原理，同樣可適用于采用相數(shù)更多的雙邊長定子直線磁阻電機構成的磁懸浮雙邊磁阻驅(qū)動式直接線性傳動裝置。
具體實施方式
以由雙邊四相長定子直線磁阻電機構成的磁懸浮雙邊磁阻驅(qū)動式直接線性傳動裝置結(jié)構為例，結(jié)合附圖對本實用新型作進一步說明。所述的磁懸浮雙邊磁阻驅(qū)動式直接線性傳動裝置由直線型雙邊長機座1、定子機座固定連接桿2、雙邊長定子直線磁阻電機的定子3、雙邊長定子直線磁阻電機的動子4、動子相間連接桿5、運動承載臺6、直線運動位移傳感尺的靜尺7、直線運動位移傳感尺的動尺 8、輔助支承導軌副的靜導軌9、輔助支承導軌副的動導軌10、懸浮氣隙檢測傳感器11、定子線圈繞組12、散熱風扇13等組成。參見附圖1、圖2和圖3，雙邊長定子直線磁阻電機的定子3通過定子機座固定連接桿2與直線型雙邊長機座1連接；雙邊長定子直線磁阻電機的動子4通過動子相間連接桿5與運動承載臺6連接；直線運動位移傳感尺的動尺部件8和靜尺部件7分別與運動承載臺6和直線型雙邊長機座1連接；運動承載臺6與直線型雙邊長機座1之間的兩側(cè)各安裝一套輔助支承導軌副，其中，輔助支承導軌副的靜導軌9與直線型雙邊長機座1固定安裝，輔助支承導軌副的動導軌10與運動承載臺6固定安裝，此外，其中一套輔助支承導軌副的靜導軌縱截面為“凹”形，此靜導軌“凹”形開口的寬度稍大于其內(nèi)的動導軌縱截面寬度， 以限制運動承載臺6在X軸方向上的位移擺動幅度；直線型雙邊長機座1的始末兩端均安裝一組散熱風扇13，使得在機座內(nèi)部形成一定的氣流，達到散熱的目的。所述雙邊長定子直線磁阻電機的每相定子3由一個“E”形的定子鐵心和繞在該定子鐵心上的4套相互獨立的定子線圈繞組12組成，每個“E”形定子鐵心由一組“E”形截面的電工鋼片疊壓而成，在 “E”形定子鐵心開口處的3個斷截面末端各安裝1個懸浮氣隙檢測傳感器11 ；所述雙邊長定子直線磁阻電機的每相動子4僅由一個矩形的動子鐵心組成，每個矩形動子鐵心由一組矩形截面的電工鋼片疊壓而成。本實施附圖例中，雙邊長定子直線磁阻電機的定子為雙邊四相結(jié)構，分別為X軸左邊SA、SB、SC、SD四相和X軸右邊ΝΑ、NB、NC、ND四相，這些雙邊定子按X軸方向左右兩邊對稱，以及Z軸方向前后間隔一致(附圖中此間距為Is)的布局方式安裝固定。每相定子由一個“E”形的定子鐵心和繞在該定子鐵心上的4套相互獨立的定子線圈繞組12組成。 每個“E”形定子鐵心由一組“E”形截面的電工鋼片疊壓而成，在“E”形定子鐵心開口處的3 個斷截面末端各安裝1個懸浮氣隙檢測傳感器11。同一縱截面下電機左右兩邊的一對“E” 形定子鐵心開口相向。依據(jù)本裝置的新型結(jié)構，通過磁阻電機的基本原理分析可推知，當定子為雙邊η 相(η >4)時，動子為雙邊η-1相。因此，該雙邊四相長定子直線磁阻電機的動子應為雙邊三相。每相動子僅由一個矩形的動子鐵心組成，該動子鐵心上沒有繞組，每個矩形動子鐵心由一組矩形截面的電工鋼片疊壓而成。這些動子按X軸方向左右兩邊對稱，以及Z軸方向前后間隔一致(附圖中此間距為Im)的布局方式排列。同一縱截面下，左右兩邊對稱的2 個動子通過1個動子相間連接桿5連接后，形成1組雙邊動子相，故該雙邊四相長定子直線磁阻電機共有3個雙邊動子相ΤΑ、TB、TC。定子間距Is與動子間距Im的比值等于動子相數(shù)與定子相數(shù)之比，即
「 π Is η-1Λ— =-, >4 ο
Im η每相定子鐵心上的4套線圈繞組按照其勵磁控制的功能不同，可分為兩類，即由1 套線圈繞組組成的電機電磁推力繞組部分和由3套線圈繞組組成的磁懸浮氣隙控制繞組部分。以同一縱截面下雙邊的一組定子和動子為例，參見附圖4至附圖6，左邊定子鐵心上的1套電機電磁推力繞組為Al-Al'，左邊定子鐵心上的3套磁懸浮氣隙控制繞組為Bi、 Cl和D1，右邊定子鐵心上的1套電機電磁推力繞組為Α2-Α2'，右邊定子鐵心上的3套磁懸浮氣隙控制繞組為Β2、C2和D2?，F(xiàn)將左右兩邊定子鐵心上共8套線圈繞組的功能和工作原理闡述如下繞組Α1-ΑΓ和繞組Α2-Α2'為一對電機電磁推力繞組，二者同時上電和斷電，上電時需按照圖4所示的磁通方向進行勵磁，即可使得動子獲得Z方向上前進或后退的電磁推力；繞組Bl和繞組Cl為一對磁懸浮氣隙控制繞組，依據(jù)懸浮氣隙檢測傳感器檢測值，采用差動電流控制方式，按照圖5所示的磁通方向進行勵磁，即可控制左側(cè)動子在Y軸方向的上下兩端與相應定子間的懸浮氣隙yl和yl'的值；繞組B2和繞組C2為一對磁懸浮氣隙控制繞組，依據(jù)懸浮氣隙檢測傳感器檢測值，采用差動電流控制方式，按照圖5所示的磁通方向進行勵磁，即可控制右側(cè)動子在Y軸方向的上下兩端與相應定子間的懸浮氣隙 12和y2'的值；繞組Dl和繞組D2為一對磁懸浮氣隙控制繞組，依據(jù)懸浮氣隙檢測傳感器檢測值，采用差動電流控制方式，按照圖6所示的磁通方向進行勵磁，即可控制雙邊動子在 X軸方向的左右兩側(cè)與相應定子間的懸浮氣隙xO和xO'的值。雙邊長定子直線磁阻電機的動子相對于定子的實時位置，可以通過直線運動位移傳感尺的實時位移反饋計算得到。參見附圖2，若此時雙邊定子上的電機電磁推力繞組，按照左側(cè)SB — SC — SD — SA — SB時序通電，右側(cè)NB — NC — ND — NA — NB時序通電，則動子及運動承載臺可獲得Z軸負方向上的持續(xù)推力；若此時雙邊定子上的電機電磁推力繞組，按照左側(cè)SD — SC — SB — SA — SD時序通電，右側(cè)ND — NC — NB — NA — ND時序通電， 則動子及運動承載臺可獲得Z軸正方向上的持續(xù)推力?？刂屏烁麟姍C電磁推力繞組的勵磁電流幅值，即可控制動子及運動承載臺的移動速度。輔助支承導軌副的動導軌10隨著動子及運動承載臺6同步移動。正常工作時，由于懸浮控制作用，動導軌10與靜導軌9無接觸；在裝置停止工作時，以及工作狀態(tài)時突發(fā)機械故障或斷電等特殊情況下，輔助支承導軌副的動導軌10與靜導軌9接觸，起到動子及運動承載臺6在X-Y軸方向上的輔助支承與導向作用。為了保證運動承載臺6在所需的行程范圍內(nèi)，雙邊長定子直線磁阻電機的定子與動子之間的相數(shù)耦合關系始終保持不變(即定子為雙邊η相，動子為雙邊n-1相，η ^ 4), 在裝置制造時，實際安裝在機座兩邊的定子相數(shù)可取為雙邊K1X η相(K1為正整數(shù))，動子的相數(shù)取為雙邊K2X (n-1)相0(2為正整數(shù))。該雙邊K1Xn相定子鐵心上的線圈繞組可采用分段勵磁的工作方式，依據(jù)直線運動位移傳感尺的實時位移反饋計算得出雙邊長定子直線磁阻電機的動子相對于定子的實時位置，在定子與動子形成相對位置耦合的區(qū)間上，按照前述的工作原理，對此區(qū)間內(nèi)定子線圈的相應電機電磁推力繞組和磁懸浮氣隙控制繞組進行勵磁，即可實現(xiàn)運動承載臺6在長行程范圍內(nèi)的磁懸浮直接線性傳動運行。
權利要求1.一種磁懸浮雙邊磁阻驅(qū)動式直接線性傳動裝置，其特征是雙邊長定子直線磁阻電機的定子通過定子機座固定連接桿與直線型雙邊長機座連接；雙邊長定子直線磁阻電機的動子通過動子相間連接桿與運動承載臺連接；直線運動位移傳感尺的動尺部件和靜尺部件分別與運動承載臺和直線型雙邊長機座連接；運動承載臺與直線型雙邊長機座之間的兩側(cè)各安裝一套輔助支承導軌副，其中，輔助支承導軌副的靜導軌與直線型雙邊長機座固定安裝，輔助支承導軌副的動導軌與運動承載臺固定安裝，直線型雙邊長機座的始末兩端均安裝一組散熱風扇；所述雙邊長定子直線磁阻電機的每相定子由一個“E”形的定子鐵心和繞在該定子鐵心上的4套相互獨立的定子線圈繞組組成，每個“E”形定子鐵心由一組“E”形截面的電工鋼片疊壓而成，在“E”形定子鐵心開口處的3個斷截面末端各安裝1個懸浮氣隙檢測傳感器；所述雙邊長定子直線磁阻電機的每相動子僅由一個矩形的動子鐵心組成， 每個矩形動子鐵心由一組矩形截面的電工鋼片疊壓而成。
2.根據(jù)權利要求1所述的磁懸浮雙邊磁阻驅(qū)動式直接線性傳動裝置，其特征是所述 “E”形定子鐵心上的4套相互獨立的定子線圈繞組分類為由1套線圈繞組組成的電機電磁推力繞組部分和由3套線圈繞組組成的磁懸浮氣隙控制繞組部分。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的磁懸浮雙邊磁阻驅(qū)動式直接線性傳動裝置，其特征是 所述雙邊長定子直線磁阻電機的定子為雙邊η相，η >4，動子為雙邊n-1相；定子和動子的安裝布局為左右兩邊對稱結(jié)構，同一縱截面下兩邊的一對“E”形定子鐵心開口相向；在動子前后運動方向上，各相定子等間距排列，各相動子也等間距排列，各相定子間的間距長度與各相動子間的間距長度之比等于動子相數(shù)與定子相數(shù)之比。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的磁懸浮雙邊磁阻驅(qū)動式直接線性傳動裝置，其特征是 所述定子機座固定連接桿和動子相間連接桿均由非導磁材料制成。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的磁懸浮雙邊磁阻驅(qū)動式直接線性傳動裝置，其特征是 所述雙邊長定子直線磁阻電機的磁路封閉于各相定子鐵心和動子鐵心之內(nèi)。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的磁懸浮雙邊磁阻驅(qū)動式直接線性傳動裝置，其特征是 一套輔助支承導軌副的靜導軌縱截面為“凹”形。
專利摘要本實用新型公開了一種磁懸浮雙邊磁阻驅(qū)動式直接線性傳動裝置，該裝置主要由直線型雙邊長機座、雙邊長定子直線磁阻電機、運動承載臺、定子機座固定連接桿、動子相間連接桿、直線運動位移傳感尺、輔助支承導軌副、懸浮氣隙檢測傳感器、散熱風扇等組成。本實用新型的磁懸浮支承導磁回路與直線磁阻電機定轉(zhuǎn)子導磁回路復用，無需機座導磁，運動部件無永磁體且無需外部供電，具有結(jié)構簡單緊湊，制造成本低，功率體積比高，電磁推力大，磁路路徑短、相間封閉性好、容錯能力強和零摩擦運行等優(yōu)點。
文檔編號H02K41/02GK201994889SQ20112013766
公開日2011年9月28日 申請日期2011年5月4日 優(yōu)先權日2011年5月4日
發(fā)明者吳國慶, 吳愛華, 張旭東, 易龍芳, 朱益民, 肖龍雪, 茅靖峰, 馬蘇揚 申請人:南通大學