專利名稱：一種由旋轉磁場驅動的直線電機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種直線電機，尤其涉及一種由旋轉磁場驅動的直線電機。
背景技術：
直線電機自1840年形成的直線電機概念以來， 一直沿用旋轉電機剖開展 平的設計思路，磁場全部釆用行波磁場布置，繞組利用率低，推力重量比小。
最近廣泛采用永磁體，如釹系強磁。如CN1484364公開的一種永磁磁阻 式直線電機。它由導磁軛、永磁體、次級動子鐵心、隔磁板、定子鐵心和安 裝在定子鐵心上的繞組組成。但是強永磁體的成本高昂，對環境有強磁干擾， 從而限制了這種直線電機的應用。
按控制方式劃分，現有直線電機分為兩類， 一類為非步進電機， 一類為 步進電機。對于現有的非步進直線電機的精確控制，需用獨立的位置反饋系 統才能做到精確定位，這種方式的成本較高。大多數直線電機非步進電機， 需用獨立的位置反饋系統才能做到精確定位，部分直線步進電機沿用旋轉步 進電機設計，齒極制造難度大。這些都導致工業上需用到直線運動的場合仍 主要采用絲杠或齒輪齒條(帶)的方案。如CN96232612.7公開的一種"直線 步進電機"，該電機是在旋轉式步進電機的基礎上，把電機轉子的旋轉運動在 內部直接通過絲桿螺母副轉換成直線運動。這種方式的電機制造難度大，成 本也很高。
開關磁阻電機是20世紀80年代初隨著電力電子、微電腦和控制技術的 發展而發展起來的一種調速驅動系統。開關磁阻電機一般為雙凸極結構，轉 子僅僅由疊片疊壓而成，既無繞組也無永磁體，在定子的各極繞有繞組，其 徑向相對的極繞組串聯，構成一相。其工作原理遵循"磁阻最小原理"，即磁 通總是沿磁阻最小的路徑閉合，因為磁場扭曲而產生磁阻性質的電磁轉矩。 順序給電機的不同的相繞組通電，則轉子將會轉動起來。和其他類型的電機
4相比，開關磁阻電機具有以下顯著特點電機結構簡單、兼顧，制造工藝簡
單，成本低，可高轉速工作；工作可靠，能適應各種惡劣的工作環境；損耗
主要產生在定子上，電機容易冷卻，而且轉子沒有永磁材料，可以允許有較
高的溫度；轉矩方向和電流方向無關，可以最大限度簡化功率變換器，降低 系統成本，并且功率變換器不會出現直通故障，可靠性高；啟動轉矩大，低 速性能好，沒有感應電動機在啟動時候所產生的沖擊電流的現象；調速范圍 寬，控制靈活，易于實現各種特殊要求。但是開關磁阻電機的運動方式都是 旋轉運動，在直線電機方面沒有應用。
同時，大多數直線電機非步進電機，需用獨立的位置反饋系統才能做到 精確定位，部分直線步進電機沿用旋轉步進電機設計，齒極制造難度大。這 些都導致工業上需用到直線運動的場合仍主要采用絲杠或齒輪齒條(帶)的 方案。本發明可大大降低直線電機的制作難度和成本，適合廣泛推廣。
發明內容
本發明要解決的技術問題是，設計一種不需要采用永磁體，并且僅在普 通旋轉磁場電機的基礎上對某些部件結構進行改進就能夠實現的直線運動的 電機。
為了解決上述技術問題，本發明提供一種由旋轉磁場驅動的直線電機， 包括機殼、封裝在機殼內的初級鐵芯、按旋轉磁場電機方式繞在初級鐵芯 上的初級繞組、以及套于初級鐵芯內的次級動子鐵心；
次級動子鐵心與初級鐵芯分離，在次級動子鐵心與初級鐵芯之間為氣隙；
還進一步包括導向裝置，用于使得次級動子鐵心與初級鐵芯之間僅能 夠沿次級動子鐵心的軸向相互運動；
在次級動子鐵心延軸向的外表面有次級動子鐵心螺紋，在初級鐵芯的內 壁有初級鐵芯極端部螺紋，所述次級動子鐵心螺紋與初級鐵芯極端部螺紋互 為正反螺紋。
作為本發明的一個等同替換，互為正反螺紋中之一可以制作成一個為圓周齒，其周節數與螺紋頭數相同。
由于由旋轉磁場驅動的直線電機的初級鐵芯極端部螺紋和次級動子鐵心 螺紋互為正反螺紋，在圓柱面的氣隙中將產生的磁阻莫爾條紋，于圓周上形 成徑向磁阻的規律性周節分布。周節數為螺紋頭數的兩倍。
由旋轉磁場驅動的直線電機的旋轉磁場的磁通最大的徑向方向上，通過 初次級的軸向相對運動，滿足此方向上磁阻最小，隨著驅動器的電角度變化， 磁通最大方向變化，磁阻最小位置在磁隙上的圓周運動，驅動了初級鐵芯與 次級動子鐵心之間的軸向相對運動。同時，由于釆用了導向裝置，所以初級 鐵芯與次級動子鐵心之間僅僅只能做沿軸向直線方向的相對運動。
作為本發明一個具體的實施方式，所述次級動子鐵心螺紋與初級鐵芯極 端部螺紋的螺紋周節規律相同，螺紋寬度也相同。
所述次級動子鐵心螺紋與初級鐵芯極端部螺紋為階梯螺紋。而另一種實 施方式可以是所述次級動子鐵心螺紋與初級鐵芯極端部螺紋為平滑螺紋
在初級鐵芯上，按磁阻莫爾條紋周節數的規律布置初級繞組的極數，按 每周節上的鐵芯極數分配相數，可設置成二相、三相或多相繞組，并用單極 性、雙極性的步進電流驅動，或開關磁阻電機驅動器驅動，或普通交流電驅 動，以形成旋轉磁場。
用步進電機驅動器驅動的時候，構成步進式直線電機系統，用于開環或 閉環的數控系統。
用開關磁阻式電機驅動器驅動的時候，構成開關磁阻式直線電機，可以 用于大功率大推力的直線電機，例如用在高速沖壓機床上。
用普通交流電驅動的時候，構成交流同步直線電機，構成低成本的直線 運動系統。
當所述初級繞組設置為三相繞組設置為時候，在所述初級鐵芯的外表面
上布置有12個用于纏繞繞組的槽，釆用不跨槽繞法繞制，當然，此處也可以釆用跨槽繞法繞制。
作為導向裝置的一個具體的實施方式，所述導向裝置包括
用于固定所述次級動子鐵心的基座、固定安裝在基座上，平行于所述次 級動子鐵心軸向方向的直線導軌、以及，固定安裝于所述初級鐵芯并沿所述 直線導軌軸向方向與該直線導軌滑動連接的初級機座。
此種方式固定了次級動子鐵心，而初級鐵芯在旋轉磁場的驅動下能夠沿直 線導軌做直線運動。當然也可以固定初級鐵芯，在旋轉磁場的驅動下讓次級 動子鐵心做直線運動。此方式這是本發明的等同變換。
為了方便在某些特定的場合應用該由旋轉磁場驅動的直線電機，例如，不 希望初級鐵芯或者次級動子鐵心暴露出其螺紋時候，本發明也可以，所述初 級鐵芯極端部螺紋用非磁性材料填平；所述次級動子鐵心螺紋用非磁性材料 填平。
該由旋轉磁場驅動的直線電機可以在初級鐵芯上布置軸向永磁或直流電 磁來偏磁，構成混合式偏磁電機，具有一定的自鎖能力。
同時，本發明既增加螺紋頭數可增加周節數，增加初級的極數，適合大 直徑下提高鐵芯和繞組利用率，增大推力。本發明增大初級鐵芯疊片厚度和 增加推力。本發明減少螺紋螺距可減少步距，提高定位精度。使用細分驅動 電路可提高定位分辨率。釆用階梯螺紋在多頭大螺距時可提高定位精度。本 發明可用中空次級內冷恒溫提高電機的穩定性。
與現有技術相比本發明的優點在于，本發明的直線電機不需要使用永磁體 材料，降低了直線電機的生產以及使用成本，減小了對環境的強磁干擾，并
且能夠提高推力重量比；同時，由于釆用常用的旋轉磁場電機的整體結構， 具有結構簡單，制造容易，造價低廉，徑向平衡，定位準確的特點，具有廣 泛的應用前景。
7圖1為本發明的旋轉磁場驅動的直線電機剖面結構示意圖2為本發明的旋轉磁場驅動的直線電機橫截結構示意圖； 圖3為本發明的旋轉磁場驅動的直線電機在莫爾條紋紋樣圖 圖4為圖3所示的莫爾條紋紋樣的展開圖。
具體實施例方式
以下結合附圖所示的最優實施例對本發明做進一步的說明。
如圖1和圖2所示，由旋轉磁場驅動的直線電機包括以下部分組成初 級機座1、機殼2、初級鐵芯3、初級繞組5、次級動子鐵心6、以及電機端蓋 8。
所述初級鐵芯3外面有機殼2,并且被固定在初級機座1上。在所述初級 鐵芯3的端部具有初級鐵芯極端部螺紋4，在所述次級動子鐵心3上具有次級 動子鐵心螺紋7。
所述初級鐵芯極端部螺紋4為內凸螺紋，所述次級動子鐵心螺紋7為外凸 螺紋。所述次級動子鐵心螺紋7和初級鐵芯極端部螺紋4的螺紋寬度相同， 螺紋的周節規律相同，并且是互為正反螺紋。
所述初級鐵芯3和次級動子鐵心6相互不接觸，兩者之間存在圓柱面的 氣隙9。通過包括基座、直線導軌和初級機座1的導向裝置，所述初級鐵芯3 和次級動子鐵心6可以做無摩擦的相對直線運動。其中，基座固定所述次級 動子鐵心6的基座、固定安裝在基座上，平行于所述次級動子鐵心6軸向方 向的直線導軌，以及，固定安裝于所述初級鐵芯3并沿所述直線導軌軸向方 向與該直線導軌滑動連接的初級機座1。
上述方案也有等同的替代方案，即也可以將所述初級鐵芯極端部螺紋4用 非鐵磁性材料填充，電鍍后磨光，做滑動配合，也可以在電機端蓋8上布置 直線軸承，在徑向負荷不高的時候代替直線導軌。這樣，不僅可以絕對固定初級，并通過直線導軌限制次級，讓次級做相對 初級直線運動；也可以絕對固定次級，通過直線導軌限制初級，讓初級相對 次級做直線運動。
所述初級繞組5由雙極性三相磁阻式步進電機驅動器驅動，三相分別為A
相、B相和C相。在一個圓周上有4個周節，每個周節設有3個繞組，整個圓 周上布置12個槽，釆用不跨槽繞法來布置繞組。其中，磁力線11為初級繞 組5所產生，在所述圓柱面的氣隙9中的區域可以分為磁通最大區域12和磁 阻最小區域13。
如圖3所示，本由旋轉磁場驅動的直線電機在工作的時候，在所述氣隙9 部分將分布磁阻莫爾條紋。由于初級鐵芯極端部螺紋4和次級動子鐵心螺紋7 互為正反螺紋，并且鐵質材料的磁阻要遠遠小于空氣的磁阻，在圓柱面的氣 隙9形成了磁阻莫爾條紋于圓周上形成徑向磁阻的規律性周節分布。則在螺 紋凸齒相對的位置，其磁阻較小，為磁阻最小區域13。在螺紋凸齒凹下部分 相對的地方，磁阻較大，為磁阻最大區域14。
如圖4所示，為圖3按初、次級的軸向裁開后的展開示意圖，由于磁阻最 小原理，所述初級鐵芯3和次級動子鐵心6將會被電磁力推動做軸向移動。
根據"磁阻最小原理"，繞組通電后電磁磁通最大的方向總希望是磁阻最 小的方向，由于電機圓周方向被限制旋轉，則電機有通過初次級軸向相對運 動的來使磁阻最小的趨勢，形成軸向力，并產生軸向運動。驅動電流產生的 旋轉磁場，由于軸向力的作用而軸向運動，改變磁阻莫爾條紋紋樣的位置來 滿足磁阻最小原理，使電機產生步進或連續的直線運動。
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權利要求
1、一種直線電機，包括機殼(2)、封裝在機殼(2)內的初級鐵芯(3)、按旋轉磁場電機方式繞在初級鐵芯(3)上的初級繞組(5)、以及套于初級鐵芯(3)內的次級動子鐵心(6)；所述次級動子鐵心(6)被安裝在導向裝置上，所述次級動子鐵心(6)與初級鐵芯(3)之間存在氣隙(9)；其特征在于在所述次級動子鐵心(6)沿軸向的外表面有次級鐵心螺紋(7)，在所述初級鐵芯(3)的內壁有初級鐵芯極端部螺紋(4)，所述次級動子鐵心螺紋(7)與初級鐵芯極端部螺紋(4)互為正反螺紋。
2、 根據權利要求l所述的直線電機，其特征在于，所述次級動子鐵心螺 紋(7)與初級鐵芯極端部螺紋(4)的螺紋周節規律相同，螺紋寬度也相同， 但互為正反螺紋。
3、 根據權利要求1或者2所述的直線電機，其特征在于，所述次級動子 鐵心螺紋(7)與初級鐵芯極端部螺紋(4)為階梯螺紋或者為平滑螺紋。
4、 根據權利要求1所述的直線電機，其特征在于，所述初級繞組(5) 設置為二相、或三相、或多相繞組。
5、 根據權利要求4所述的直線電機，其特征在于，所述初級繞組(5) 設置為三相繞組，在所述初級鐵芯(3)的外表面上布置有12個用于纏繞繞 組的槽，釆用不跨槽繞法繞制，或者釆用跨槽繞法繞制。
6、 根據權利要求1、 4或5所述的直線電機，其特征在于，所述初級繞 組(5)由單極性或者雙極性的步進電流驅動，或由開關磁阻電機驅動器驅動， 或由普通交流電驅動。
7、 根據權利要求1所述的直線電機，其特征在于，所述初級繞組(5) 由雙極性三相磁阻式步進電機驅動器驅動。
8、根據權利要求l所述的直線電機，其特征在于，所述導向裝置包括 用于固定所述次級動子鐵心(6)的基座、固定安裝在基座上，平行于所述次級動子鐵心(6)軸向方向的直線導軌、以及，固定安裝于所述初級鐵芯(3)并沿所述直線導軌軸向方向與該直 線導軌滑動連接的初級機座(1)。
9、 根據權利要求1所述的直線電機，其特征在于，所述初級鐵芯極端部 螺紋(4)的凹槽用非磁性材料填平；所述次級動子鐵心螺紋(7)的凹槽用非磁性材料填平。
10、 根據權利要求1所述的直線電機，其特征在于，所述初級鐵芯(3) 上布置用于構成偏磁的軸向永磁或直流電磁。
全文摘要
本發明提供一種由旋轉磁場驅動的直線電機，包括封裝在機殼內的初級鐵芯、按旋轉磁場電機方式繞在初級鐵芯上的初級繞組、以及次級動子鐵心；還包括導向裝置，用于使得次級動子鐵心與初級鐵芯之間僅能夠沿次級動子鐵心的軸向相互運動；在次級動子鐵心延軸向的外表面有次級動子鐵心螺紋，在初級鐵芯的內壁有初級鐵芯極端部螺紋，所述次級動子鐵心螺紋與初級鐵芯極端部螺紋互為正反螺紋。本發明的直線電機不需要使用永磁體材料，降低了直線電機的生產以及使用成本，減小了對環境的強磁干擾，并且能夠提高推力重量比；同時由于采用成熟的旋轉磁場電機的整體結構，具有結構簡單，造價低廉，徑向平衡，定位準確的特點，具有廣泛的應用前景。
文檔編號H02K41/03GK101527472SQ20081006577
公開日2009年9月9日 申請日期2008年3月5日 優先權日2008年3月5日
發明者黃世章 申請人:黃世章