專利名稱：用作機床進給系統的平板式永磁直線同步電機的制作方法
技術領域：
本發明屬于直線伺服單元的設備技術領域，可直接用作高速金屬切削加工機床的直線進給系統，也可用作IC裝備、特種加工機床的精密進給系統。
背景技術：
高速加工被認為是21世紀的先進制造技術。現在的機床電主軸轉速已達40,000r/min以上，這樣就要求有高速進給系統和它匹配。同時，為保證加工件的高精度和縮短加工輔助時間，進給系統還必須要有高的加(減)速度、定位精度和高剛度。
傳統上采用“旋轉電機+滾珠絲杠”的方法實現機床進給驅動，其特點是從電動機軸到工作臺之間存在聯軸節、絲杠、螺母、軸承、齒輪等一系列中間環節，當進給系統要完成啟動、反轉、加減速、停車等動作時，這些機械件產生的彈性變形、摩擦、反向間隙等，可能造成運動的滯后，產生非線性誤差，而且可能降低傳動剛度、增加運動慣量，影響了對運動指令的快速響應。特別是滾珠絲杠結構細而長，扭轉和拉壓剛度低，易形成高階振蕩，影響加工精度，行程也有限，存在物理極限，因此有很大的局限性。
直線電機是一種高精密機電產品，是利用電磁作用原理直接產生直線運動的裝置。將直線電機應用于高速機床的進給驅動系統，取消了上述動力源和工作臺之間的一切中間傳動環節，直接產生直線運動，整體上將機械結構簡化，電氣控制復雜化，符合現代機電技術的發展趨勢。
除了切削加下機床外，直線電機還可以用于各種機械加工機床如激光切割、等離子切割電火花加工等設備。
發明內容
本發明的目的是克服現有直線電機直線推力波動大、電機推力密度小、響應速度低的不足，提供一種新型的采用平板式結構的永磁直線同步電機。
本發明在初級的繞組結構上打破傳統的由旋轉電機展開的設計方法，根據平板式永磁直線同步電機的結構特點進行全新的布置，最大限度地克服平板式永磁直線同步電機特有的縱向端部效應和齒槽效應，以達到高速、高推力、高精度的目的。本發明的技術方案為用作機床進給系統的平板式永磁直線同步電機，包括磁路結構和機械結構，所述磁路結構包括由鐵心和繞組組成的初級，以及由磁鋼和電工純鐵底板組成的次級，所述機械結構包括設置在所述初級和次級之間的直線支承導軌、冷卻系統、傳感測量系統及防塵、防護結構，其特征在于所述初級繞組采用單層、整距繞組，串、并聯結合的星型連接。
所述次級磁鋼的形狀是六邊形、不對稱六邊形或矩形的。
所述次級磁鋼的形狀是平行四邊形或削邊平行四邊形的。
本發明所述永磁直線同步電機的初級繞組采用單層、整距繞組，串、并聯結合的星型連接具有三個突出的技術效果其一，可以有效的縮短繞組端部，以克服平板式永磁直線同步電機特有的端部效應和齒槽效應；其二，單層繞組的嵌線比較方便，而且沒有層間絕緣，槽的利用率較高。雖然其電動勢和磁動勢波形比雙層短距繞組稍差，但在平板式永磁直線同步電機中可以最大限度克服端部效應的影響，提高平板式永磁直線同步電機的單位體積出力，最終達到提高推力的目的。第三，所述永磁直線同步電機的初級繞組采用串、并聯結合的星型連接，當選擇了最佳并聯支路數時，能夠提高平板式永磁直線同步電機的動態性能、最高推力、最高速度。
本發明所述的平板式永磁直線同步電機具有平穩性好，散熱快，推力大等優點，目前的精度可以達到亞微米級，是高速機床和加工中心進給驅動用的理想部件。
圖1為平板式永磁直線同步電機的結構示意圖。
1-光柵讀數頭 2-光柵定尺 3-繞組 4-電工純鐵底板 5-底座 6-磁鋼 7-硅鋼疊片8-氣隙 9-壓板 10-繞組端部冷卻管 11-壓條 12-鐵心冷卻管 13-工作臺14-壓緊螺桿 5-直線導軌 16-導軌滑塊 17-光柵連接板圖2為初級繞組串、并聯結合的混合聯接結構。
圖3為次級磁鋼形狀方案，其中(a)為六邊形；(b)為不對稱六邊形；(c)為平行四邊形；(d)為削邊平行四邊形；(e)為矩形。
圖4為9級平板式永磁直線同步電機的初級繞組的連接方式。
具體實施例方式
平板式永磁直線同步電機可以應用于高速數控機床和加工中心的進給驅動系統，還可以用于各種特種加工設備(如激光切割、等離子切割、電火花加工等)的進給驅動系統。
如圖1所示，一種平板式永磁直線同步電機，包括磁路結構和機械結構。所述磁路結構包括由鐵心7和繞組3組成的初級，以及設置在底座5上的由釹鐵硼永久磁鐵制成的磁鋼6和電工純鐵底板4組成的次級；所述的鐵心7是用硅鋼疊片制成的，用壓板9、壓條11、壓緊螺桿14在兩端壓緊。所述初級繞組采用單層、整距繞組，串、并聯結合的星型連接(見圖2)。所述磁鋼6的形狀可以是六邊形、不對稱六邊形、平行四邊形、削邊平行四邊形或矩形的(見圖3)。
所述平板式永磁直線同步電機的額定推力為FN＝3,000N，最大推力為Fmax＝6,000N，最高速度為νmax＝2m/s，該電機所用控制系統中的功率模塊的最高電壓Umax＝220V，最大電流Imax＝75A。根據所述電機的各項參數確定該電機的初級極數為18極，從而取單相繞組的線圈數目K＝9。圖4展示了線圈數目K＝9時，線圈的4種連接方式，圖4(c)所示的為該電機單相繞組的最佳并聯方式，其最佳并聯支路數為3。該并聯支路之間電流會存在差異，但同一支路的線圈電流是嚴格一致的，在一定程度上可以改善端部的影響。采用并聯支路數為3的串、并聯結合的星型連接方式，能夠提高平板式永磁直線同步電機的動態性能、最高推力、最高速度。
所述機械結構采用常規方式，包括直線支承、傳感測量系統、冷卻系統、防塵、防護結構。所述直線支承包括導軌滑塊16和直線導軌15，分別安裝在工作臺13和底座5上，并保證要求的氣隙8。工作臺13設置在所述初級之上，隨所述初級一起實現直線運動；所述傳感測量系統包括光柵讀數頭1、光柵定尺2和光柵連接板17。光柵讀數頭1通過光柵連接板17固定在工作臺13上，光柵定尺2則直接安裝在底座5上，實現系統的反饋測量。平板式永磁直線同步電機的初級線圈通電后，由于銅損和鐵損的存在，產生熱量，使溫度達到100℃以上。溫度的升高會產生多方面的負面影響通過所述的冷卻系統使發熱部位的溫度降下來。所述的冷卻系統包括布置在繞組兩端的繞組端部冷卻管10和布置在貼心內部的鐵心冷卻管12，實現對電機初級的冷卻。
平板式永磁直線同步電機還需配置伺服控制系統(包括硬件和軟件兩部分)，實現平板式永磁直線同步電機的位置控制及速度控制。
權利要求
1.用作機床進給系統的平板式永磁直線同步電機，包括磁路結構和機械結構，所述磁路結構包括由鐵心和繞組組成的初級，以及由磁鋼和電工純鐵底板組成的次級，所述機械結構包括設置在所述初級和次級之間的直線支承導軌、冷卻系統、傳感測量系統及防塵、防護結構，其特征在于所述初級繞組采用單層、整距繞組，串、并聯結合的星型連接。
2.根據權利要求1所述的平板式永磁直線同步電機，其特征在于所述次級磁鋼的形狀是六邊形、不對稱六邊形或矩形的。
3.根據權利要求1所述的平板式永磁直線同步電機，其特征在于所述次級磁鋼的形狀是平行四邊形或削邊平行四邊形的。
全文摘要
用作機床進給系統的平板式永磁直線同步電機，屬于直線伺服單元的設備技術領域。為了克服現有直線電機直線推力波動大、電機推力密度小、響應速度低的不足，提供一種平板式永磁直線同步電機，包括磁路結構和機械結構，所述磁路結構包括由鐵心和繞組組成的初級，以及由磁鋼和電工純鐵底板組成的次級，所述機械結構包括設置在所述初級和次級之間的直線支承導軌、冷卻系統、傳感測量系統及防塵、防護結構，所述初級繞組采用單層、整距繞組，串、并聯結合的星型連接。本發明所述的平板式永磁直線同步電機具有平穩性好，散熱快，推力大等優點，目前的精度可以達到亞微米級，是高速機床和加工中心進給驅動用的理想部件。
文檔編號H02K41/03GK1553556SQ20031012170
公開日2004年12月8日 申請日期2003年12月19日 優先權日2003年12月19日
發明者王先逵, 劉成穎, 趙彤, 石忠東, 陳定積, 吳丹, 劉泉, 李慶雷 申請人:清華大學