专利名称：长行程动铁型直流直线电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及直线电机领域，尤其是动铁型直流直线电机领域。
背景技术：
动铁型直流直线电机因其不需要给可运动的动子供电(亦称无源动子)，在某些特殊场合运用显示出其优越性。专利号为96246157.1和专利号为96246158.X的实用新型专利、专利号为00214402.6和专利号为01244185.6的实用新型专利都分别提出了采用直流电的动铁型直线电机设计。但是这些设计虽然属于动铁型，但运动体都是芯轴，不能满足某些场合应用的需要。查阅我国从一九八五年四月一日起至二00四年一月十日期间的专利申请，均未见有定子在内、无源动子在外或动子部分暴露在外的动铁型直流直线电机设计公开。由叶云岳编著、中国机械工业出版社出版的《直线电机原理与应用》一书，在第146页到156页中阐述了一种闭磁路及开磁路的直流直线电机。书中涉及并讨论了在动子行程不太长(约250毫米)，有一个定子线圈绕组、两个面型动磁铁时的动铁型直流直线电机的原理。书中对闭磁路设计和半开磁路(即保留与定子线圈平行的磁路，舍去定子线圈两端的磁路)作了试验曲线分析和比较。从书中的试验数据绘制的曲线中，可以看出这种电机存在的一个问题，那就是即使在动子有效行程不太长的情况下，动子的出力也很不均匀。当动子到达线圈中部时，动子上的出力已经很小，但半开磁路型比闭磁路型好得多。实际上，即使在半开磁路的上述设计方案中，如果要求的动子行程较长，只设计单绕组的载流线圈就必然要长。当轴向尺寸较小的动子到达如此长的载流线圈中部时，动子的出力将接近为零。这一结论基于如下几点分析1、根据磁场的高斯定理可知，经永磁动子穿过载流线圈进入绕线定子铁芯的有效磁通量Φy的总和，等于经绕线定子铁芯返回动子的磁通量Φf的总和。2、返回磁通的分布虽然很复杂，但可以肯定的是在开磁路设计中，沿整个绕线定子表面都有返回磁通，设经载流线圈表面返回的磁通量为Φe，当绕线定子很长、且永磁动子在线圈中部附近时，可以认为几乎所有的返回磁通Φf都经整个绕线定子表面的载流线圈返回，因此Φf近似等于Φe。3、在载流线圈表面，返回磁通的方向与有效磁通的方向相反。在上述绕线定子很长、且永磁动子处于线圈中部附近的情况下，进、出整个定子载流线圈表面的磁通矢量之和已接近为零。在本例中，磁感强度B矢量与载流线圈电流元矢量idL垂直，所以根据电磁学基本定律(安培定律)可知，此时整个线圈所受到的安培力的合力已经接近为零。因定子为不动体，实际的可运动体是动子，磁动子受到的力实际上是安培力的反作用力。所以当有效行程较长、载流线圈较长时，径向和纵向都较短(与线圈长度相比)的永磁动子在接近线圈中部时其本身所受到的电磁力将下降到很小，因此可能会对外停止做功(即出现出力死点)，直线电机动子在线圈中部附近的效率将急剧下降，甚至可能为零。载流线圈越长、铁芯导磁率越低、横断面积越小、动子磁体越短，这一现象就越严重。
因此，上述《直线电机原理与应用》一书中所介绍的定子单绕组线圈的直线电机只能是短行程的直线电机。而且即使在较短行程的小型化(铁芯横截面积较小)直线电机中，这种电机的效率也是很差的。如何提高这种直线电机的效率，使得当有效行程与动磁体的最大线度之比很大时(例如十倍以上)，电机仍然能够正常工作，并保持较高的效率，是这种动铁型直线电机需要解决的问题。
本发明正是基于解决以上问题而提出一种长行程、高效率的动铁型直流直线电机的设计方案，即在需要动子运动时，只让靠近动子磁体周围的那部分绕组成为载流线圈，同时载流线圈还会在受控之下采用步进式方式顺序移动(线圈本身并不运动，但通有直流电流的载流线圈的顺序位置却受控而逐个地顺序随动)，从而使得直线电机的磁动子也跟随运动。这样就同时解决了这种动铁式直流直线电机的长行程问题和效率问题。
发明内容
本发明是这样实现的绕在定子铁芯(2)上的定子绕组(3)是由至少两段的若干分段绕组(4)一个接着一个顺序排列(包括可以采取两两搭接排列)的，定子铁芯(2)和定子绕组(3)为主件共同构成多绕组长定子(1)。每个分段绕组(4)都将其线圈端部的导线头引出，把每段绕组的同名导线端都接到一条公共端(12)上，连同每段绕组的另一端一起经电缆送到直线电机的分段绕组顺序控制电路(10)，让该控制电路来对这些引出线进行控制。该控制的特点一是可以根据运动方向需要而颠倒进入各分段绕组(4)的电流方向，二是可以按照线圈段所处位置的秩序进行步进式的电流顺序切换和控制。即总是让永磁动子(5)所处位置的线圈段和前行方向的一个线圈段通电，而让在运动中掉到永磁动子后边的线圈段断电。这样就缩短了实际上有电流通过的载流线圈的轴向尺寸，使载流线圈的轴向尺寸接近于永磁动子(5)的轴向尺寸。于是由永磁动子(5)进入载流线圈表面的磁通量就将远大于返回时穿出载流线圈表面的磁通量，即通过载流线圈的磁通向量之和将远大于零，因此永磁动子(5)所受到的力(等于线圈所受的安培力的合力而方向相反)在整个有效行程中都较为均匀，其效率也就得以大大提高。
本发明的有益效果是1、在理论上可以把动子的有效行程无限延长，实际当中也可以把动子的有效行程和动子的最大线度之比设计得很大(可以做到远大于10)。2、其动子在整个有效行程中效率都可以较高。3、动子在运行中没有出力为零的死点问题。4、可根据实际需要而灵活设计动、定子的相对位置，既可以设计成外定子、内动子式，又可以设计成内定子、外动子式。5、在一定条件下可以部分或全部省去副定子，从而成为对外开放式动子，以适应某些实际的需要。6、从目前的技术来看，因交流电很容易经整流而变成直流电，而直流电逆变为稳定的交流电却并不简单。由于本发明本身需要用直流电(仅在运动方向颠倒时需要改变电流方向)，因此只需在供电部分增加整流电路，就可以用在交流供电线路上，成为无电刷、无电缆的通用型直线电机。
下面就本发明的结构要点进行说明。
图1是本发明的一种“内定子、外动子”式设计的原理结构剖面图，也是实施例一的结构纵剖面示意图。
图2为实施例一中的圆管状动子结构示意图。
图3为本发明中的长行程直流直线电机的线圈分段绕组顺序控制电路(10)的控制原理图。本例仅为采用电磁继电器控制的一个实施例。图中的继电器线圈的驱动电路为电子线路，本图仅出示其中的继电器输出触点施于直线电机线圈段的控制原理图。
图4为本发明的一种“外定子、内动子”式设计的横断面结构示意图。
各图中的编号说明多绕组长定子(1)；铁磁材料制造的定子铁芯(2)；定子绕组(3)；分段绕组(4)；永磁动子(5)；动子固件(6)；定子护层(7)；永磁体磁极N极(N)；永磁体磁极S极(S)。
附图3中的编号补充说明线圈分段绕组顺序控制电路(10)；线圈段编号n1、n2、n3、n4、n5、n6、n7、n8(注它们仅代表一部分定子线圈段)；线圈段公共接线端(12)；直流电源正极V+；直流电源负极V-；磁极北极N；磁极南极S；上行方向继电器常开触点(Js)；下行方向继电器常开触点(Jx)；编号为n1的线圈段控制继电器常开触点(J1)；编号为n2的线圈段控制继电器常开触点(J2)；编号为n3的线圈段控制继电器常开触点(J3)；编号为n4的线圈段控制继电器常开触点(J4)；编号为n5的线圈段控制继电器常开触点(J5)；编号为n6的线圈段控制继电器常开触点(J6)；编号为n7的线圈段控制继电器常开触点(J7)；编号为n8的线圈段控制继电器常开触点(J8)；其余以此编号规律类推(未画出)。
具体实施例方式
实施例一本实施例是一种“内定子、外动子”式对外开放型长定子直线电机设计一例。图1是这种采用闭合圆管状永磁动子的直线电机剖面图，图2是它所配的闭合圆管状动子结构示意图，图3是线圈的分段绕组顺序控制电路(10)的原理图。
在多绕组长定子(1)的内芯是一根断面呈圆形的长棒状软磁材料柱体芯(2)，它的外面一段接一段地紧密套着多段线圈绕组(3)，线圈绕组(3)的每一分段绕组(4)都有两个端部引线，把每一分段绕组中的一个同名端引线接在一起形成分段绕组公共接线端(12)，并同每个分段绕组的另一端引线一起从长定子(1)的端部引出。定子绕组(3)的外面是一层薄而表面光滑的定子护层(7)，其材料可以是塑料、塑胶、尼龙、铝合金等非磁性材料。以上的总体结构便构成了多绕组长定子(1)。永磁动子(5)采用圆管状结构，最好采用整体径向充磁的稀土钕铁硼永磁，也可以是由几个径向相同充磁的瓦状永磁体组合而成。图2所示即为采用三个瓦状永磁体组合而成的永磁动子，其内表面为磁极S极，外表面为磁极N极(如果颠倒磁极，则动子运动方向将与本例相反)。本发明中直线电机控制器具有一个特殊功能，即可以“对各分段绕组(4)实施电流方向的控制和对其实施逐段步进式的、按照各分段绕组位置秩序进行的电流顺序切换控制”，这一原理可参见图3，说明如下设永磁动子(5)所处位置在n4号和n5号线圈两者的中部位置。如果欲令其上行，则可令控制器内的上行继电器Js吸合(同时Jx为释放态)，同时令线圈继电器J4和J5吸合。此时的载流线圈为n4号和n5号线圈。当永磁动子(5)因受安培力的反作用力上行而离开第n4号线圈时，令继电器J6吸合而令继电器J4释放，则第n4号线圈断电，第n6号线圈成为载流线圈。于是永磁动子(5)继续上行到离开第n5号线圈时，又令继电器J7吸合而令继电器J5释放……。如此即可一直让永磁动子(5)运动到上行的终端。反之，如果此时欲令其下行，则可令控制电路的下行继电器Jx吸合(同时Js为释放态)，如果再同时令线圈继电器J5和J4吸合，此时因Jx的吸合颠倒了线圈的电流方向，从而颠倒了动子的受力方向，则永磁动子(5)将向下行。当永磁动子(5)因下行而离开第n5号线圈时，令继电器J3吸合而令继电器J5释放，则第n5号线圈断电，第n3号线圈成为载流线圈。于是永磁动子(5)继续下行到离开第n4号线圈时，又令继电器J2吸合而令继电器J4释放……。如此即可一直让磁动子(5)运动到下行的终端。
就象上述那样，按照各分段线圈绕组的位置顺序实施步进式切换，每次总保持两相邻线圈段通电成为载流线圈。实际上可根据分段线圈和动子磁体的长短、控制精度等因素来设计需要几个相邻的线圈段为载流线圈段，可以是一个、两个，或三个、四个甚至多个。在一定范围内，线圈段数量越多、且载流线圈的长度越接近永磁动子的长度，则控制精度越高。而载流线圈的步进速度越快，动子(5)的运动速度也就越快。各线圈继电器也可采用电子开关来代替。例如可以采用光耦合式双向型固态继电器来代替电磁式的线圈继电器(图3中的J1至J8)。线圈继电器的步进顺序切换信号，既可以采取较简单的电子自动顺序切换，也可以采用较复杂的、装有动子位置传感器(如霍尔元件、电容式传感器、光电式传感器、接近开关等)的电子顺序切换方案。而直线电机控制器的内部电路可以采用数字集成电路控制式，或单片机控制式，甚至采用微机控制等等，但最终输出到线圈段的控制方式必须遵循“按分段绕组的位置秩序进行步进式的电流顺序切换控制”这一技术。
实施例二本实施例是前述型式的结构变形式，即“外定子、内动子”式，其示意图见图4。因仅作断面示意，图中只能看出定子铁芯(2)、一个分段绕组(4)和永磁动子(5)。本例的多绕组长定子(1)处在永磁动子(5)的外部，绕线定子内的铁芯(2)由硅钢片冲压成固定形状后迭制而成。在铁芯上绕制一个线圈分段绕组(4)，然后把线头引出，就构成绕线定子中的一节线圈段定子。图4所示的定子就是整个多绕组长定子(1)中的一节。象这样结构的线圈段定子由若干节顺序排列，就成为多绕组长定子(1)，它们的所有线圈段引出线都象实施例一那样由线圈的分段绕组顺序控制电路(10)对其进行步进式的、按其线圈段的位置秩序进行的电流顺序切换控制。本例中的动子磁体(5)为整块矩形磁体，它置于定子腔内，磁体靠向定子的左、右表面各是一个磁极。它可以沿多绕组长定子(1)的内腔表面作定子长轴方向的运动。
在“内定子、外动子”的这种设计形式中，也都可以在整个长行程直流直线电机外面、尽可能靠近永磁动子(5)的外表面固定安装一个铁磁材料制成的副定子。此时的副定子还同时兼有直线电机的外防护罩的功能。另外，动子磁体可以是单磁体或多磁体组合而成，定子和动子也可有多种相互匹配的设计形式和形状。既可以设计成多绕组长定子(1)在内、永磁动子(5)在外，也可以设计成多绕组长定子(1)在外、永磁动子(5)在内。但无论结构如何千变万化，只要动子的行程比动子本身的长度长得多，长绕线定子的线圈就有必要分成至少两段以上的若干段绕制，并按照上述的电路控制方法，采取步进式的、按分段绕组位置秩序进行的电流顺序切换控制的技术来对该动磁式直流直线电机实施控制。而这一技术正是本发明的特征所在。
权利要求
1.一种长行程动铁型直流直线电机，包括定子、动子和控制装置，其特征在于至少有一个多绕组长定子(1)，它包括定子铁芯(2)和按秩序紧密排列的至少两段以上的若干段分段绕组(4)；每个分段绕组(4)的末端都有两根引出导线，控制装置中至少包含有一个分段绕组顺序控制电路(10)能够利用这些引出导线，对各分段绕组(4)实施电流方向的控制和对其实施逐段步进式的、按照各分段绕组位置秩序进行的电流顺序切换控制。
2.如权利要求1所述的长行程动铁型直流直线电机，其特征在于至少有一个永磁动子(5)靠近多绕组长定子(1)，并沿其长轴方向可动。
全文摘要
长行程动铁型直流直线电机，其动子由永磁体构成，由若干段分段绕组顺序绕制并排列成为多绕组长定子，再通过专控电路对这些分段绕组实施步进式的顺序电流切换控制，从而解决了动铁型直流直线电机在长行程时的出力小、效率低的问题。
文档编号H02K41/035GK1684347SQ20041003456
公开日2005年10月19日 申请日期2004年4月17日 优先权日2004年4月17日
发明者戴开煌, 王灿 申请人:戴开煌, 王灿