阅读说明：本技术 一种新型混合式直流扁平式步进直线电动机 (Novel hybrid direct-current flat stepping linear motor ) 是由 史维佳 周若舒 赵勃 谭久彬 于 2020-06-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种新型混合式直流扁平式步进直线电动机,属于电机领域,该新型混合式直流步进直线电动机包括定子(1)、动子(2)、所述定子(1)包含定子铁心(5)、永磁体(3)(4),永磁体充磁方向与运动方向垂直,随着动子铁心上绕组(9)交替通入正、负直流电,动子(2)沿着导轨(7)做直线运动。本发明不但省去了传统电机的变换结构,同时直流直线电机启动特性好、调速范围广且调速平滑,系统结构简单,受电磁干扰影响小。本发明公开的新型混合式直流步进直线电动机,具有结构新颖、构思巧妙,与现有的技术电机原理不同的特点：动子线圈制造方便、制造成本低、无需将线圈嵌入槽中,降低制造成本,电机控制简单。(The invention discloses a novel hybrid direct-current flat stepping linear motor, which belongs to the field of motors and comprises a stator (1) and a rotor (2), wherein the stator (1) comprises a stator iron core (5) and permanent magnets (3) and (4), the magnetizing direction of the permanent magnets is vertical to the moving direction, positive direct current and negative direct current are alternately introduced into a winding (9) on the rotor iron core, and the rotor (2) moves linearly along a guide rail (7). The invention not only saves the transformation structure of the traditional motor, but also has good starting characteristic, wide speed regulation range, smooth speed regulation, simple system structure and small influence of electromagnetic interference. The invention discloses a novel hybrid direct-current stepping linear motor, which has the characteristics of novel structure, ingenious conception and different principle from the prior motor: the rotor coil is convenient to manufacture, low in manufacturing cost, free of embedding the coil into a groove, low in manufacturing cost and simple in motor control.)

一种新型混合式直流扁平式步进直线电动机

技术领域

本发明设计电机制造技术领域，具体涉及一种平均推力高、控制简单、运行可靠、响应速度快、功耗低，能够平稳运行的一种新型混合式直流扁平式步进直线电动机。

背景技术

随着现代自动控制技术的发展和微型计算机的不断进步，传统的旋转电机附加变换机构组成的直线运动系统体积大、噪声大、存在传动损耗传动效率低、变换结构容易损坏、在精密传动领域的直线变换器难以维护，因此已经难以满足现代直线控制系统的性能要求。而交流电机起动特性和调速性能较差。由直线电机直接驱动负载具有以下优点：结构简单，无需转换装置；定位精度高，由于没有中间转换装置，消除了中间环节带来的各种定位误差，精度更高；行程不受限制，传统电机转换装置中的丝杠收到加工工艺的限制。

现有专利技术中直线电机仍然存在不能自动锁紧的缺陷。传统直线电机在运动方向上没有磁阻的变化，因此在非运行状态下无法实现自动锁紧，本发明中通过加入在运动方向磁阻的变化改进了这一缺陷，电机在非运行状态下，通入微弱直流电，电机动子稳定在所在区域永磁体的中心位置。

现有专利技术中直线电机存在发热量大，固定在工作台底部的直线电机动子为高发热部件，安装位置不利于自然散热，对于机床的恒温控制造成了很大的挑战，尤其是对于精密加工机床，温度过高可能会导致器件的损伤。本发明中动子上绕组缠绕在动子铁心芯轴上，绝大部分导体暴露在空气中，利于散热，有效地对传统直线电机发热严重、散热困难的缺点进行了改进。

现有专利技术中直线电机存在运动过程中振动高的缺陷，传统直线电机动子采用的是齿槽结构，电机在运行过程中的产生齿槽力给电机的平稳运行带来了很大的影响。本发明中用绕组绕制在动子铁心上的结构方案，取代了传统直线电机的齿槽结构，通过消除齿槽力，使电机运行更加平稳；另一方面，本方案电机采用对称结构，在电机运行时，不会产生由于不对称的结构造成受力不均而产生的机械振荡。

现有专利技术中直线电机通电形式为交流供电，电机维修难度大、运行控制难度大、启动和调速控制难度大、电机行程受限。本发明方案采用直流供电，有效的简化了电机的维修难度，电机拆卸简便、零件替换难度小、具有优越的启动特性和调速特性、电机调速范围广、调速平滑、过载能力强、受电磁干扰影响小，同时电机采用直流供电更加环保。

发明内容

本发明提出一种新型混合式直流扁平式步进直线电动机，控制简单，运行可靠，响应速度快，可以平稳运行，产生稳定推力。

本发明通过以下技术方案实现：

一种新型混合式直流扁平式步进直线电动机，包括定子(1)、动子(2)，动子(2)沿x方向运动。所述定子(1)包含定子铁心(5)、永磁体(3)、(4)、导磁材料(6)、绝缘材料(10)组成，永磁体充磁方向与运动方向垂，随着动子铁心上绕组(9)交替通入正、负直流电，动子(2)沿着导轨(7)做直线运动。所述定子铁心(5)上阵列充磁方向与运动方向垂直的两种极性永磁体(3)、(4)，永磁体在x方向充磁强度从中间到两侧成指数分布，导磁铁心(6)以及隔磁铝片(10)，永磁体(3)、(4)、导磁铁心(4)以及隔磁铝片(10)与定子铁心(5)固定为一体。

所述动子(2)上下结构对称，动子直流绕组(9)缠绕方向相反，保证在电机运行时形成两个完整的磁路。所述导轨(7)包含不导磁不锈钢块(12)，定子铁心(5)和导轨(7)之间靠不导磁介质(13)连接，保证在x方向没有闭合磁路。

本发明进一步技术改进方案是：

所述定子(1)由定子铁心(5)、永磁体(3)、(4)、绝缘材料(10)组成，去掉导磁铁心(4)，每一块永磁体在y方向平铺整个铁心，进一步保证了电机运行时y方向的平稳性。

本发明进一步技术改进方案是：

所述定子(1)包含定子铁心(5)、永磁体(3)、(4)、导磁材料(6)、绝缘材料(10)组成。其中永磁体(3)、(4)、导磁材料(6)、结构变形，每一块永磁体和导磁材料从中间到两侧呈“凸”型减小，改进方案使得电机在运行过程中x方向更加平稳。

本发明进一步技术改进方案是：

所述定子(1)包含定子铁心(5)、永磁体(3)、(4)、导磁材料(6)、绝缘材料(10)组成。其中永磁体(3)、(4)、导磁材料(6)、结构变形，每一块永磁体和导磁材料从中间到两侧呈样条曲线减小，改进方案使得电机在运行过程中x方向更加平稳。

本发明进一步技术改进方案是：

所述机械导轨(7)改进为气浮导轨，减小电机运行过程中的产生的摩擦损耗。

本发明进一步技术改进方案是：

所述定子(1)包含定子铁心(5)、永磁体(3)、(4)、导磁材料(6)、绝缘材料(10)组成。定子(1)在z方向上下结构不再对称，初始方案中定子正反两面N、S极所处位置相同，改进方案中定子正反两面同一位置的两个永磁体极性相反。同时，对应的要改变动子直流绕组(9)上下两边的绕制方向，初始方案中动子直流绕组(9)上下两部分绕制方向相反，改进方案中动子直流绕组(9)上下两部分绕制方向一致。

本发明进一步技术改进方案是：

所述动子(2)包含转子铁心(9)和动子直流绕组(10)，其中动子铁心(9)不再是由上下两个对称的铁心组成，而是在原来的基础上与垂直方向错开了45°，用于控制动子铁心运动方向。

本发明进一步技术改进方案是：

所述动子(2)包含转子铁心(9)和动子直流绕组(10)，其中动子铁心(9)不再是由上下两个对称的铁心组成，而是上下各有两个转子铁心，用于精确地控制动子铁心运动方向。

本方案与现有技术相比，具有以下明显优点：

一、本发明将动子线圈套接在动子芯轴上，芯轴两侧与导轨搭接，动子线圈位于定子铁心与导磁导轨之前的环形气隙，当给定子通入直流电时，定子铁心、动子芯轴、导轨之间形成很强的较均匀磁回路。

二、本发明提供的直流直线电机，具有结构新颖、构思巧妙，与现有技术电机原理不同的特点。

三、本发明的动子线圈制造方便、制造成本低。

四、本发明无需开槽，无需将线圈嵌线入槽，可以降低制造成本。

五、本发明采用开磁路结构，可以有效的避免磁路饱和，增加整个行程内的平均推力。

六、本发明结构总体对称，可以减小运动过程中的振动以及振动带来的噪声。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的初始结构的等轴测示意图。

图3为本发明永磁分布方式改进方案的俯视图和主视图。

图4为本发明永磁体结构倒角改进方案的俯视图和主视图。

图5为本发明永磁体结构圆角改进方案的俯视图和主视图。

图6为本发明永磁体结构样条曲线改进方案的俯视图和主视图。

图7为本发明动子铁心结构改进方案的俯视图和主视图。

图8为本发明动子铁心结构进一步改进方案的俯视图和主视图。

具体实施方式

本发明基于的原理：

磁阻最小原理：方案给出了一种新型混合式直流扁平式步进直线电动机，电机的各磁路的磁阻随动子位置而改变，因此电机的磁场能量也将随着动子位置的变化而变化，将磁能转换为机械能，这就是步进电机的原理，步进电机遵循“磁阻最小原理”即磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合。当具有一定形状的铁心再移动到磁阻最小位置时，必使自己的主轴线与磁场的主轴线重合。当定子通过永磁进行激励时，所产生的磁力会力图使动子运动到动子极轴线与定子极轴线重合的位置，使励磁的等效电感达到最大值。若以图2中定、动子位置作为起始位置，依次给动子线圈通入正反两种直流电，动子将沿着导轨实现直线运动。

直线运动原理：在起始位置时，动子线圈不通入直流电，根据磁阻最小原理，动子会自动定位在所在永磁体的中心位置，定位效果较好。图2的原始结构的等轴测示意图中给出了动子线圈在特定位置的通电形式，可以看出当动子在图示位置时尚未到达永磁体中心位置，为保证闭合磁路的产生，线圈通电方式如图所示。当到达中心位置后，若想继续向前沿导轨进行直线运动，动子线圈通入反方向直流电，若想使动子静止不再继续向前运动，则可以停止通电或者继续通入当前方向的直流电。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

图1例性地给出了一种新型混合式直流扁平式步进直线电动机的结构示意图，如图1所示。一种新型混合式直流扁平式步进直线电动机包括定子组件、与定子组件滑动配合的动子组件以及导轨。定子组件包括永磁体、导磁材料、绝缘材料，三者在定子铁心平面平铺，交替分布，材料之间紧密连接，没有空隙，定子组件与导轨之间放置不导磁材料，避免横向闭合磁路的形成，不导磁的绝缘材料可以用特定的方式拆除，但是在电机运行时需要保证定子与导轨之间的稳定连接，导轨两侧用不导磁的不锈钢块连接，为了避免磁路的饱和，提高电机运行时的推力。

图2给出了动子线圈在特定位置的通电形式，动子尚未到达永磁体中心位置时，为保证闭合磁路的产生，线圈通电方式如图所示。当到达中心位置后，若想继续向前沿导轨进行直线运动，动子线圈通入反方向直流电，若想使动子静止不再继续向前运动，则可以停止通电或者继续通入当前方向的直流电。

本实施例中，定子铁心上紧密排列了充磁方向与运动方向垂直的永磁体以及导磁材料，如图1所示，永磁体产生的偏置磁通仅在定子铁芯、磁性导轨、动子铁心以及气隙中形成闭合回路，用于产生偏置磁通，偏置磁场按照y方向分布，可以降低电机的功耗。

定子铁心、动子铁心、导轨主体部分由导磁材料制成，本实施例中采用铸铁。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。