行程控制装置及直线电机的制作方法
【专利摘要】本实用新型适用于行程控制领域，提供了一种行程控制装置及使用该行程控制装置的直线电机。该行程控制装置，包括机壳、安装于机壳中的支撑轴、安装于支撑轴上的导磁臂、缠绕于导磁臂上的控制线圈、与导磁臂配合相互作用的若干导磁环和分隔相邻两导磁环的若干隔离环，导磁环与隔离环交替层叠设置，各导磁环与各隔离环固定于机壳中。使用交替层叠设置的导磁环与隔离环，并在导磁臂上缠绕控制线圈，可以通过调节控制线圈的磁力与导磁环的相互作用来控制导磁臂的位置，控制准确；该结构可以将导磁臂和控制线圈制作较小，并且将导磁环与隔离环结构制作较小，实现行程控制装置体积的小型化，并且也无需外接动力电机或马达，更为省电。
【专利说明】
行程控制装置及直线电机
技术领域
[0001]本实用新型属于行程控制领域，尤其涉及一种行程控制装置及使用该行程控制装置的直线电机。
【背景技术】
[0002]现有直线电机、数控机床等移动设备一般会用到行程控制装置。直线电机也称线性电机，其原理为:直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成。现有技术的行程控制装置一般使用蜗轮蜗杆机构、丝杆传动机构等。然而这种行程控制装置体积和重量较大，并且在控制时还需要提供外部动力电机或马达，耗电量大，控制精度低。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型的目的在于提供一种行程控制装置，旨在解决现有行程控制装置体积和重量较大，需要提供外部动力电机或马达，耗电量大，控制难度大的问题。
[0004]本实用新型是这样实现的，一种行程控制装置，包括机壳、安装于所述机壳中的支撑轴、安装于所述支撑轴上的导磁臂、缠绕于导磁臂上的控制线圈、与所述导磁臂配合相互作用的若干导磁环和分隔相邻两所述导磁环的若干隔离环，所述导磁环与所述隔离环交替层叠设置，各所述导磁环与各所述隔离环固定于所述机壳中。
[0005]进一步地，所述导磁臂包括沿所述支撑轴的轴向层叠设置的若干导磁片和隔离相邻两片所述导磁片的若干绝缘片。
[0006]进一步地，相邻的一片所述导磁片与一片所述绝缘片的厚度之和与相邻的一片所述导磁环与一片所述隔离环的厚度之和相等。
[0007]进一步地，所述导磁臂成对设置，且所述导磁臂为至少一对，每对的两个所述导磁臂分别设于所述支撑轴的相对两侧。
[0008]进一步地，各所述导磁环与各所述隔离环均呈圆筒状，所述导磁臂远离所述支撑轴的一端呈与所述导磁环配合的圆弧形。
[0009]进一步地，各所述导磁环向内均匀凸设有若干第一凸齿，所述导磁臂远离所述支撑轴的一端凸设有若干第二凸齿;沿所述导磁环的径向:相邻两所述第一凸齿的间距与相邻两所述第二凸齿的间距相等。
[0010]进一步地，所述导磁臂上靠近所述支撑轴的一端设有永磁体。
[0011]本实用新型的行程控制装置使用交替层叠设置的导磁环与隔离环，设置导磁臂，并在导磁臂上缠绕控制线圈，可以通过控制线圈的磁力与导磁环的相互作用控制导磁臂的位置，控制准确；另外，该结构可以将导磁臂和控制线圈制作较小，并且将导磁环与隔离环结构制作较小，实现行程控制装置体积的小型化，并且也无需外接动力电机或马达，更为省电。
[0012]本实用新型的另一目的在于提供一种直线电机，包括如上所述的行程控制装置，所述支撑轴上安装有转子，所述转子包括安装于所述支撑轴上的支撑骨架和用于产生驱动磁场的驱动线圈，所述驱动磁场沿所述支撑轴的轴向，所述驱动线圈缠绕于所述支撑骨架上，所述隔离环为导电而不导磁的环片。
[0013]进一步地，还包括控制所述驱动线圈的控制电路，所述控制电路包括开关电路、连接所述开关电路两端的电容和对所述电容充电的供电电路。
[0014]进一步地，所述导磁环的内表面与所述隔离环的内表面配合形成光栅标尺，所述支撑骨架中开设有容置腔，所述容置腔中设有配合所述光栅标尺检测所述转子移动位置的光栅检测装置。
[0015]本实用新型的直线电机使用了上述行程控制装置，并且将隔离环使用导电而不导磁材料制成的环片，则导磁环与隔离环可以形成定子结构，并可以将其体积制作较小，而转子的驱动线圈产生沿支撑轴轴向的驱动磁场，当驱动线圈通过电流脉冲时，定子中会产生的感应电流，进而产生与上述驱动磁场相反的磁场，以驱动转子移动，因而该直线电机可以实现快速响应;驱动线圈通过较大瞬时脉冲电流时，可以产生较大的动力;该直线电机使用了上述行程控制装置，也可以方便控制该直线电机的行程。
【附图说明】
[0016]图1是本实用新型实施例一提供的一种行程控制装置的剖视结构示意图；
[0017]图2是沿图1中A-A线的剖视结构示意图；
[0018]图3是图1中N部分的放大结构示意图；
[0019]图4是图1的直线电机中转子的导磁环偏移到定子上邻近的第二导磁环一侧时的受力示意图；
[0020]图5是图1的直线电机中转子的导磁环偏移到定子上邻近的第二导磁环另一侧时的受力不意图；
[0021]图6是图1的转子在定子中移动时，导磁环受力示意图；
[0022]图7是图1的直线电机中转子与定子间受力平均位置的示意图。
[0023]图8是本实用新型实施例二提供的一种行程控制装置的剖视结构示意图；
[0024]图9是沿图8中G-G线的剖视结构示意图。
[0025]图10是本实用新型实施例三提供的一种直线电机的剖视结构示意图；
[0026]图11是图10的直线电机的驱动线圈的控制电路的原理图；
[0027]图12是图10的直线电机的驱动线圈的控制过程示意图，其中图a为控制驱动线圈的H桥桥臂栅极电压，图b为驱动线圈产生的力的大小，图c为直线电机的转子轴向运行速度，图d为控制线圈产生的力的大小。
[0028]图13是本实用新型实施例三提供的一种直线电机的剖视结构示意图。
【具体实施方式】
[0029]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0030]实施例一:
[0031]请参阅图1-图7，本实用新型实施例提供的一种行程控制装置10，包括机壳11、支撑轴13、若干导磁环21、若干隔离环22、导磁臂41和控制线圈42。支撑轴13安装在机壳11中，以使机壳11支撑住支撑轴13。若干导磁环21和若干隔离环22中:导磁环21与隔离环22交替层叠设置，导磁环21用于导磁;沿支撑轴13的轴向，设置一层导磁环21、一层隔离环22、一层导磁环21、一层隔离环22这样交替设置。控制线圈42缠绕于导磁臂41上，当控制线圈42通电时，可以产生控制磁场，再通过导磁臂41导向，进而可以吸合导磁环21，从而可以起到对导磁臂41进行定位的作用，进而实现行程控制。
[0032]行程控制装置10使用交替层叠设置的导磁环21与隔离环22，设置导磁臂41，并在导磁臂41上缠绕控制线圈42，可以通过控制线圈42的磁力与导磁环21的相互作用来控制导磁臂41的位置，控制准确；另外，该结构可以将导磁臂41和控制线圈42制作较小，并且将导磁环21与隔离环22结构制作较小，实现行程控制装置10体积的小型化，并且也无需外接动力电机或马达，更为省电。
[0033]进一步地，导磁臂41包括若干导磁片411和若干绝缘片412，导磁片411和绝缘片412交替层叠设置，且沿支撑轴13的轴向:设置一层导磁片411、一层绝缘片412、一层导磁片411、一层绝缘片412这样交替设置。各绝缘片412隔离相邻两片导磁片411。该结构设置的导磁臂41可以控制线圈42产生的控制磁场。进一步地，导磁片411可以为铁片、钢片、硅钢、电工纯铁、坡莫合金、金属纳米合金材料等导磁材料制作的片。绝缘片412可以为塑料片、树脂片等绝缘材料制作的片。当然，也可以在导磁片411上包裹绝缘漆等绝缘包层，再将这些包有绝缘包层的导磁片411叠合起来，形成导磁臂41。
[0034]请参阅图3-图7，进一步地，相邻的一片导磁片411与一片绝缘片412的厚度之和与相邻的一片导磁环21与一片隔离环22的厚度之和相等。当导磁片411的厚度为Dn，绝缘片412的厚度为D12，导磁环21的厚度为D21，隔离环22的厚度为D22，贝ljDn+D12 = D21+D22，则当向控制线圈42通电时，该结构可以实现自动定位锁定的功能。具体地，当导磁臂41中通过控制磁场B时，导磁环21中也会产生相应的磁场B，以与导磁臂41相互作用。请参阅图4，当导磁臂41的导磁片411位于邻近的导磁环21的左侧时，受到控制磁场向右的吸力F使用，则会向右移动。请参阅图5，当导磁臂41的导磁片411位于邻近的导磁环21的右侧时，受到控制磁场向左的吸力F使用，则会向左移动。请参阅图6和图7，当导磁臂41的导磁片411的中部与邻近的导磁环21的中部对齐时，如与图7中So、S2、S4位置对应时，导磁臂41的导磁片411受到控制磁场的吸力左右平衡或磁力F最小，此时导磁臂41的导磁片411处于稳态。而当导磁臂41的导磁片411的中部与邻近的绝缘环的中部对齐时，如与图7中S1、S3位置对应时，导磁臂41的导磁片411受到控制磁场的吸力也会左右平衡，但此时若导磁片411稍有偏移或受到外力作用，则会打破该平衡，使导磁臂41的导磁片411移动至邻近的导磁环21对应处。则当控制线圈42中通电时，可以起到减速，进而将导磁臂41定位，还可以根据导磁臂41与导磁环21的相对位置来使导磁臂41进行加速，调节更为准确。
[0035]请参阅图1、图2和图3，进一步地，导磁臂41成对设置，且导磁臂41为至少一对，每对的两个导磁臂41分别设于支撑轴13的相对两侧。将导磁臂41成对设置，可以使导磁臂41两侧的受力平稳，以使导磁臂41可以更平稳地沿支撑轴13移动。本实施例中，导磁臂41为两对，即导磁臂41为四个，且均匀分布支撑轴13的四周。在其它实施例中，导磁臂41也可以为其它对数，如三对、四对等等。在还有一些实施例中，导磁臂41也可以呈环形。
[0036]进一步地，导磁环21与隔离环22均呈圆环状，导磁臂41远离支撑轴13的一端415呈与导磁环21配合的圆弧形。将导磁臂41远离支撑轴13的一端415设置呈圆弧形，可以增大与导磁环21配合的面积，提高控制线圈42产生控制磁场的磁吸力。在其它实施例中，导磁环21与隔离环22均呈椭圆形或框状，而导磁臂41与导磁环21相配合的形状。
[0037]进一步地，可以将导磁臂41与导磁环21间的间隙设置较小，进而减少磁力损失，提高控制线圈42产生控制磁场的磁吸力。
[0038]进一步地，机壳11中安装有轴套12，并且轴套12套装在支撑轴13上。设置轴套12以支撑住支撑轴13，可以更好的减少支撑轴13磨损。
[0039]进一步地，导磁臂41上靠近支撑轴13的一端设有永磁体45。在导磁臂41上靠近支撑轴13的一端设置永磁体45，可以使导磁臂41上始终具有磁力，则当导磁臂41停止移动时，可以实现自动锁定作用。本实施例中，永磁体45呈套筒状，而导磁臂41固定在永磁体45上。
[0040]请参阅图1-图7，该实施例的控制线圈42断电时，导磁臂41上的磁场B在轴向上被导磁环21和导磁臂41的磁路部分的导磁材料和不导磁材料分割，即被导磁环21和导磁臂41的导磁片411分割。当导磁环21和导磁臂41的导磁材料之间的距离足够小，即导磁环21和导磁臂41的导磁片411之间的距离足够小时，如果导磁环21与邻近的导磁片411的轴向相对位置有偏移，磁场B将产生静态的磁力F使导磁臂41的保持在磁阻最小的位置上，这个位置也就是图4和图5中虚线所示的位置，偏离虚线位置的距离S和磁力F的大小关系如图6所示。图6和图7中SjPS3位置虽然作用力为0，但该位置为不稳定状态，只要外界有一点干扰，SjPS3的位置不能够保持。而So、S2、S4这些位置为稳定状态，只要施加在该导磁环21上的外部作用力小于最大静态的磁力F，导磁环21将保持这个相对位置，因此该行程控制装置10断电后有位置自动保持的功能。
[0041]当控制线圈42通电后，产生磁场和永磁体45的磁场相互叠加，将增强或者减弱导磁环21与导磁臂41之间整个磁路中的磁场。叠加磁场产生力的大小方向和叠加磁场的大小、导磁环21与导磁臂41之间的相对位置、导磁环21与导磁臂41之间的间隙大小有关，选择好磁路部分的长度、永磁体4 5磁场的大小、控制线圈42的Bi数，使叠加磁场产生的最大作用力大于行程控制装置10工作时承受的最大负荷。该作用力用于控制行程控制装置10轴向直线运动的位置和速度。静止时根据导磁环21与导磁臂41相对位置偏离磁阻最小位置的距离、控制线圈42电流的大小，以得到外界施加在行程控制装置10作用力的大小。由行程控制装置10的磁路的结构可知，该行程控制装置10轴向位置精度为D21+D22，轴向位置控制没有累积误差。而产生过程中，通过调节导磁环21和导磁臂41磁路材料的厚度，即导磁环21和导磁臂41的导磁片411的厚度和隔离环22与绝缘片412的厚度，来满足行程控制装置10的轴向位置控制精度要求。为了达到较高的控制性能，导磁环21和导磁臂41之间的安装间隙要求尽量小。而当导磁环21和导磁臂41和导磁材料和不导磁材料的厚度设置尽量小时，可以使该行程控制装置10的精度达到较高的精度，甚至可以达到Ιμπι的精度，当然，对于Ιμπι精度要求导磁臂41与导磁环21的间隙也要Ιμπι，否则间隙太大的话，控制线圈产生的控制力矩移动时几乎没有变化，所以行程控制装置的实际运动控制精度受限于导磁环与导磁臂之间的间隙大小，另外受限于导磁和非导磁材料的厚度限制。
[0042]实施例二:
[0043]请参阅图8和图9，本实施例的行程控制装置10与实施例一的行程控制装置的区别为:各导磁环21上向内凸设有若干第一凸齿23，这些第一凸齿23均匀分布在各导磁环21上；导磁臂41远离支撑轴13的一端415凸设有若干第二凸齿416;沿导磁环21的径向:相邻两第一凸齿23的间距与相邻两第二凸齿416的间距相等。在各导磁环21上设置第一凸齿23，在导磁臂41上设置第二凸齿416，可以形成步进电机的功能，通过第一凸齿23与邻近的第二凸齿416间的吸力作用，可以自动调整导磁臂41的径向位置。
[0044]进一步地，各隔离环22上对应于第一凸齿23的位置也凸设有隔离齿。设置隔离齿可以增加第一凸齿23的强度。
[0045]另外，本实施例的行程控制装置10包括三对导磁臂41。
[0046]本实施例的行程控制装置10的其它结构与实施例一的行程控制装置的其它结构相同，在此不再累赘。
[0047]实施例三:
[0048]请参阅图10、图11和图12，本实用新型实施例提供的一种直线电机100，包括如上所述的行程控制装置10和转子30，隔离环22用于导电而不导磁的材料制作的环片，则若干导磁环21和若干隔离环22可以形成该直线电机100的定子20结构。转子30可以滑动安装于定子20中，以便转子30可以在定子20中移动，并且转子30安装在支撑轴13上，可以通过支撑轴13来支撑住转子30，并使转子30可以沿支撑轴13移动。支撑轴13安装在机壳11中，以使机壳11支撑住支撑轴13。转子30包括支撑骨架31和驱动线圈32，支撑骨架31安装于支撑轴13上，驱动线圈32缠绕于支撑骨架31上，当向驱动线圈32通电时，驱动线圈32可以产生沿支撑轴13的轴向的驱动磁场，则在将驱动线圈32缠绕在支撑骨架31上时，驱动线圈32实际环绕支撑轴13。当向驱动线圈32通过电流脉冲时，定子20中会产生的感应电流，进而产生与上述驱动磁场相反的磁场，以驱动转子30移动；当电流脉冲较大且时间较短时，可以产生较大的驱动力，从而实现转子30的快速响应。
[0049]直线电机100使用了上述行程控制装置10，并且将隔离环22使用导电而不导磁材料制成的环片，则导磁环21与隔离环22可以形成定子20结构，并可以将其体积制作较小，而转子30的驱动线圈32产生沿支撑轴13轴向的驱动磁场，当驱动线圈32通过电流脉冲时，定子20中会产生的感应电流，进而产生与上述驱动磁场相反的磁场，以驱动转子30移动，因而该直线电机100可以实现快速响应;驱动线圈通过较大瞬时脉冲电流时，可以产生较大的动力;该直线电机100使用了上述行程控制装置10，也可以方便控制该直线电机100的行程。
[0050]导磁环21可以为铁环、钢环、硅钢、电工纯铁、坡莫合金、金属纳米合金材料等导磁材料制作的环片。隔离环22可以为铜环、铝环等导电而不导磁的材料制作的环片。
[0051]进一步地，驱动线圈32可以设置至少两组，当至少两组驱动线圈32按不同的时间顺序通过电流脉冲时，驱动线圈32可以产生直线行波磁场，而直线行波磁场的大小和方向与多组驱动线圈32的电流大小和导通时间顺序有关，由于直线行波磁场的行波速度和定子20存在滑差速度，在定子20中产生感应电流，进而产生与上述直线行波磁场相反的磁场，以驱动转子30移动。当然，在另一些实施例中，还可以使至少两组驱动线圈32产生其它波形的磁场，进而在定子20中产生感应电流，并产生相反的磁场，以驱动转子30移动。
[0052]各组驱动线圈32可以采用截面积大、电阻率低的无氧纯铜漆包线绕在支撑骨架31上I?2层。以便可以通过瞬时大电流。
[0053]进一步地，控制线圈42产生的控制磁场的垂直于支撑轴13的轴向。将控制磁场垂直于支撑轴13的轴向，则控制磁场垂直驱动磁场，从而可以防止控制磁场与驱动磁场之间的相互影响。
[0054]请一并参阅图8和图9，该直线电机100还包括控制驱动线圈32电流的控制电路50。设置控制电路50，可以方便控制该直线电机100。控制电路50可以设置在支撑骨架31中。支撑骨架31中可以开设有容置腔33，以安装该控制电路50。另外，在支撑骨架31中开设容置腔33还可以减轻支撑骨架31的重量，同时也方便散热。
[0055]进一步地，可以设置集成电路芯片，将该控制电路50设置在集成电路芯片中。设置集成电路芯片可以更好的控制驱动线圈32电流的导通，进而可以更好的控制该直线电机100。设置集成电路芯片还可以快速检测出直线电机所受的外部作用力和拖动负载质量大小。
[0056]驱动线圈32采用截面积大、电阻率低的导线绕在由导热不导磁不导电材料制成的支撑骨架31上。驱动线圈32可以承受较大的电流。进一步地，控制电路50包括连接驱动线圈32的开关电路和开关电路连接的充电电路58。该开关电路中设有对驱动线圈32供电的电容55。使用开关电路，可以方便的控制驱动线圈32的通断，以控制转子30和移动。进一步地，本实施例中，开关电器可以为H桥电路。请参阅图10、图11和图12，图12中a为控制驱动线圈32的H桥桥臂52栅极电压，b为驱动线圈32产生的力的大小，c为直线电机100的转子30轴向运行速度，d为控制线圈42产生的力的大小。集成电路芯片通过充电电路58调节电容55的充电电压。当电容55充电完成后，集成控制芯片产生一个脉宽很窄的控制脉冲加载到H桥电路其中一对桥臂52上，该对桥臂52导通时使该电容55对转子30驱动线圈32瞬间放电，此时驱动线圈32类似于线圈炮中的初级线圈；而当驱动线圈32为至少两组时，则驱动线圈32可以形成类似于异步感应线圈炮的驱动线圈，瞬间导通电流Ic很大，产生的驱动磁场和靠近驱动线圈32的支撑骨架31外缘的定子20的导电材料相互作用，产生大电磁力Fq驱动转子30轴向直线运动。控制脉冲的脉宽很窄，H桥电路的导通桥臂52很快关闭，此时驱动线圈32中的电流In逐渐减小并经过H桥的另外一对桥臂52逆变回电容55和电源，该电流将产生方向相反的电磁阻力Fz阻碍转子30的运动。当集成控制芯片以一定的周期控制电容55的充电电压高低、各组驱动线圈32开关电路的导通顺序和间隔时间即可改变转子30的受力大小和方向。
[0057]由于控制线圈42和驱动线圈32的绕线方向空间上相互垂直，它们产生的磁场相互影响低。驱动线圈32和控制电路50产生的热量通过转子30的支撑骨架31和支撑轴13散热。驱动线圈32的这种控制方式可以在很短的时间内提供较大的驱动力。
[0058]由于驱动线圈32控制频率很高，控制线圈42由于自身电感的原因，控制频率较低，该直线电机100的控制方式是:根据转子需要移动的速度和位置，高频率控制驱动线圈32电流大小和方向，当转子30移动较快时，移动距离为Dn+Didt，控制线圈42和定子20产生的作用力一段时间减速，一段时间加速，对转子30的作用大部分抵消，这时通过控制驱动线圈32控制电机的速度和位置。当转子30移动速度较慢时，控制线圈32和定子20产生的作用力对转子20的作用越来越大，当转子20的动量不足于抵消控制线圈32和定子20产生的作用力产生的冲量，转子30就会固定于相应位置。
[0059]当直线电机100的转子30需要轴向直线运动时，若设直线电机100拖动负荷的质量为Mf，外界施加在直线电机100的作用力为Fw，开关电路的导通间隔时间Ton，此时驱动线圈32产生大的驱动电磁力Fq驱动直线电机100运动，则这些参数的关系为(FQ-Fw)*Tcm = MF*AVon。同时通过控制线圈42调节定子20与导磁臂41的控制磁场，控制磁场产生电磁力Fk调节动子的运动，直线电机100转子30产生的速度变化值为AVcin。当直线电机100运动速度较快时，直线电机100定子20转子30的相对位置每经过一组导磁环21和隔离环22厚度相加的距离时，Fk的方向发生一次改变，因此Fk对直线电机100速度变化的影响大部分抵消。当开关电路关闭后，驱动线圈32电流开始减小并产生电磁阻力Fz，直线电机100的转子30保持惯性继续运动，取其中运动速度较快的一段时间为关闭时间Tciff，测量出速度变化值Δ Voff，则这些参数的关系为(FdFwhTciff=MF* AVciff。当直线电机100速度逐渐减小，直线电机100的动量不足以抵消Fk对直线电机100速度的影响，此时直线电机100整个作用力Fk-Fw-Fz产生的冲量大于直线电机100转子的动量，使直线电机100在新的位置保持平衡。若整个控制过程中Tcir^PTciff时间很短，则直线电机100驱动线圈32运动控制的频率可以很高，进而可以使直线电机100的运动速度柔和平滑。
[0060]当直线电机工作时，拖动负荷的质量Mf，外界施加在直线电机的作用力Fw，这两个参数需要实时检测。其中外界施加在直线电机的作用力大小和方向可能每一时刻都在改变，拖动负荷的质量也可能瞬间改变。现有技术的直线电机均通过压力传感器检测出作用力的大小和方向，但通过这个方式检测出的作用力大小和上述两个参数及直线电机运动的速度和加速度相关，因而难以得到外界施加在直线电机的作用力Fw和拖动负荷质量Mf这两个细化参数。现有技术的直线电机的控制为负反馈的控制方式，首先直线电机对外界施加的一定大小的作用力，一段时间之后直线电机位置、速度和加速度改变，检测出相关参数的数据和目标参数进行对比，再调整直线电机对外界施加的作用力的大小。由于直线电机对外界施加的作用力后直线电机速度和加速度的改变需要一定的时间，因此这种控制方式控制频率低，需要减速机等机械装置增加较大的转矩来抵消拖动负荷质量及外界施加在直线电机的作用力的不断变化，增大了整个控制系统的体积。
[0061 ] 本实施例的直线电机100结构和控制电路50固定后，驱动线圈32的控制电路50中电容55充电电压、开关电路的导通时间Ton—定时，产生的驱动电磁力Fq和电磁阻力Fz的大小也是固定的。当直线电机100运动时，集成控制芯片通过采集控制电路50中电容55充电电压和控制脉冲导通时间，可以得到直线电机100运动时驱动电磁力Fq和电磁阻力Fz的大小，即驱动电磁力？0和电磁阻力?2为已知参数;再结合上述两个等式:$2+??0*1'避=]^*&￥避；(Fg-Fw)^Ton = MF* Δ Vcin;而Toff、Δ VciffJc^P Δ Vcin均可以直接得出或直接测量出，即Tciff、ΔVciff、Τ。# AVcin也为已知参数。从而根据这些相关运动参数数据，可以计算出外界施加在直线电机100作用力的大小、方向和直线电机100拖动的负荷质量这两个细化参数。当直线电机100静止时，测量出定子20和转子30偏离磁阻最小位置的距离、控制线圈42电流的大小，可以得到外界施加在直线电机100作用力的大小，并且这个值和直线电机100对外界施加的作用力相等。由于直线电机100运动控制的频率很高，每次控制可以在很短的时间内计算出外界施加给直线电机100的作用力和直线电机100拖动负荷质量的大小，及时调整驱动线圈32的驱动电磁力Fq和导通时间，另外由于控制线圈42提供的Fk仍然可以提供给直线电机100较大的力矩抵消外界拖动负荷的质量和外界施加在直线电机100的作用力变化的影响，因此直线电机100整个系统可以去掉了减速机等机械调速装置。这种控制方式可以适应外界施加在直线电机100作用力和直线电机100拖动负荷质量不停改变的情况。
[0062]因而根据本实施例的直线电机100的结构，本实施例还提供一种直线电机的控制方法，包括步骤:通过控制电路50控制驱动线圈32通过脉冲电流，通电时间为Tcm，并在Tcm时间内，根据脉冲电流大小，得出驱动线圈32产生大的驱动电磁力Fq和测出转子30速度变化值 A Von ；并得出公式:(FQ-FwhTcin = MF* Δ Von ；
[0063]取脉冲断电后转子30运动速度较快的一段时间为Tciff,得出驱动线圈32电流产生电磁阻力Fz和测出相应转子30速度变化值Δ Vciff，并得出等式:(FdFwhTciff=MF* Δ Vciff;
[0064]根据以上两等式计算出出直线电机100拖动负荷的质量Mf，外界施加在直线电机100的作用力Fw;
[0065]根据检测的拖动负荷的质量Mf和作用力Fw，调节驱动线圈32的脉冲电流大小与时间来控制该直线电机的速度和位置。上述时间Tciff可以根据检测设备的精度来进行设置，如设置为几十纳秒或几微秒等等。
[0066]进一步地，该直线电机的控制方法中驱动线圈32的控制电路50包括开关电路、连接开关电路两端的电容55和供电电路57。则上述取脉冲断电后转子30运动速度较快的一段时间为Tciff，可以根据检测设备的精度来进行设置，如设置为几十纳秒或几微秒等等。本实施例中，开关电路可以为H桥电路。。进一步地，控制电路50还包括充电电路58，充电电路58与供电电路57相连，电容55与充电电路58相连。进一步地，开关电路可以为H桥电路。
[0067]本实施例还公开一种集成电路芯片，用于检测直线电机100的拖动负荷的质量Mf和外界施加直线电机100的作用力Fw，包括控制驱动线圈的控制电路、检测模块、存储器和处理模块，所述控制电路包括控制所述驱动线圈的开关电路、连接所述开关电路两端的电容和对所述电容充电的供电电路，所述检测模块测量所述电容充电电压和所述开关电路导通时间1^以及时间Tcin对应的速度变化值A Vcin，所述检测模块还测量所述开关电路关闭后一段时间Tclff对应的速度变化值Λ Vciff，并将该时间Tcir^PTciff及Δ Vcir^P Δ Vciff存储于所述存储器中，所述处理模块根据所述开关电路的导通时间Tcin、所述电容的充电电压，得到驱动电磁力Fq及电磁阻力Fz的值，再根据公式(FQ-Fw)*Ton=MF* A Vcjn与(Fz+Fw)*Toff=Mf* A Voff计算出所述负荷的质量Mf和所述外界施加作用力Fw。
[0068]进一步地，集成电路芯片可以与外部计算机或服务器相连，通过计算机或服务器来控制集成电路芯片，进而控制直线电机100。
[0069]进一步地，开关电路可以为H桥电路，以更好的控制驱动线圈32的导通时间和电流方向，进而可以更好的控制转子30和移动位置与方向。
[0070]进一步地，该集成控制芯片中还设有温度检测模块，以检测直线电机100运行时的温度，以使该集成控制芯片更好的检测出驱动电磁力Fq及电磁阻力Fz，进而使检测出的所述拖动负荷的质量Mf和所述外界施加作用力Fw更准确。
[0071]进一步地，该集成控制芯片使用在该直线电机100上时，可以实现上述控制方法，以精确控制该直线电机100。
[0072]进一步地，可以打磨或电镀导磁环21的内表面与隔离环22的内表面，使导磁环21的内表面与隔离环22的内表面配合形成光栅标尺，在支撑骨架31中开设有容置腔33，容置腔33中设有配合光栅标尺检测转子30移动位置的光栅检测装置。将导磁环21的内表面与隔离环22的内表面作为光栅标尺，结构简单，并且使检测系统体积减小，而光栅检测装置可以检测出光栅标尺的位置，进而精确控制转子30的位置。具体地，选择好定子20的导磁环21的内表面与隔离环22的内表面的光线反射参数，光栅检测装置向光栅标尺发出光，经过透镜聚焦，一部分投射到光栅标尺上，反射回的光经过光栅检测装置的指示光栅和透镜聚焦后，再由光电位置检测电路接收，对定子20和转子30之间的轴向相对位移和运动方向进行高分辨率实时检测。另外一部分光投射到代表绝对位置信息编码的位置上，反射回的光也由光电位置检测电路接收并解析出绝对位置信息。集成控制芯片或控制器根据上述检测数据可以实时得到转子30位置、速度、加速度等运动参数。更进一步地，可以在集成控制芯片中集成光电位置检测电路，而仅将光栅检测装置的透镜单独安装在支撑骨架31中。
[0073]光栅检测装置也可以与控制器或集成控制芯片相连，可以在集成控制芯片中设置光电位置检测电路，从而可以通过集成控制芯片来实时检测转子30位置、速度、加速度等运动参数。在其它实施例中，也可以在定子20的内表面贴膜，使导磁环21的内表面与隔离环22的内表面配合形成光栅标尺。
[0074]进一步地，本实施例的直线电机100可以使用上述集成电路芯片。
[0075]实施例四:
[0076]请参阅图13，本实施例的直线电机100与实施例一的直线电机的区别为:本实施例的直线电机100的导磁臂41靠近支撑轴13的一端没有设置永磁体，则当控制线圈42断电时，无法实现转子30位置自动保持的功能。当该直线电机100使用上述实施例二的行程控制装置10时，该直线电机100不仅可以实现直线运动，还可以实现步进电机的转动运动。
[0077]本实施例的直线电机100的其它结构与实施例三的直线电机的其它结构相同，在此不再累赘。
[0078]智能机械是指计算机通过控制总线可以控制机械相对位置的装置。一般来说，智能机械还要求体积小、多轴多关节多自由度、运动响应速度快、承受负荷大并且负荷变化快、空间位置的控制精度要求高。智能机械包括各种仿生机械、数控机床、自动化产生线以及能够替代人类体力劳动或完成不同功能的装置，例如机械手、手术机器人、服务机器人等等。由于智能机械需要的功能复杂，所以需要的运动自由度多。而本实用新型的直线电机100可以做到微型化、通过驱动线圈32通过大的脉冲电流，产生较大的磁场，从而可以提供更大的动力，因而在同样的体积下可以安装多个直线电机100以使运动自由度更多。另外，该直线电机100还可以快速检测出负载的变化，以实现快速响应与控制。
[0079]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种行程控制装置，其特征在于，包括机壳、安装于所述机壳中的支撑轴、安装于所述支撑轴上的导磁臂、缠绕于导磁臂上的控制线圈、与所述导磁臂配合相互作用的若干导磁环和分隔相邻两所述导磁环的若干隔离环，所述导磁环与所述隔离环交替层叠设置，各所述导磁环与各所述隔离环固定于所述机壳中。2.如权利要求1所述的行程控制装置，其特征在于，所述导磁臂包括沿所述支撑轴的轴向层叠设置的若干导磁片和隔离相邻两片所述导磁片的若干绝缘片。3.如权利要求2所述的行程控制装置，其特征在于，相邻的一片所述导磁片与一片所述绝缘片的厚度之和与相邻的一片所述导磁环与一片所述隔离环的厚度之和相等。4.如权利要求1-3任一项所述的行程控制装置，其特征在于，所述导磁臂成对设置，且所述导磁臂为至少一对，每对的两个所述导磁臂分别设于所述支撑轴的相对两侧。5.如权利要求1-3任一项所述的行程控制装置，其特征在于，各所述导磁环与各所述隔离环均呈圆筒状，所述导磁臂远离所述支撑轴的一端呈与所述导磁环配合的圆弧形。6.如权利要求5所述的行程控制装置，其特征在于，各所述导磁环向内均匀凸设有若干第一凸齿，所述导磁臂远离所述支撑轴的一端凸设有若干第二凸齿;沿所述导磁环的径向:相邻两所述第一凸齿的间距与相邻两所述第二凸齿的间距相等。7.如权利要求1-3任一项所述的行程控制装置，其特征在于，所述导磁臂上靠近所述支撑轴的一端设有永磁体。8.—种直线电机，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的行程控制装置，所述支撑轴上安装有转子，所述转子包括安装于所述支撑轴上的支撑骨架和用于产生驱动磁场的驱动线圈，所述驱动磁场沿所述支撑轴的轴向，所述驱动线圈缠绕于所述支撑骨架上，所述隔离环为导电而不导磁的环片。9.如权利要求8所述的直线电机，其特征在于，还包括控制所述驱动线圈的控制电路，所述控制电路包括开关电路、连接所述开关电路两端的电容和对所述电容充电的供电电路。10.如权利要求8所述的直线电机，其特征在于，所述导磁环的内表面与所述隔离环的内表面配合形成光栅标尺，所述支撑骨架中开设有容置腔，所述容置腔中设有配合所述光栅标尺检测所述转子移动位置的光栅检测装置。
【文档编号】H02K41/025GK205509829SQ201620139012
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年2月24日
【发明人】刘华
【申请人】刘华