线性电机的制作方法

本发明涉及电机，具体涉及线性电机。

背景技术：

随着制造技术向高产率、高精密化方向发展，精密定位控制系统广泛应用于半导体制造、光伏电池片的印刷、电路板印刷、丝网印刷等行业，提供具有更高速度、定位稳定性和加工柔性等功能。

然而，目前的线性电机仍然没有较好地解决电机的推力波动和齿槽力偏高问题，导致产品制造精度受限。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能够优化电机的推力波动和齿槽力，使其降低的线性电机。

为实现上述目的，本发明提供了一种线性电机，所述线性电机具有定子、动子和导轨，其中所述导轨设置于所述定子上，所述动子布置成能够沿所述导轨相对于所述定子运动，所述定子设置有定子线圈单元，所述动子设置有永磁体单元，其中所述永磁体单元包括背铁和布置于所述背铁上的永磁铁阵列，所述永磁铁阵列具有主磁铁和布置于所述永磁体单元的至少一端上的副磁铁，其中所述副磁铁位于所述永磁铁阵列的最外侧的主磁铁外侧，以及所述副磁铁的宽度小于所述主磁铁的宽度。

较佳地，所述副磁铁平行于所述主磁铁放置。

较佳地，所述永磁体单元的两端均设有副磁铁。

较佳地，所述副磁铁的宽度w1与所述主磁铁的宽度w2存在如下关系：0.55w2≤w1≤0.65w2。

较佳地，所述副磁铁与相邻的主磁铁之间的距离比相邻的两个主磁铁之间的距离大。

较佳地，所述副磁铁与相邻的主磁铁之间的距离为相邻的两个主磁铁之间的距离的1.3-1.4倍。

较佳地，所述主磁铁和所述副磁铁沿运动方向倾斜的角度为-6°到﹢6°。

较佳地，所述动子还设有支撑板，所述背铁固定于所述支撑板上。

较佳地，所述定子设有基座，所述基座上设有用于容纳所述定子线圈单元的凹腔，并且在所述基座的侧面上设有冷却鳍片。

较佳地，所述基座内部进一步设有冷却通道，用于通入冷却气体或冷却液体。

较佳地，所述线性电机垂向布置，且所述线性电机进一步包括重力补偿装置，所述重力补偿装置与所述动子关联并用于补偿所述动子的重力。

较佳地，所述重力补偿装置具有气缸、动子安装件和定子安装件，其中所述动子安装件安装于所述动子上，所述定子安装件安装于所述定子上，以及所述气缸的两端分别连接于所述动子安装件和所述定子安装件。

较佳地，所述重力补偿装置具有动子端连接件，定子端连接件，以及弹簧，其中所述动子端连接件和所述定子端连接件分别连接于所述动子和所述定子，所述弹簧的两端分别连接于所述动子端连接件和所述定子端连接件。

较佳地，所述重力补偿装置包括配重、连接配重的缆绳以及固定滑轮，其中所述固定滑轮固定连接于所述定子，所述缆绳绕过所述固定滑轮，且所述缆绳的一端连接于所述配重，另一端连接于所述动子。

较佳地，所述定子设有基座，所述基座的上侧和下侧均布置有定子线圈单元，所述线性电机具有至少两个动子，其中至少一个动子布置于所述基座的上侧并能够相对于位于所述基座的上侧的定子线圈单元运动，至少另一个动子布置于所述基座的下侧并能够相对于位于所述基座的下侧的定子线圈单元运动，以及所述至少两个动子能够独立地被驱动并能够同时被驱动。

较佳地，所述线性电机具有至少两组定子线圈单元以及至少两个动子。

较佳地，所述至少两个动子能够独立地被驱动并能够同时被驱动。

本发明的线性电机的推力波动小且齿槽力小。

附图说明

图1是本发明提出的一种线性电机的立体图。

图2是本发明提出的线性电机装置的爆炸图。

图3是本发明提出的线性电机装置的具有鳍片冷却结构的定子基座单元。

图4是本发明提出的线性电机装置的永磁铁阵列单元。

图5是本发明提出线性电机装置的磁力线分布图。

图6是本发明提出的线性电机装置的推力常数曲线图。

图7是本发明提出的线性电机装置的有边端副磁铁时的齿槽力数据曲线图。

图8是本发明提出的线性电机装置的没有边端副磁铁时的齿槽力数据的曲线图。

图9是本发明提出的线性电机装置的重力补偿装置的另一实施例的结构图。

图10是本发明提出的线性电机装置的重力补偿装置的又一实施例的原理图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况来实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。

除非语境有其它需要，在整个说明书和权利要求中，词语“包括”和其变型，诸如“包含”和“具有”应被理解为开放的、包含的含义，即应解释为“包括，但不限于”。

在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。

如该说明书和所附权利要求中所用的单数形式“一”和“所述”包括复数指代物，除非文中清楚地另外规定。应当指出的是术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用，除非文中清楚地另外规定。

在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。

如图1-2所示，线性电机1具有定子2、动子3和导轨4，其中导轨4设置于定子2上，动子3布置成能够沿导轨4相对于定子2运动。定子2设置有定子线圈单元5。动子3设置有永磁体单元6。永磁体单元6包括背铁13和布置于背铁上的永磁铁阵列7。永磁铁阵列7产生的磁场和定子线圈单元5产生的磁场相互作用，由此推动动子3相对于定子运动。

如图1-3所示，定子2具有基座8。基座8的上侧和下侧均布置有定子线圈单元5。对应地，线性电机1具有上下对称的两个动子3，其中一个动子3布置于基座8的上侧并能够相对于位于基座8的上侧的定子线圈单元5运动，另一个动子3布置于基座8的下侧并能够相对于位于8基座的下侧的定子线圈单元5运动。

基座8上设有用于容纳定子线圈单元5的凹腔9。基座8上设有相背对的两个凹腔，分别用于容纳上侧的定子线圈单元和下侧的定子线圈单元。基座8的内部设有冷却通道10，用于通入冷却气体或冷却液体。冷却通道10的大小和数量可根据实际需要设置，例如电机的功率。基座8的侧面上设有冷却鳍片11。冷却鳍片11可以一体地形成于基座8上，也可采用粘接，焊接或其他方式连接于基座主体。

如图2和4所示，动子3具有永磁体单元6和支撑板12。永磁体单元6安装于支撑板12上。具体地，永磁体单元6通过其背铁13固定于支撑板12上。背铁具有大致u形的横截面，以便于安装永磁铁。支撑板12的形状结构可以根据该线性电机的应用场合设置。

如图4所示，永磁铁阵列具有依次排布的多块永磁铁。相邻的两块永磁铁极性相反。同时，永磁铁阵列沿着运动方向倾斜一定的角度θ，该倾斜角度能减小线性电机的推力波动，倾斜角度θ的范围一般为-6°到﹢6°。优选地，倾斜角度θ的范围一般为-5°到﹢5°。

永磁体单元6的永磁铁阵列7具有多块主磁铁14和布置于永磁体单元的至少一端上的副磁铁15。较佳地，永磁体单元的两端均布置有副磁铁15。具体地，副磁铁15位于永磁铁阵列的最外侧的主磁铁外侧。

永磁铁阵列的两端(也可以是一端)的副磁铁15可对电机的齿槽力进行补偿。副磁铁15倾斜角度与主磁铁角度一致。副磁铁15的宽度比主磁铁的宽度要小，其宽度w1与主磁铁的宽度w2存在如下关系：0.55w2≤w1≤0.65w2。该边端副磁铁与相邻磁铁的距离比相邻主磁铁的间距大，一般为1.3-1.5倍，优选地为1.3-1.4倍。

较佳地，副磁铁平行于主磁铁放置。

图5是本发明提出线性电机装置的磁力线分布图。图6是本发明提出的线性电机装置的推力常数曲线图，图中横轴是x向行程，纵轴是推力常数数值。推力常数最大42.25n/a，最小值37.12n/a，推力波动(42.25-37.12)/(42.25+37.12)＝6.5％。同等功率下，现有的线性电机的推力波动一般为10％～15％。可见，本发明的线性电机的推力波动大大降低。

图7是本发明提出的线性电机装置的有边端副磁铁时的齿槽力数据的曲线图。横轴是运动方向行程，纵轴是齿槽力数值。在有边端副磁铁的情况下线性电机齿槽力最大值为2.5n。图8是本发明提出的线性电机装置的没有边端副磁铁时的齿槽力数据的曲线图。横轴是运动方向行程，纵轴是齿槽力数值。在无边端副磁铁的情况下线性电机齿槽力最大值为9.9n。对比有边端副磁铁和没有边端副磁铁的最大齿槽力，增加边端副磁铁，能大大减小线性电机的齿槽力。

进一步地，当线性电机在垂向应用布置时，为了补偿动子的重力，提高电机驱动控制的动态特性，本发明的线性电机还包括重力补偿装置。以下描述几种不同方式的重力补偿装置。应理解，本申请不限于以下的重力补偿装置，而是还可以采用其他任何合适的重力补偿装置，只要其能够实现相应的技术效果即可。

如图1所示，本实施例的重力补偿装置是一种气缸式重力补偿装置17。该重力补偿装置具有气缸18、动子安装件19和定子安装件20。动子安装件19安装于电机的动子3上。定子安装件20安装于电机的定子上。气缸18的两端分别连接于动子安装件19和定子安装件20。当动子在电机驱动下运动时，气缸中活塞运动，气缸内部的气压流量补偿稳定的压力，用以抵消动子的重力部分，有利于提高动子快速响应和稳定。

电机的动子重力与气缸参数满足以下关系：

mg＝p0s，

其中，m为电机动子及负载的质量，g为重力加速度，p0为气缸的供气压力，s为气缸的活塞截面积。

通过抵消电机动子重力之后，电机动子无须额外驱动电流来平衡重力的影响，减小了电机的发热，进而提高了电机的寿命。

图9是本发明提出的线性电机装置的重力补偿装置的另一实施例的结构图。本实施例的重力补偿装置由一个弹簧系统组成，该弹簧系统具有动子端连接件910，定子端连接件908，以及弹簧909。动子端连接件910和定子端连接件908分别连接于动子和定子。弹簧909的两端分别连接于所述动子端连接件和所述定子端连接件。弹簧909在电机动子的重力作用下，具有初始的弹簧伸长量x0，此处位于电机动子的行程中心，相对于弹簧的初始伸长量，具有一定的初始变形量，处于完全抵消重力的状态。

当动子位于电机的行程中心时，电机的动子重力与弹簧参数满足如下关系：

mg＝kx0，

其中，m为电机动子及负载的质量，g为重力加速度，k为弹簧的刚度，x0为初始的弹簧伸长量。当动子在上下运动时，动子上存在额外的弹簧刚度力f＝k(x1-x0)，通过弹簧的刚度和初始变形设计，动子伺服运动引入额外的弹簧低刚度扰动，和远小于重力的弹簧力波动。但同样有利于提高动子快速响应和稳定，减小了电机的发热，进而提高了电机的寿命。

图10是本发明提出的线性电机装置的重力补偿装置的又一实施例的原理图。本实施例的重力补偿装置由一个重力滑轮平衡系统组成。该重力滑轮平衡系统包括配重911、连接配重的缆绳912以及固定滑轮913。固定滑轮913固定连接于定子。缆绳912绕过固定滑轮913。缆绳912的一端连接于配重911，另一端连接于动子或动子端负载质量，图中用附图标记914来表示电机的动子端负载质量。配重911和动子端负载质量914的质量相等。当动子在上下运动时，动子上的驱动负载重力完全被配重平衡，动子伺服运动有利于提高动子快速响应和稳定，减小了电机的发热，进而提高了电机的寿命。

以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，若需要，能修改实施例的方面来采用各种专利、申请和出版物的方面、特征和构思来提供另外的实施例。

考虑到上文的详细描述，能对实施例做出这些和其它变化。一般而言，在权利要求中，所用的术语不应被认为限制在说明书和权利要求中公开的具体实施例，而是应被理解为包括所有可能的实施例连同这些权利要求所享有的全部等同范围。