永磁直线电机及其永磁体阵列组件、永磁电机及其部件的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种永磁直线电机及其永磁体阵列组件、永磁电机及其部件。本发明的永磁直线电机包括电枢绕组和永磁体阵列组件，电枢绕组和永磁体阵列组件被配置为能够沿着预定方向相对运动。永磁体阵列包括两组永磁体。两组永磁体分别布置在预定方向上一条直线的两侧，并且被布置为相对于该直线对称。每一组永磁体中的多个永磁体沿着预定方向依次排列。永磁体的上表面远离安装板，每一个永磁体的上表面的与同一组永磁体中的相邻永磁体相邻近的边缘的至少一部分与预定方向既不平行也不垂直。本发明通过使用两组对称斜置的永磁体阵列，可以在减小齿槽力的同时，抵消斜置齿槽力，避免了斜置齿槽力对电机运行的精度和稳定性的影响。
【专利说明】永磁直线电机及其永磁体阵列组件、永磁电机及其部件
【技术领域】
[0001]本发明涉及永磁直线电机及其永磁体阵列组件、永磁电机及其部件。
【背景技术】
[0002]在直线电机的设计中为了提高电磁效率和电机单位体积输出力，通常采用有铁芯结构。图1示出了传统永磁直线电机的铁芯结构，其中电机线圈101埋于铁芯102中。
[0003]在有铁芯102的直线电机中，铁芯102 —般开有齿槽103，以便把线圈101安装进去。这样一来在电机的运行过程中，铁芯102上的齿槽103就会产生齿槽力，影响电机运行的精度和稳定性。
[0004]为了减小齿槽力，在铁芯直线电机的设计时，常采用斜置永磁体(例如磁铁)，如图2所示。
[0005]图2示出了采用斜置永磁体的永磁直线电机的示意图。如图2所示，永磁体阵列201和两条直线导轨202平行地固定在安装板上。永磁体阵列201中的每一条永磁体205相对于导轨202的方向成一角度，从而斜置。电枢绕组组件203被配置为能够沿着导轨202滑动，电枢绕组则位于永磁体阵列201中的永磁体205上方。
[0006]为便于描述，下文中将电机运动方向，也就是导轨延伸方向，或者说电枢绕组组件相对于永磁体阵列运动的方向，定义为X方向；将电机运动平面内垂直于电机运动方向的方向定义为Y方向；而将垂直于电机运动平面的方向定义为Z方向，即图2中为垂直于纸面向里的方向。
[0007]图3示出了图2所示永磁直线电机中电枢绕组203的简化受力分析图。
[0008]将永磁体205斜置之后，虽然总齿槽力Fe (方向与电机运动方向相反)有效地减小，但在电机的运行过程中，原来在Z方向上的永磁体和铁芯之间吸引力Fa(就是这个力的变化产生了齿槽力)会变得不再垂直于电机运动平面，这样除了 Z方向上的垂直分力Faz，还会产生一个Y方向上的侧向分力Fay，即斜置齿槽力。
[0009]图4示出了传统直线电机的示意性立体图。其中示意性地标出了上述斜置齿槽力Fay0
[0010]电枢绕组203通过滑块301在导轨202上滑动。为使滑块301能够沿导轨202相对运动，导轨202和滑块301之间在Y方向上需要有间隙。而斜置齿槽力Fay使得电机在Y方向会有少量的窜动(由导轨202和滑块301的精度等级决定窜动的大小)。而斜置齿槽力Fay在电机运行过程中是随着电机处于不同位置而不断变化的，并且侧向垂直于滑块的运动方向，自然就造成滑块与导轨之间在Y方向上的间隙在不断地变化，这样会影响电机的运行精度。并且滑块长期受到不断变化的斜置齿槽力Fay的影响，也会影响直线导轨的疲劳寿命和电机的可靠性。
[0011]另外，如图5所不,斜置的永磁体205中，并不是整个永磁体长度I都对电机输出力有贡献。只有投影到垂直于电机运动方向(X方向)的垂直方向(Y方向)上的有效长度Ieffdeff=I * COS Θ，Θ为斜置角，即永磁体205的长度方向与Y方向之间的夹角)才提供输出力。这样就减小了永磁体205的利用率。
[0012]为了便于加工制造和减小斜置力，永磁体205的长度I和斜置角Θ (较大的斜置角对减小齿槽力是有利的)都不能选得过大，这样就限制了电机输出力的提高。
[0013]因此，需要有效消除斜置齿槽力对电机的不良影响。
【发明内容】
[0014]本发明要解决的一个技术问题是提供一种永磁电机，其能够减小乃至消除斜置齿槽力。
[0015]根据本发明的一个方面，提供了一种用于永磁直线电机的永磁体阵列组件，包括安装板和固定在安装板上的永磁体阵列。其中，永磁体阵列包括两组永磁体。两组永磁体分别布置在预定方向上一条直线的两侧，并且被布置为相对于该直线对称。每一组永磁体中的多个永磁体沿着预定方向依次排列。永磁体的上表面远离安装板，每一个永磁体的上表面的与同一组永磁体中的相邻永磁体相邻近的边缘的至少一部分与预定方向既不平行也不垂直。
[0016]优选地，永磁体的上表面为平行四边形，该平行四边形具有较长边和较短边，较长边与同一组永磁体中的相邻永磁体相邻近。
[0017]优选地，每一个永磁体的上述边缘的上述至少一部分与上表面内垂直于预定方向的垂直方向之间的夹角大于6°且小于40°。优选地，该夹角可以大于8°且小于40°。
[0018]根据本发明的另一个方面，提供了一种永磁直线电机，包括电枢绕组和如上所述的永磁体阵列组件，电枢绕组和永磁体阵列组件被配置为能够沿着预定方向相对运动。
[0019]优选地，永磁体阵列组件在该预定方向上的长度大于电枢绕组在预定方向上的长度。
[0020]根据本发明的另一个方面，提供了一种永磁电机部件，被配置为能够用作永磁电机的定子或转子。该永磁电机部件上布置有永磁体阵列。该永磁电机部件具有轴向，并且在其圆周上每个点处具有指向圆心的径向。该永磁体阵列包括两组永磁体。两组永磁体分别布置在垂直于轴向的一个径向平面两侧，并且相对于该径向平面对称。每一组永磁体中的多个永磁体沿着该永磁电机部件的圆周依次排列。每一个永磁体的外侧表面基本上垂直于其所在圆周上一点处的径向。每一个永磁体的外侧表面的与同一组永磁体中的相邻永磁体相邻近的边缘的至少一部分与轴向既不平行也不垂直。
[0021]优选地，永磁体的上表面为平行四边形，该平行四边形具有较长边和较短边，较长边与同一组永磁体中相邻永磁体的上表面的较长边相邻近。
[0022]优选地，每一个永磁体的上述边缘的上述至少一部分与轴向之间的夹角可以大于6°且小于40°。优选地，该夹角可以大于8°且小于40°。
[0023]根据本发明的另一个方面，提供了一种永磁电机，包括定子和转子，其中，定子和转子中的一个是上述永磁电机部件。
[0024]本发明通过使用双排对称斜置的永磁体阵列，基本上抵消了斜置齿槽力，从而可以有效地避免电机运行的精度受到斜置齿槽力的影响。
[0025]通过使用双排对称斜置的永磁体阵列，还可以附加地获得一些其它优点和益处，将在下文中加以详细描述。【专利附图】
【附图说明】
[0026]通过下面参考附图对本发明实施例的描述，本发明的上述特征和优点将变得明显,其中:
[0027]图1示出了传统永磁直线电机的铁芯结构；
[0028]图2示出了采用斜置永磁体的永磁直线电机的示意图；
[0029]图3示出了图2所示永磁直线电机中电枢绕组的简化受力分析图；
[0030]图4示出了传统直线电机的示意性立体图；
[0031]图5示出了斜置永磁体的有效长度与斜置角的关系；
[0032]图6示出了根据本发明的永磁直线电机的示意图；
[0033]图7示出了根据本发明的永磁直线电机中的电枢绕组的简化受力分析图。
【具体实施方式】
[0034]下面参考附图描述本发明的实施例。
[0035]本发明的一个方面公开了一种永磁直线电机和用于永磁直线电机的永磁体阵列组件。
[0036]图6示出了根据本发明的永磁直线电机的示意图。
[0037]如图6所示，根据本发明的永磁直线电机包括电枢绕组(线圈绕组)610和永磁体阵列组件。电枢绕组610和永磁体阵列组件被配置为能够沿着预定方向(也可以称为“运动方向”)相对运动。
[0038]在根据本发明的永磁体阵列组件中，永磁体阵列620、625固定在安装板上。在一个实施例中，永磁体阵列620、625在运动方向上的长度可以大于电枢绕组610在运动方向上的长度。永磁体阵列组件可以固定，而电枢绕组610运动。
[0039]为便于描述，在下文中将上述预定方向(运动方向)定义为X方向。
[0040]布置永磁体阵列620、625的平面(阵列平面)可以与过图6中两条直线导轨630的平面(也即图6中平行于纸面的平面)基本上平行，在此通称为“电机运动平面”或“阵列平面”。电枢绕组610平行于电机运动平面进行相对运动。电枢绕组610和永磁体彼此相对的表面也基本上与阵列平面平行。
[0041]电机运动平面上垂直于运动方向(X方向)的方向定义为Y方向。
[0042]垂直于电机运动平面的方向(也即图6中垂直于纸面的方向)定义为Z方向。电枢绕组610在Z方向上位于永磁体阵列620、625上方。
[0043]永磁体阵列包括两组永磁体(例如磁铁)，例如图6中所示的左排永磁体阵列620和右排永磁体阵列625。
[0044]两组永磁体620、625被布置在上述预定方向(运动方向，X方向)上的一条直线的两侧，并且被布置为相对于该直线对称。
[0045]图6中，该直线可以是整个永磁体阵列620、625在电机运动平面中平行于X方向的中心线。直线导轨630也可以被布置为相对于该中心线对称。显然，该直线并非必须为上述中心线。
[0046]每一组永磁体中的多个永磁体沿着上述预定方向(运动方向，X方向)依次排列。[0047]图6中不出了每一组永磁体排为一列的情况。本领域技术人员应该明白，一组永磁体中的多个永磁体还可以根据需要而排为多列。
[0048]在这里，将永磁体的远离安装板的表面定义为上表面。一般地，永磁体的上表面平行于上述阵列平面(X-Y平面，电机运动平面)，垂直于Z方向。电枢绕组与永磁体的上表面相面对。
[0049]如图6所不,每一个永磁体相对于上述预定方向(运动方向,X方向)斜置。更一般而言,每一个永磁体的上表面的与同一组永磁体中的相邻永磁体相邻近的边缘的至少一部分与上述预定方向(运动方向，X方向)既不平行也不垂直。
[0050]永磁体的上表面可以是平面，也可以是曲面。目前常用的永磁体的上表面是平面的。
[0051]图6中示出了永磁体的上表面为平行四边形的情况。
[0052]在上表面为平行四边形的实施例中，每一个永磁体的上表面可以具有较长边和较短边。同一组永磁体中相邻两个永磁体的较长边相邻近，从而形成狭缝。
[0053]永磁体的较长边相对于Y方向成预定角度，使得两者既不平行也不垂直。该预定角度可以称为“斜置角”。在本发明的一个实施例中，斜置角可以大于6°且小于40°。更优选地，斜置角可以大于8°且小于40°。
[0054]每一组永磁体中的多个永磁体的斜置角可以是相同的，也可以不同。在图6中，一组永磁体的斜置角是相同的。
[0055]图6中示出了两组永磁体的上表面的较短边平行于中心线(对称轴)，并且在中心线附近相邻近的情况。但这并不是必须的。例如，永磁体的上表面还可以是较为简单的矩形。由此，在其较长边与Y方向成一夹角Θ的同时，其较短边也与X方向成一夹角Θ。
[0056]如本领域技术人员所能理解，永磁体的上表面还可以为其它形状。例如，同一组永磁体中相邻两个永磁体相邻近的边缘可以包括多个线段，每个线段与Y方向的夹角不相同。甚至，同一组永磁体中相邻两个永磁体相邻近的边缘还可以包括弯曲曲线，例如圆弧。
[0057]与根据本发明的永磁体阵列组件配合使用的电枢绕组610可以具有如图1所示的传统铁芯结构，并且可以和图2、4中所示出的电枢绕组203 —样，通过滑块(图6中未示出)在导轨630上滑动。滑块搭在导轨630上，并且滑块的至少一部分在Y方向上与导轨630相邻，以便在电枢绕组610相对于永磁体阵列组件沿X方向运动时，限制电枢绕组610在Y方向上的运动。在一个实施例中，电枢绕组610的两个滑块与安装板上固定的两个导轨630配合，以限制电枢绕组610在Y方向上的运动，而使电枢绕组610在X方向上能够自由滑动。
[0058]图7示出了根据本发明的永磁直线电机中的电枢绕组610的简化受力分析图。
[0059]电枢绕组610除了受到X方向上的力之外,还受到左排永磁体阵列620施加的吸引力Fal和右排永磁体阵列625施加的吸引力Far。吸引力Fal和Far分别具有Y方向上的分量Faly和Fary。
[0060]由于左排永磁体阵列620和右排永磁体阵列625是对称布置的,所以吸引力Fal和Far的Y方向分量Faly和Fary基本上大小相同而方向相反。
[0061]于是,左右两排永磁体阵列620和625施加给电枢绕组610的吸引力Fal和Far的Y方向分量Faly和Fary基本上相互抵消，总的吸引力只剩下Z方向分量。电枢绕组610在运动方向上移动时，其所受到的来自左排永磁体阵列620和右排永磁体阵列625的力的大小和方向分别都会发生变化，但总是基本上相对于x-z平面对称的。因此左排永磁体阵列620和右排永磁体阵列625施加给电枢绕组610的力在Y方向上的分力基本上总是相互抵消，Y方向上的合力基本上总是零。
[0062]因此，电枢绕组610基本上不受到永磁体阵列在Y方向上施加的力。
[0063]这样，在通过使永磁体斜置来减小齿槽力的同时，抵消了因永磁体斜置而产生的侧向分力(Y方向分力)。
[0064]通过抵消Y方向分力(斜置齿槽力)，减少了电枢绕组610在Y方向分力的影响下在Y方向上的窜动，有效提高了电机的运行精度，同时可以避免在电机运行过程中随着电枢绕组610处于不同位置而变化的斜置齿槽力影响直线导轨的疲劳寿命和电机的可靠性。
[0065]除了上述有益效果，本发明上述永磁直线电机相对于图2所示传统永磁直线电机还有至少以下优点。
[0066]1.斜置角可以更大
[0067]大的斜置角对减小齿槽力是有利的。
[0068]然而，在图2所示传统永磁直线电机中，单排斜置永磁体虽可以减少齿槽力，但会带来斜置分力的不利影响。斜置角越大，斜置齿槽力也越大。由于有这个不利因素，斜置角不能太大。传统永磁直线电机中斜置角Θ —般在0°?6°之间。
[0069]图6所示根据本发明的永磁直线电机采用对称结构来抵消掉斜置分力的不利影响，从而可以采用更大的斜置角，这样使电机设计者有更灵活的选择空间。如上所述，在本发明的永磁直线电机中，斜置角Θ可以设置在6°?40°之间，甚至可以根据需要设置得更大。从而更大程度上减小齿槽力。
[0070]2.永磁体有效长度可以更长
[0071]如图5所示，永磁体斜置后，永磁体的有效长度减小，从而减小电机的输出力。对于同样长度的永磁体，斜置角越大，电机输出力越小。在如图2所不的传统永磁直线电机中，当选择更长的永磁体以实现更长的有效长度时，斜置齿槽力也相应增大。
[0072]图6所示本发明的永磁直线电机采用对称斜置的两排永磁体，不再需要顾虑斜置齿槽力的影响，因此可以选择更长的永磁体。
[0073]另外，事实上，永磁体(特别是磁铁)本身难以做长，加工和充磁都很困难。使用对称斜置的两排永磁体也可以较为简便地加长同一时刻对电枢绕组610起作用的永磁体的有效长度。
[0074]随着永磁体有效长度的增加,可以增大对电枢绕组610输出的推动力。
[0075]3.更大的驱动电流
[0076]没有将永磁体斜置的电机由于齿槽力大，电机运行的干扰就大，这样运动的精度受影响，而且驱动电流越大，影响越大，不能采用极大电流驱动，限制了驱动力的输出。
[0077]如图2所示的传统永磁直线电机中，虽然可以在一定程度上减小齿槽力，但是引入了斜置齿槽力。而且同样地，驱动电流越大，斜置齿槽力的影响也越大。因此同样不能采用极大电流驱动，限制了驱动力的输出。
[0078]而在图6所示本发明的永磁直线电机中，由于齿槽力的扰动减小了，斜置齿槽力也被消除了，电机可以在更大的驱动电流下工作，得到更大的输出力，完全可以抵消由于永磁体斜置带来的永磁体有效长度减小对电机输出力的影响。
[0079]实验表明，通过使用双排对称斜置的永磁体阵列，驱动电流可以成倍增加，电机仍然可以平稳精确地运行。图2所示传统永磁直线电机的最大驱动电流一般小于30A。而本发明的使用双排对称斜置的永磁体阵列的永磁直线电机的最大驱动电流可以高达50?80A。
[0080]总之，本发明使用双排对称斜置永磁体阵列的电机不仅仅可以得到更小的齿槽力，更高的运动精度和更小的运动波动，而且可以通过施加更大的驱动电流而对电枢绕组601输出更大的驱动力。按照这种方法设计的样机在30A的驱动电流下产生的驱动力可超过2000N，而齿槽力则小于20N。进一步进行优化后，驱动力还可以进一步提高，齿槽力也可以进一步减小。
[0081]根据本发明的另一个方面，还提供了一种旋转式永磁电机和用于旋转式永磁电机的永磁电机部件。
[0082]如本领域技术人员所公知，永磁直线电机可以被形象地视为将旋转式永磁电机展开，而旋转式永磁电机可以被形象地视为将永磁直线电机卷成圆柱状。
[0083]因此，基于本发明如图6所示的永磁直线电机，本领域技术人员容易想到，本发明的发明构思还可以用于旋转式永磁电机及其部件。该部件被配置为能够用作该永磁电机的定子或转子。
[0084]该永磁电机部件上布置有永磁体阵列，该永磁电机部件具有轴向，并且在其圆周上每个点处具有指向圆心的径向。
[0085]类似地，该永磁体阵列也包括两组永磁体。
[0086]这两组永磁体分别布置在垂直于轴向的一个径向平面两侧，并且相对于该径向平面对称。
[0087]每一组永磁体中的多个永磁体沿着该永磁电机部件的圆周依次排列。一般而言，多个永磁体绕该永磁电机部件的圆周排列成一圈。
[0088]每一个永磁体的外侧表面基本上垂直于其所在圆周上一点处的径向。这里所说的外侧表面是指远离该永磁电机部件本体的表面。
[0089]每一个永磁体的外侧表面的与同一组永磁体中的相邻永磁体相邻近的边缘的至少一部分与轴向既不垂直也不平行。
[0090]永磁体的外侧表面的形状可以与前面描述的用于永磁直线电机的永磁体阵列组件中的永磁体相同。
[0091]在一个实施例中，永磁体的上表面为平行四边形。该平行四边形可以具有较长边和较短边，较长边与同一组永磁体中相邻永磁体的上表面的较长边相邻近。因此，较长边与轴向既不垂直也不平行。
[0092]永磁体的上述边缘的上述至少一部分(图6所示实施例中为平行四边形的较长边)与轴向之间的夹角可以大于6°且小于40°。更优选地，该夹角可以大于8°且小于
40。。
[0093]该旋转式永磁电机包括定子和转子。定子和转子中的一个为上述具有两组永磁体的永磁电机部件。而定子和转子中的另一个可以包括电枢绕组。
[0094]至此，已经详细描述了本发明的【具体实施方式】。应当理解，本发明的保护范围不受这里描述的具体细节的限制。在不脱离本发明的精神与范围的情况下，可以对本发明进行各种修改与变化。这些修改与变化都在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种用于永磁直线电机的永磁体阵列组件，包括安装板和固定在安装板上的永磁体阵列，其特征在于， 所述永磁体阵列包括两组永磁体， 所述两组永磁体分别布置在预定方向上一条直线的两侧，并且被布置为相对于所述直线对称， 每一组永磁体中的多个永磁体沿着所述预定方向依次排列， 所述永磁体的上表面远离所述安装板， 每一个永磁体的上表面的与同一组永磁体中的相邻永磁体相邻近的边缘的至少一部分与所述预定方向既不平行也不垂直。
2.根据权利要求1的永磁体阵列组件，其特征在于，所述永磁体的上表面为平行四边形，所述平行四边形具有较长边和较短边，所述较长边与同一组永磁体中的相邻永磁体相邻近。
3.根据权利要求1或2的永磁体阵列组件，其特征在于，每一个永磁体的所述边缘的所述至少一部分与所述上表面内垂直于所述预定方向的垂直方向之间的夹角大于6°且小于40。。
4.根据权利要求3的永磁体阵列组件，其特征在于，所述夹角大于8°且小于40°。
5.—种永磁直线电机,包括电枢绕组和永磁体阵列组件，所述电枢绕组和所述永磁体阵列组件被配置为能够沿着预定方向相对运动， 其特征在于， 所述永磁体阵列组件为根据权利要求1至4中任何一项的永磁体阵列组件。
6.—种永磁电机部件,被配置为能够用作永磁电机的定子或转子，该永磁电机部件上布置有永磁体阵列，该永磁电机部件具有轴向，并且在其圆周上每个点处具有指向圆心的径向，其特征在于， 所述永磁体阵列包括两组永磁体， 所述两组永磁体分别布置在垂直于所述轴向的一个径向平面两侧，并且相对于所述径向平面对称， 每一组永磁体中的多个永磁体沿着该永磁电机部件的圆周依次排列， 每一个永磁体的外侧表面基本上垂直于其所在圆周上一点处的径向， 每一个永磁体的外侧表面的与同一组永磁体中的相邻永磁体相邻近的边缘的至少一部分与所述轴向既不平行也不垂直。
7.根据权利要求6的永磁体阵列组件，其特征在于，所述永磁体的上表面为平行四边形，所述平行四边形具有较长边和较短边，所述较长边与同一组永磁体中相邻永磁体的上表面的较长边相邻近。
8.根据权利要求6或7的永磁电机部件,其特征在于,每一个永磁体的所述边缘的所述至少一部分与所述轴向之间的夹角大于6°且小于40°。
9.根据权利要求8的永磁电机部件，其特征在于，所述夹角大于8°且小于40°。
10.一种永磁电机，包括定子和转子，其特征在于，所述定子和转子中的一个为根据权利要求6至9中任何一项的永磁电机部件。
【文档编号】H02K1/17GK103532337SQ201310507943
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月25日 优先权日:2013年10月25日
【发明者】肖俊东 申请人:肖俊东