專利名稱：模塊化、長(zhǎng)行程電磁直線執(zhí)行器及其電流換相技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種直線執(zhí)行器及其電流換相技術(shù)，特別是一種適用于長(zhǎng)行程、高速和高精度的直線執(zhí)行器(直線電機(jī))及其電流換相技術(shù)。
背景技術(shù)：
電磁直線執(zhí)行器是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)械能而不需通過中間任何轉(zhuǎn)換裝置的元件，它具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、磨損少、噪音低、組合性強(qiáng)、維護(hù)方便等優(yōu)
點(diǎn)ο電磁直線執(zhí)行器有著多種類型或結(jié)構(gòu)形式，本文是在一種已獲專利授權(quán)的動(dòng)圈式直線執(zhí)行器(常思勤，劉梁.高功率密度的動(dòng)圈式永磁直線電機(jī)中國(guó)，2007 10132009. 8) 的基礎(chǔ)上進(jìn)一步的改進(jìn)，克服其有限行程的不足之處。永磁直線同步電機(jī)由于存在推力波動(dòng)、齒槽效應(yīng)、端部效應(yīng)等非線性因素，影響了高精度的運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)。近年來通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化(如初級(jí)長(zhǎng)度變化、磁極斜排等)或控制算法的改進(jìn)(推力波動(dòng)的補(bǔ)償和抑制)來減小推力波動(dòng)的問題成為研究的熱點(diǎn)之一。而執(zhí)行精度較高的永磁直線直流電機(jī)(如音圈電機(jī))由于磁場(chǎng)分布、加工水平和工藝等原因，行程往往很小，應(yīng)用于特定的場(chǎng)合。如何兼顧長(zhǎng)行程和高速高精度的直線運(yùn)動(dòng)要求是電磁直線執(zhí)行器技術(shù)發(fā)展及得到更廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。例如作為六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的致動(dòng)器，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)形式的直線電機(jī)難以達(dá)到其較高的技術(shù)要求。目前有一種利用雙層臺(tái)的疊層方式實(shí)現(xiàn)大行程高速高精度運(yùn)動(dòng)的方案，下層臺(tái)為大行程高速運(yùn)動(dòng)的粗動(dòng)臺(tái)，上層臺(tái)為小行程高精度的精動(dòng)臺(tái)。但粗精疊層工作臺(tái)在運(yùn)動(dòng)方向構(gòu)成冗余，且增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種長(zhǎng)行程電磁直線執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)及其電流換相技術(shù)，通過多模塊的集成以及電流換相技術(shù)使其行程理論上可達(dá)無限長(zhǎng)，并能夠有效地減小推力波動(dòng)，使其達(dá)到高速、高精度的性能要求。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種模塊化、長(zhǎng)行程電磁直線執(zhí)行器，包括線圈組、線圈組骨架、外磁軛、若干勵(lì)磁模塊，所述若干勵(lì)磁模塊軸向排列，勵(lì)磁模塊的外周設(shè)置外磁軛，勵(lì)磁模塊與外磁軛之間設(shè)置線圈組骨架，線圈組骨架上繞有等間隔排列的等寬線圈組，線圈組中相鄰線圈的間距與單個(gè)線圈的寬度相同，上述線圈組、線圈組骨架、外磁軛為同軸心線的圓筒形，線圈組、線圈組骨架可沿軸向方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，勵(lì)磁模塊在氣隙內(nèi)產(chǎn)生均勻的徑向磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)模塊與線圈組相連，并在控制器的控制下調(diào)節(jié)線圈組的電流大小及方向。勵(lì)磁模塊的功能為在氣隙內(nèi)產(chǎn)生基本均勻的徑向磁場(chǎng)，其具體形式可以有多種。一種模塊化、長(zhǎng)行程電磁直線執(zhí)行器的換相技術(shù)，控制器通過驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行電流換相控制，其中第一線圈與第三線圈同時(shí)導(dǎo)通或者第二線圈與第四線圈同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)導(dǎo)通的兩個(gè)線圈電流方向相反，通過控制線圈的導(dǎo)通順序以及導(dǎo)通線圈的電流方向從而控制線圈組骨架的運(yùn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)行程的直線運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為1)發(fā)明的電磁直線執(zhí)行器氣隙磁場(chǎng)密度分布均勻，控制特性好，有效地減小了推力波動(dòng)，有利于高精度運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)；2)功率密度高，具備高速運(yùn)動(dòng)的能力；3)采用多個(gè)勵(lì)磁模塊軸向排列以及電流換相技術(shù)，電磁直線執(zhí)行器的行程可達(dá)無限長(zhǎng)。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。


圖1為本發(fā)明的長(zhǎng)行程電磁直線執(zhí)行器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的長(zhǎng)行程電磁直線執(zhí)行器一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為直線運(yùn)動(dòng)引出結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為長(zhǎng)行程電磁直線執(zhí)行器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖5為長(zhǎng)行程電磁直線執(zhí)行器功率逆變橋電路圖。
具體實(shí)施例方式結(jié)合圖1，本發(fā)明的一種模塊化、長(zhǎng)行程電磁直線執(zhí)行器，包括氣隙1、線圈組2、線圈組骨架3、外磁軛4、若干勵(lì)磁模塊5，所述若干勵(lì)磁模塊5軸向排列，勵(lì)磁模塊的外周設(shè)置外磁軛4，勵(lì)磁模塊5與外磁軛4之間形成氣隙1，氣隙內(nèi)設(shè)置線圈組骨架3，線圈組骨架3 上繞有等間隔排列的等寬線圈組2，線圈組骨架3上線圈的數(shù)量為4個(gè)，線圈組2中相鄰線圈的間距與單個(gè)線圈的寬度相同，上述線圈組2、線圈組骨架3、外磁軛4為同軸心線的圓筒形，線圈組2、線圈組骨架3可沿軸向方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，勵(lì)磁模塊5在氣隙1內(nèi)產(chǎn)生均勻的徑向磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)模塊7與線圈組2相連，并在控制器6的控制下調(diào)節(jié)線圈組2的電流大小及方向。勵(lì)磁模塊5的數(shù)量為3+n個(gè)，η為不小于0的整數(shù)。結(jié)合圖2，每個(gè)勵(lì)磁模塊包括兩個(gè)圓錐臺(tái)狀的永磁體8、內(nèi)磁軛9，內(nèi)磁軛9位于兩個(gè)永磁體8之間，永磁體8半徑大的底部朝外，內(nèi)磁軛9的外型面與永磁體8的外型面互補(bǔ)， 二者同軸心線，該軸心線與外磁軛4的軸心線重合，整個(gè)勵(lì)磁模塊呈圓柱體狀，該圓柱體外圓周面上永磁體8的高度為內(nèi)磁軛9的高度的六分之一，線圈組骨架3上單個(gè)線圈的寬度為勵(lì)磁模塊軸向高度的四分之一，上述永磁體8的磁化方向?yàn)檩S向，每個(gè)勵(lì)磁模塊中的兩個(gè)永磁體磁化方向相反，相鄰兩個(gè)勵(lì)磁模塊中相緊靠的永磁體磁化方向相同。勵(lì)磁模塊的數(shù)量?jī)?yōu)選三個(gè)，線圈組骨架3上線圈的數(shù)量?jī)?yōu)選四個(gè)。線圈組由4個(gè)匝數(shù)相等的線圈組成，固定在線圈骨架內(nèi)，線圈組和線圈骨架合稱為動(dòng)子，可在氣隙內(nèi)作直線運(yùn)動(dòng)。其中第一線圈A和第三線圈X繞向相反串聯(lián)組成第一相繞組，第二線圈B和第四線圈Y繞向相反串聯(lián)組成第二相繞組。不同繞向的線圈通電后所產(chǎn)生的電樞反應(yīng)在一定程度上可以互相抵消，可有效地減小電樞反應(yīng)。先給第一相繞組通正向電流，載流線圈在由永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)中受到電磁力，產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)；當(dāng)運(yùn)動(dòng)至換相位置處，將第一相繞組斷電(此時(shí)該相繞組稱為關(guān)斷相)，給第二相繞組通反向電流(此時(shí)該相繞組稱為開通相)，載流線圈在反向磁場(chǎng)中將沿著原先的運(yùn)動(dòng)方向繼續(xù)前進(jìn)。改變繞組中電流方向就可以改變其運(yùn)動(dòng)方向，通過調(diào)節(jié)電流大小就可以實(shí)現(xiàn)不同大小的推力或功率的輸出。簡(jiǎn)而言之，在換相位置處對(duì)電流換相過程進(jìn)行控制，根據(jù)電磁直線執(zhí)行器的運(yùn)行速度， 高速運(yùn)行時(shí)降低關(guān)斷相的電流下降速度，低速運(yùn)行時(shí)降低開通相的電流上升速度，保證換相時(shí)關(guān)斷相的電流下降速度與開通相的電流上升速度一致，消除由電流換相引起的推力波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平滑的推力輸出。內(nèi)磁軛外圓面的高度是永磁體外圓面高度的6倍，各線圈的寬度與兩線圈之間的間距相等，且為內(nèi)磁軛外圓面高度的1/3，這樣可以保證任一時(shí)刻至少有一相繞組完全處于均勻的氣隙磁密中。動(dòng)子每移動(dòng)兩倍于線圈寬度的距離，便進(jìn)行一次電流換相。線圈組骨架中部開一鍵槽，嵌入聯(lián)接件10，并穿過外磁軛上沿軸線方向的狹長(zhǎng)通槽與外部直線導(dǎo)軌11的軸承相連，將線圈組的直線運(yùn)動(dòng)引出，如圖3所示。長(zhǎng)行程電磁直線執(zhí)行器的控制系統(tǒng)由控制器20、功率驅(qū)動(dòng)模塊30、執(zhí)行器40和傳感器模塊50組成，如圖4所示。其中控制器20為數(shù)字信號(hào)處理器，功率驅(qū)動(dòng)模塊30包括驅(qū)動(dòng)器和功率逆變橋，執(zhí)行器40為本發(fā)明的長(zhǎng)行程電磁直線執(zhí)行器，傳感器模塊50包括電流傳感器和位移傳感器。傳感器模塊50與執(zhí)行器40、控制器20相連接，傳感器模塊50檢測(cè)執(zhí)行器40的電流量、位置量，并將此電流、位置信號(hào)提供給控制器20 ；控制器20與傳感器模塊50、功率驅(qū)動(dòng)模塊30相連接，控制器20根據(jù)傳感器模塊50提供的電流、位置信號(hào)， 給出開關(guān)邏輯和脈寬調(diào)制信號(hào)，并通過功率驅(qū)動(dòng)模塊30中的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行信號(hào)放大，對(duì)功率逆變橋中的功率開關(guān)管進(jìn)行開關(guān)控制；功率驅(qū)動(dòng)模塊30與控制器20、執(zhí)行器40相連接，功率驅(qū)動(dòng)模塊30根據(jù)控制器20提供的開關(guān)邏輯和脈寬調(diào)制信號(hào)，對(duì)執(zhí)行器40的相電流進(jìn)行控制。一種模塊化、長(zhǎng)行程電磁直線執(zhí)行器的換相技術(shù)，電磁直線執(zhí)行器通過功率逆變橋進(jìn)行電流換相，功率逆變橋控制線圈電流的通斷及其方向，其中第一線圈A與第三圈X同時(shí)導(dǎo)通或者第二線圈B與第四線圈Y同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)導(dǎo)通的兩個(gè)線圈電流方向相反；通過控制線圈的導(dǎo)通順序以及導(dǎo)通線圈的電流方向從而控制線圈組骨架3的運(yùn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)行程的直線運(yùn)動(dòng)。如圖5所示，兩相繞組分別由兩個(gè)功率逆變橋進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)功率逆變橋并聯(lián)，由同一個(gè)直流電源供電。功率逆變橋一 31由第一功率開關(guān)管K11、第二功率開關(guān)管K12、 第三功率開關(guān)管K13、第四功率開關(guān)管K14組成；功率逆變橋二 32由第五功率開關(guān)管K21、 第六功率開關(guān)管K22、第七功率開關(guān)管K23、第八功率開關(guān)管K24組成。功率逆變橋一 31 的輸出端與第一相繞組(Phase 1)的兩端相連，功率逆變橋二 32的輸出端與第二相繞組 (Phase 2)的兩端相連。模塊化、長(zhǎng)行程電磁直線執(zhí)行器的電流換相技術(shù)包括電流換相邏輯以及換相期間電流控制方法。如圖2所示，整個(gè)電磁直線執(zhí)行器的長(zhǎng)度為120mm，每個(gè)勵(lì)磁模塊的長(zhǎng)度為 40mm，外磁軛的長(zhǎng)度為120mm，每個(gè)線圈的寬度為10mm。電流換相邏輯詳述如下
第一步，動(dòng)子處于圖2所示的初始位置，即圖2中χ = 5 mm處。開通第一功率開關(guān)管 K11、第三功率開關(guān)管K13，關(guān)斷第二功率開關(guān)管K12、第四功率開關(guān)管K14以及功率逆變橋二 32中的所有功率開關(guān)管，即給第一相繞組(Phase 1)通正向電流，第二相繞組(Phase 2) 電流為零。動(dòng)子在電磁力的作用下開始作直線運(yùn)動(dòng)。第二步，動(dòng)子運(yùn)動(dòng)到第一換相位置，即圖2中χ = 25 mm處。開通第六功率開關(guān)管K22、第八功率開關(guān)管K24，關(guān)斷第五功率開關(guān)管K21、第七功率開關(guān)管K23以及功率逆變橋
一31中的所有功率開關(guān)管，即給第二相繞組(Phase 2)通反向電流，第一相繞組(Phase 1) 電流為零。動(dòng)子在電磁力的作用下按原先的運(yùn)動(dòng)方向作直線運(yùn)動(dòng)。第三步，動(dòng)子運(yùn)動(dòng)到第二換相位置，即圖2中χ = 45 mm處。開通第二功率開關(guān)管 K12、第四功率開關(guān)管K14，關(guān)斷第一功率開關(guān)管K11、第三功率開關(guān)管K13以及功率逆變橋
二32中的所有功率開關(guān)管，即給第一相繞組(Phase 1)通反向電流，第二相繞組(Phase 2) 電流為零。動(dòng)子在電磁力的作用下繼續(xù)按原先的運(yùn)動(dòng)方向作直線運(yùn)動(dòng)。第四步，動(dòng)子運(yùn)動(dòng)到第三換相位置，即圖2中χ = 65 mm處。開通第五功率開關(guān)管 K21、第七功率開關(guān)管K23，關(guān)斷第六功率開關(guān)管K22、第八功率開關(guān)管K24以及功率逆變橋一 31中的所有功率開關(guān)管，即給第二相繞組(Phase 2)通正向電流，第一相繞組(Phase 1) 電流為零。動(dòng)子在電磁力的作用下繼續(xù)按原先的運(yùn)動(dòng)方向作直線運(yùn)動(dòng)。第五步，動(dòng)子運(yùn)動(dòng)到第四換相位置，即圖2中χ = 85 mm處。此時(shí)動(dòng)子所處的磁場(chǎng)狀態(tài)與初始位置完全相同，重復(fù)第一步到第四步，動(dòng)子將沿著同一方向持續(xù)運(yùn)動(dòng)。換相期間電流控制方法詳述如下
以第二步所處的換相位置的電流換相過程為例。換相前，開通的第一功率開關(guān)管Kll 以占空比Dl進(jìn)行脈寬調(diào)制。換相時(shí)，先判斷電磁直線執(zhí)行器的運(yùn)行速度，若高速運(yùn)行，則開通的第一功率開關(guān)管Kll以占空比D2進(jìn)行脈寬調(diào)制，開通的第六功率開關(guān)管K22保持恒通；若低速運(yùn)行，則關(guān)斷第一功率開關(guān)管K11，開通的第六功率開關(guān)管K22以占空比D3進(jìn)行脈寬調(diào)制。換相后，開通的第六功率開關(guān)管K22以占空比Dl進(jìn)行脈寬調(diào)制。這樣電流就從第一相繞組(Phase 1)換到了第二相繞組(Phase 2)，也即第一相繞組(Phase 1)電流下降為零、第二相繞組(Phase 2)電流上升至換相前第一相繞組(Phase 1)的電流值，且換相期間第一相繞組(Phase 1)的電流下降速度與第二相繞組(Phase 2)的電流上升速度一致。 其余換相位置的電流換相過程與此類似。
權(quán)利要求
1.一種模塊化、長(zhǎng)行程電磁直線執(zhí)行器，其特征在于，包括線圈組[2]、線圈組骨架 [3]、外磁軛W]、若干勵(lì)磁模塊[5]，所述若干勵(lì)磁模塊[5]軸向排列，勵(lì)磁模塊[5]的外周設(shè)置外磁軛W]，勵(lì)磁模塊[5]與外磁軛[4]之間形成氣隙[1]，氣隙內(nèi)設(shè)置線圈組骨架 [3]，線圈組骨架[3]上繞有等間隔排列的等寬線圈組[2]，線圈組骨架[3]上線圈的數(shù)量為4個(gè)，線圈組[2]中相鄰線圈的間距與單個(gè)線圈的寬度相同，上述線圈組[2]、線圈組骨架[3]、外磁軛[4]為同軸心線的圓筒形，線圈組[2]、線圈組骨架[3]可沿軸向方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，勵(lì)磁模塊[5]在氣隙[1]內(nèi)產(chǎn)生均勻的徑向磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)模塊[7]與線圈組[2]相連，并在控制器W]的控制下調(diào)節(jié)線圈組[2]的電流大小及方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化、長(zhǎng)行程電磁直線執(zhí)行器，其特征在于，勵(lì)磁模塊[5] 的數(shù)量為3+n個(gè)，η為不小于0的整數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的模塊化、長(zhǎng)行程電磁直線執(zhí)行器，其特征在于，勵(lì)磁模塊 [5]包括兩個(gè)圓錐臺(tái)狀的永磁體[8]、內(nèi)磁軛[9]，內(nèi)磁軛[9]位于兩個(gè)永磁體[8]之間，永磁體[8]半徑大的底部朝外，內(nèi)磁軛[9]的外型面與永磁體[8]的外型面互補(bǔ)，二者同軸心線，該軸心線與外磁軛W]的軸心線重合，整個(gè)勵(lì)磁模塊呈圓柱體狀，該圓柱體外圓周面上永磁體[8]的高度為內(nèi)磁軛[9]的高度的六分之一，線圈組骨架[3]上單個(gè)線圈的寬度為勵(lì)磁模塊軸向高度的四分之一，上述永磁體[8]的磁化方向?yàn)檩S向，每個(gè)勵(lì)磁模塊中的兩個(gè)永磁體磁化方向相反，相鄰兩個(gè)勵(lì)磁模塊中相緊靠的永磁體磁化方向相同。
4.一種基于權(quán)利要求1或2所述模塊化、長(zhǎng)行程電磁直線執(zhí)行器的電流換相技術(shù)，其特征在于，四個(gè)線圈中第一線圈[Α]與第三線圈[X]同時(shí)導(dǎo)通或者第二線圈[B]與第四線圈 [Y]同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)導(dǎo)通的兩個(gè)線圈電流方向相反，通過控制線圈的導(dǎo)通順序以及導(dǎo)通線圈的電流方向從而控制線圈組骨架[3]的運(yùn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)行程的直線運(yùn)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種模塊化、長(zhǎng)行程電磁直線執(zhí)行器及其電流換相技術(shù)，電磁直線執(zhí)行器包括線圈組、線圈組骨架、外磁軛、若干勵(lì)磁模塊，所述若干勵(lì)磁模塊軸向排列，勵(lì)磁模塊的外周設(shè)置外磁軛，勵(lì)磁模塊與外磁軛之間設(shè)置線圈組骨架，線圈組骨架上繞有等間隔排列的等寬線圈組，線圈組中相鄰線圈的間距與單個(gè)線圈的寬度相同，上述線圈組、線圈組骨架、外磁軛為同軸心線的圓筒形，勵(lì)磁模塊的功能為在氣隙內(nèi)產(chǎn)生基本均勻的徑向磁場(chǎng)，可以有多種形式。本發(fā)明的電磁直線執(zhí)行器氣隙磁場(chǎng)密度分布均勻，控制特性好，有效地減小了推力波動(dòng)，有利于高精度運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)，通過若干勵(lì)磁模塊的軸向排列以及電流換相技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)模塊化、長(zhǎng)行程的直線運(yùn)動(dòng)。
文檔編號(hào)H02K41/03GK102480210SQ201010557178
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月24日
發(fā)明者常思勤, 施昕昕 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)