[实用新型]具有补偿齿槽力和吸引力的双线圈直线电机

说明书

技术领域

本实用新型涉及永磁体同步直线电机，特别是涉及一种具有补偿齿槽力和吸引力的双线圈直线电机。

背景技术

一般来说，有两类永磁体同步直线电机，通常应用于工业上。这些是无铁芯直线电机(也叫做无芯直线电机)和铁芯直线电机。无铁芯直线电机从它的名字来看，它在线圈里不含有铁芯或者铁叠片。线圈仅仅由铜线成形或者塑造成所需的形状。另一方面，铁芯电机使用铁叠片形成铜线缠绕所在的核心。铁芯帮助磁通聚集到铜线。铁芯直线电机提供比无铁芯直线电机更高的力。它也在设计中比无铁芯电机使用更少的永磁材料，因此更符合成本效益。

然而，铁芯电机和无铁芯直线电机有两个缺点：第一，在铁芯直线电机里存在一个齿槽力。这种力是由磁铁的磁性和铁芯的齿相互作用形成的。在永磁体铁芯直线电机里，这是个众所周知的现象。这个齿槽力有时也称为磁阻力或定位力。这种力是对准沿着直线电机运动的轴线，甚至当没有电流通过电机线圈的情况下也存在的。它通过妨碍从电机来的所需要的力，干扰了正常的直线电机操作。图1中示出了齿槽力Fc作用于铁芯直线电机。力的方向可能是正的或者负的，取决于线圈的相对位置和磁轨。换句话说，在运动或者当运动稳定时，它增加了或者减少了所需要的力。当这个干扰通过从伺服驱动器和控制卡供给更多的电流到电机里来被抵消，它减少了直线电机的性能，尤其是增加了整定时间，这是电机到位后，静止在一个所要求的公差里所需要的时间。在需要高精度的应用中，在很短的时间内位置公差必须要求目标定位在微米里，这种效应变得非常不可取。

此外，在需要平稳的速度和挑剔的应用里，齿槽力将会有负效果，引起电机有速度波动或者行驶速度不均匀。铁芯直线电机的另一个不利条件是在铁芯的齿和磁铁之间存在非常强烈的磁性的吸引力。这是明显的，由于在齿和铁磁之间的间隙通常是0.8到1毫米的。该力以及其方向是如图1所示。在一个典型的，线圈长度在200毫米，线圈宽度大约在75毫米的有铁芯直线电机里，吸引力大约是在1450N或者145公斤的力。在一个大的带有700毫米线圈长度和220线圈宽度的铁芯直线电机里，吸引力是23000N或者等于2300公斤的力。这个吸引力是极不可取的，因为需要安装非常大的轴承导轨和移动块来托住线圈，反抗磁轨。在大型机器比如PCB转孔机，直线电机被安装了多个导轨，来预防倒塌或者线圈和磁轨的并合在一起，并且维持两者之间的空气间隙。这也意味着，用于托住电机线圈的机械零件必须也要非常坚硬和坚固，由于增加了重量，导致了笨重的设计并且减少了动态性能。当直线电机在运动时这个吸引力增加了摩擦力，导致了直线电机效率降低。

用于减少在铁芯直线电机里的齿槽力的方法有很多。其中一个方法是偏斜磁轨上的磁铁。通过偏斜磁铁一个角度，这个齿槽力会被减少，虽然减少并不十分显著。另一个常用的方法是偏斜在线圈部分的铁叠片，它和偏斜磁铁一样有同样的效果。当偏斜磁铁或者叠片的方法能在一定的程度上降低齿槽力，它并没有解决由吸引力所引起的问题。它也减少了电机的效率，因为磁通量没有通过磁铁偏斜完全优化。

还有一个常用的方法是在铁芯直线电机的末端增加2个辅助齿。这在图2里说明了，其中5a和5b是辅助齿。美国专利号5910691描述了这样一个技术方案，其在铁芯直线电机里增加了2个辅助齿。辅助齿被设计成带有倾斜角，具有一定的优化角度，尽管通过它不能完全消除齿槽力，但会被减少到最低。美国专利号4912746在一个三角楔形里使用辅助齿来减少齿槽力。美国专利号6831379 B2也描述了一个带有8极9槽设计的直线电机，并且也在直线电机线圈的末端增加了2个辅助齿。通过用主齿和2个辅助齿之间的距离优化辅助齿的长度，它已被证明了齿槽力能被减小。用增加辅助齿的方法，当齿槽力能被减少时，在线圈和磁轨之间的吸引力仍然没有减少或者消除。实际上，辅助齿只会增加吸引力。

美国专利号6476524 B1描述了另一个方法，凭借把至少2个或者3个直线电机线圈串联。每个单个的电机线圈是由8极和9槽构成的。通过变化单个线圈到一小部分磁距之间的间隙或者空间，它已被证明了，通过叠加由单个线圈引起的齿槽力，纯齿槽力能完全被消除。然而，以这个设计，直线电机的最小线圈长度是至少2个直线电机的长度，或者等于16个极。这使直线电机线圈非常长，并且不适合滑动部分的空间或者长度被限制的应用。此外，这种方法不能解决由直线电机线圈和磁轨之间的吸引力造成的问题。