專利名稱：長行程動鐵型直流直線電機的制作方法
技術領域：
本發明涉及直線電機領域，尤其是動鐵型直流直線電機領域。
背景技術：
動鐵型直流直線電機因其不需要給可運動的動子供電(亦稱無源動子)，在某些特殊場合運用顯示出其優越性。專利號為96246157.1和專利號為96246158.X的實用新型專利、專利號為00214402.6和專利號為01244185.6的實用新型專利都分別提出了采用直流電的動鐵型直線電機設計。但是這些設計雖然屬于動鐵型，但運動體都是芯軸，不能滿足某些場合應用的需要。查閱我國從一九八五年四月一日起至二00四年一月十日期間的專利申請，均未見有定子在內、無源動子在外或動子部分暴露在外的動鐵型直流直線電機設計公開。由葉云岳編著、中國機械工業出版社出版的《直線電機原理與應用》一書，在第146頁到156頁中闡述了一種閉磁路及開磁路的直流直線電機。書中涉及并討論了在動子行程不太長(約250毫米)，有一個定子線圈繞組、兩個面型動磁鐵時的動鐵型直流直線電機的原理。書中對閉磁路設計和半開磁路(即保留與定子線圈平行的磁路，舍去定子線圈兩端的磁路)作了試驗曲線分析和比較。從書中的試驗數據繪制的曲線中，可以看出這種電機存在的一個問題，那就是即使在動子有效行程不太長的情況下，動子的出力也很不均勻。當動子到達線圈中部時，動子上的出力已經很小，但半開磁路型比閉磁路型好得多。實際上，即使在半開磁路的上述設計方案中，如果要求的動子行程較長，只設計單繞組的載流線圈就必然要長。當軸向尺寸較小的動子到達如此長的載流線圈中部時，動子的出力將接近為零。這一結論基于如下幾點分析1、根據磁場的高斯定理可知，經永磁動子穿過載流線圈進入繞線定子鐵芯的有效磁通量Φy的總和，等于經繞線定子鐵芯返回動子的磁通量Φf的總和。2、返回磁通的分布雖然很復雜，但可以肯定的是在開磁路設計中，沿整個繞線定子表面都有返回磁通，設經載流線圈表面返回的磁通量為Φe，當繞線定子很長、且永磁動子在線圈中部附近時，可以認為幾乎所有的返回磁通Φf都經整個繞線定子表面的載流線圈返回，因此Φf近似等于Φe。3、在載流線圈表面，返回磁通的方向與有效磁通的方向相反。在上述繞線定子很長、且永磁動子處于線圈中部附近的情況下，進、出整個定子載流線圈表面的磁通矢量之和已接近為零。在本例中，磁感強度B矢量與載流線圈電流元矢量idL垂直，所以根據電磁學基本定律(安培定律)可知，此時整個線圈所受到的安培力的合力已經接近為零。因定子為不動體，實際的可運動體是動子，磁動子受到的力實際上是安培力的反作用力。所以當有效行程較長、載流線圈較長時，徑向和縱向都較短(與線圈長度相比)的永磁動子在接近線圈中部時其本身所受到的電磁力將下降到很小，因此可能會對外停止做功(即出現出力死點)，直線電機動子在線圈中部附近的效率將急劇下降，甚至可能為零。載流線圈越長、鐵芯導磁率越低、橫斷面積越小、動子磁體越短，這一現象就越嚴重。
因此，上述《直線電機原理與應用》一書中所介紹的定子單繞組線圈的直線電機只能是短行程的直線電機。而且即使在較短行程的小型化(鐵芯橫截面積較小)直線電機中，這種電機的效率也是很差的。如何提高這種直線電機的效率，使得當有效行程與動磁體的最大線度之比很大時(例如十倍以上)，電機仍然能夠正常工作，并保持較高的效率，是這種動鐵型直線電機需要解決的問題。
本發明正是基于解決以上問題而提出一種長行程、高效率的動鐵型直流直線電機的設計方案，即在需要動子運動時，只讓靠近動子磁體周圍的那部分繞組成為載流線圈，同時載流線圈還會在受控之下采用步進式方式順序移動(線圈本身并不運動，但通有直流電流的載流線圈的順序位置卻受控而逐個地順序隨動)，從而使得直線電機的磁動子也跟隨運動。這樣就同時解決了這種動鐵式直流直線電機的長行程問題和效率問題。
發明內容
本發明是這樣實現的繞在定子鐵芯(2)上的定子繞組(3)是由至少兩段的若干分段繞組(4)一個接著一個順序排列(包括可以采取兩兩搭接排列)的，定子鐵芯(2)和定子繞組(3)為主件共同構成多繞組長定子(1)。每個分段繞組(4)都將其線圈端部的導線頭引出，把每段繞組的同名導線端都接到一條公共端(12)上，連同每段繞組的另一端一起經電纜送到直線電機的分段繞組順序控制電路(10)，讓該控制電路來對這些引出線進行控制。該控制的特點一是可以根據運動方向需要而顛倒進入各分段繞組(4)的電流方向，二是可以按照線圈段所處位置的秩序進行步進式的電流順序切換和控制。即總是讓永磁動子(5)所處位置的線圈段和前行方向的一個線圈段通電，而讓在運動中掉到永磁動子后邊的線圈段斷電。這樣就縮短了實際上有電流通過的載流線圈的軸向尺寸，使載流線圈的軸向尺寸接近于永磁動子(5)的軸向尺寸。于是由永磁動子(5)進入載流線圈表面的磁通量就將遠大于返回時穿出載流線圈表面的磁通量，即通過載流線圈的磁通向量之和將遠大于零，因此永磁動子(5)所受到的力(等于線圈所受的安培力的合力而方向相反)在整個有效行程中都較為均勻，其效率也就得以大大提高。
本發明的有益效果是1、在理論上可以把動子的有效行程無限延長，實際當中也可以把動子的有效行程和動子的最大線度之比設計得很大(可以做到遠大于10)。2、其動子在整個有效行程中效率都可以較高。3、動子在運行中沒有出力為零的死點問題。4、可根據實際需要而靈活設計動、定子的相對位置，既可以設計成外定子、內動子式，又可以設計成內定子、外動子式。5、在一定條件下可以部分或全部省去副定子，從而成為對外開放式動子，以適應某些實際的需要。6、從目前的技術來看，因交流電很容易經整流而變成直流電，而直流電逆變為穩定的交流電卻并不簡單。由于本發明本身需要用直流電(僅在運動方向顛倒時需要改變電流方向)，因此只需在供電部分增加整流電路，就可以用在交流供電線路上，成為無電刷、無電纜的通用型直線電機。
下面就本發明的結構要點進行說明。
圖1是本發明的一種“內定子、外動子”式設計的原理結構剖面圖，也是實施例一的結構縱剖面示意圖。
圖2為實施例一中的圓管狀動子結構示意圖。
圖3為本發明中的長行程直流直線電機的線圈分段繞組順序控制電路(10)的控制原理圖。本例僅為采用電磁繼電器控制的一個實施例。圖中的繼電器線圈的驅動電路為電子線路，本圖僅出示其中的繼電器輸出觸點施于直線電機線圈段的控制原理圖。
圖4為本發明的一種“外定子、內動子”式設計的橫斷面結構示意圖。
各圖中的編號說明多繞組長定子(1)；鐵磁材料制造的定子鐵芯(2)；定子繞組(3)；分段繞組(4)；永磁動子(5)；動子固件(6)；定子護層(7)；永磁體磁極N極(N)；永磁體磁極S極(S)。
附圖3中的編號補充說明線圈分段繞組順序控制電路(10)；線圈段編號n1、n2、n3、n4、n5、n6、n7、n8(注它們僅代表一部分定子線圈段)；線圈段公共接線端(12)；直流電源正極V+；直流電源負極V-；磁極北極N；磁極南極S；上行方向繼電器常開觸點(Js)；下行方向繼電器常開觸點(Jx)；編號為n1的線圈段控制繼電器常開觸點(J1)；編號為n2的線圈段控制繼電器常開觸點(J2)；編號為n3的線圈段控制繼電器常開觸點(J3)；編號為n4的線圈段控制繼電器常開觸點(J4)；編號為n5的線圈段控制繼電器常開觸點(J5)；編號為n6的線圈段控制繼電器常開觸點(J6)；編號為n7的線圈段控制繼電器常開觸點(J7)；編號為n8的線圈段控制繼電器常開觸點(J8)；其余以此編號規律類推(未畫出)。
具體實施例方式
實施例一本實施例是一種“內定子、外動子”式對外開放型長定子直線電機設計一例。圖1是這種采用閉合圓管狀永磁動子的直線電機剖面圖，圖2是它所配的閉合圓管狀動子結構示意圖，圖3是線圈的分段繞組順序控制電路(10)的原理圖。
在多繞組長定子(1)的內芯是一根斷面呈圓形的長棒狀軟磁材料柱體芯(2)，它的外面一段接一段地緊密套著多段線圈繞組(3)，線圈繞組(3)的每一分段繞組(4)都有兩個端部引線，把每一分段繞組中的一個同名端引線接在一起形成分段繞組公共接線端(12)，并同每個分段繞組的另一端引線一起從長定子(1)的端部引出。定子繞組(3)的外面是一層薄而表面光滑的定子護層(7)，其材料可以是塑料、塑膠、尼龍、鋁合金等非磁性材料。以上的總體結構便構成了多繞組長定子(1)。永磁動子(5)采用圓管狀結構，最好采用整體徑向充磁的稀土釹鐵硼永磁，也可以是由幾個徑向相同充磁的瓦狀永磁體組合而成。圖2所示即為采用三個瓦狀永磁體組合而成的永磁動子，其內表面為磁極S極，外表面為磁極N極(如果顛倒磁極，則動子運動方向將與本例相反)。本發明中直線電機控制器具有一個特殊功能，即可以“對各分段繞組(4)實施電流方向的控制和對其實施逐段步進式的、按照各分段繞組位置秩序進行的電流順序切換控制”，這一原理可參見圖3，說明如下設永磁動子(5)所處位置在n4號和n5號線圈兩者的中部位置。如果欲令其上行，則可令控制器內的上行繼電器Js吸合(同時Jx為釋放態)，同時令線圈繼電器J4和J5吸合。此時的載流線圈為n4號和n5號線圈。當永磁動子(5)因受安培力的反作用力上行而離開第n4號線圈時，令繼電器J6吸合而令繼電器J4釋放，則第n4號線圈斷電，第n6號線圈成為載流線圈。于是永磁動子(5)繼續上行到離開第n5號線圈時，又令繼電器J7吸合而令繼電器J5釋放……。如此即可一直讓永磁動子(5)運動到上行的終端。反之，如果此時欲令其下行，則可令控制電路的下行繼電器Jx吸合(同時Js為釋放態)，如果再同時令線圈繼電器J5和J4吸合，此時因Jx的吸合顛倒了線圈的電流方向，從而顛倒了動子的受力方向，則永磁動子(5)將向下行。當永磁動子(5)因下行而離開第n5號線圈時，令繼電器J3吸合而令繼電器J5釋放，則第n5號線圈斷電，第n3號線圈成為載流線圈。于是永磁動子(5)繼續下行到離開第n4號線圈時，又令繼電器J2吸合而令繼電器J4釋放……。如此即可一直讓磁動子(5)運動到下行的終端。
就象上述那樣，按照各分段線圈繞組的位置順序實施步進式切換，每次總保持兩相鄰線圈段通電成為載流線圈。實際上可根據分段線圈和動子磁體的長短、控制精度等因素來設計需要幾個相鄰的線圈段為載流線圈段，可以是一個、兩個，或三個、四個甚至多個。在一定范圍內，線圈段數量越多、且載流線圈的長度越接近永磁動子的長度，則控制精度越高。而載流線圈的步進速度越快，動子(5)的運動速度也就越快。各線圈繼電器也可采用電子開關來代替。例如可以采用光耦合式雙向型固態繼電器來代替電磁式的線圈繼電器(圖3中的J1至J8)。線圈繼電器的步進順序切換信號，既可以采取較簡單的電子自動順序切換，也可以采用較復雜的、裝有動子位置傳感器(如霍爾元件、電容式傳感器、光電式傳感器、接近開關等)的電子順序切換方案。而直線電機控制器的內部電路可以采用數字集成電路控制式，或單片機控制式，甚至采用微機控制等等，但最終輸出到線圈段的控制方式必須遵循“按分段繞組的位置秩序進行步進式的電流順序切換控制”這一技術。
實施例二本實施例是前述型式的結構變形式，即“外定子、內動子”式，其示意圖見圖4。因僅作斷面示意，圖中只能看出定子鐵芯(2)、一個分段繞組(4)和永磁動子(5)。本例的多繞組長定子(1)處在永磁動子(5)的外部，繞線定子內的鐵芯(2)由硅鋼片沖壓成固定形狀后迭制而成。在鐵芯上繞制一個線圈分段繞組(4)，然后把線頭引出，就構成繞線定子中的一節線圈段定子。圖4所示的定子就是整個多繞組長定子(1)中的一節。象這樣結構的線圈段定子由若干節順序排列，就成為多繞組長定子(1)，它們的所有線圈段引出線都象實施例一那樣由線圈的分段繞組順序控制電路(10)對其進行步進式的、按其線圈段的位置秩序進行的電流順序切換控制。本例中的動子磁體(5)為整塊矩形磁體，它置于定子腔內，磁體靠向定子的左、右表面各是一個磁極。它可以沿多繞組長定子(1)的內腔表面作定子長軸方向的運動。
在“內定子、外動子”的這種設計形式中，也都可以在整個長行程直流直線電機外面、盡可能靠近永磁動子(5)的外表面固定安裝一個鐵磁材料制成的副定子。此時的副定子還同時兼有直線電機的外防護罩的功能。另外，動子磁體可以是單磁體或多磁體組合而成，定子和動子也可有多種相互匹配的設計形式和形狀。既可以設計成多繞組長定子(1)在內、永磁動子(5)在外，也可以設計成多繞組長定子(1)在外、永磁動子(5)在內。但無論結構如何千變萬化，只要動子的行程比動子本身的長度長得多，長繞線定子的線圈就有必要分成至少兩段以上的若干段繞制，并按照上述的電路控制方法，采取步進式的、按分段繞組位置秩序進行的電流順序切換控制的技術來對該動磁式直流直線電機實施控制。而這一技術正是本發明的特征所在。
權利要求
1.一種長行程動鐵型直流直線電機，包括定子、動子和控制裝置，其特征在于至少有一個多繞組長定子(1)，它包括定子鐵芯(2)和按秩序緊密排列的至少兩段以上的若干段分段繞組(4)；每個分段繞組(4)的末端都有兩根引出導線，控制裝置中至少包含有一個分段繞組順序控制電路(10)能夠利用這些引出導線，對各分段繞組(4)實施電流方向的控制和對其實施逐段步進式的、按照各分段繞組位置秩序進行的電流順序切換控制。
2.如權利要求1所述的長行程動鐵型直流直線電機，其特征在于至少有一個永磁動子(5)靠近多繞組長定子(1)，并沿其長軸方向可動。
全文摘要
長行程動鐵型直流直線電機，其動子由永磁體構成，由若干段分段繞組順序繞制并排列成為多繞組長定子，再通過專控電路對這些分段繞組實施步進式的順序電流切換控制，從而解決了動鐵型直流直線電機在長行程時的出力小、效率低的問題。
文檔編號H02K41/035GK1684347SQ20041003456
公開日2005年10月19日 申請日期2004年4月17日 優先權日2004年4月17日
發明者戴開煌, 王燦 申請人:戴開煌, 王燦