一种用于轴向进给的混合励磁开关磁通直线电机

摘要

本发明涉及一种用于轴向进给的混合励磁开关磁通直线电机，定子小齿环，定子大齿环，磁钢，电枢绕组，励磁绕组，定子轭部套环沿轴向排放在定子安装套筒组成直线电机的初级定子。动子齿环沿轴向逐个嵌套在进给轴外径上组成直线电机的次级动子。本发明通过设计组合式定子模块结构，使直线电机组装方便简单；设置磁钢和绕组在电机定子上，降低直线电机材料用量和造价；电机动子只存在动子齿环，驱动鲁棒性强，惯量低。通过设置励磁绕组，调节电机磁场，改善直线电机低速负载和高速进给的性能。另外，本发明通过设置简单的冷却液螺管，使得磁钢、电枢绕组和励磁绕组共同散热，大大提高电机运行稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于机床进给用伺服直驱电机领域，特别涉及一种用于轴向进给的混合励磁开关磁通直线电机。

背景技术

现今高档数控加工机床中用圆筒型永磁直线电动机替代“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的主轴轴向进给方式具有直线速度高，瞬时响应快，线性定位精度高等优势，越来越得到广泛的应用。现有的正弦波永磁直线同步电机具有高功率密度和精确的控制性能，使其成为轴向进给驱动用圆筒型直线电机的首选。该直线电机通常分为动圈式和动磁式两种结构，动圈式结构电机存在永磁磁钢用量大，电机线路连接复杂等问题；动磁式结构电机铜耗大，效率低，磁钢易损坏。

鉴于以上技术问题，实有必要提供一种可以克服上述缺陷的新型的圆筒型直线电机，用于机床主轴的轴向进给，降低伺服直线进给系统的造价，提高机电设备工作效率，稳定性和鲁棒性。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提出一种用于轴向进给的混合励磁开关磁通直线电机，通过将永磁磁钢和绕组线圈设置在电机短初级定子上，长次级动子只设置齿环，使电机材料用量大大降低，鲁棒性增强；通过设置励磁绕组，使电机内磁场可控调节，改善直线电机低速负载和高速进给性能。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于轴向进给的混合励磁开关磁通直线电机，包括进给轴，设置在进给轴外周的次级动子以及设置在次级动子外周的初级定子，所述次级动子由沿轴向依次嵌套在进给轴外径上的动子齿环组成；所述初级定子包括定子大齿环、定子小齿环、电枢绕组、励磁绕组，以及磁钢，所述磁钢将一对定子大齿环一分为二，每一个定子大齿环通过凸缘连接有定子小齿环，所述定子小齿环和凸缘以及定子大齿环之间的空间设置所述励磁绕组，所述电枢绕组设置在定子小齿环的外侧且与定子大齿环接触；所述初级定子设置在所述次级动子外侧，所述进给轴被机座支撑，所述次级动子通过直线轴承与机座连接；所述磁钢沿轴向充磁，且轴向相邻的两个磁钢的充磁方向相反；所述轴向相邻的两个电枢绕组的绕线方向相反；所述磁钢两侧的电枢绕组串联连接成对，沿轴向依次设置为A，B，C三相；所述轴向相邻的两个励磁绕组的绕线方向相反，所述磁钢两侧励磁绕组串联连接成对；所述磁钢，两对定子大齿环和定子小齿环，一对电枢绕组，一对励磁绕组组成一个定子模块，所述两个定子模块外侧之间设置有用于轴向固定的所述定子轭部套环。

作为本发明的优选实施例，所述定子安装套筒外侧设置有冷却液螺管。

作为本发明的优选实施例，所述机座外侧设置有轴承端盖，所述定子安装套筒外侧设置有定子端盖，所述进给轴轴向两端分别设置有定位环和锁紧螺母。

本发明用于轴向进给的混合励磁开关磁通直线电机至少具有以下优点：本发明通过设计组合式定子模块结构，使直线电机组装方便简单；设置磁钢和绕组在电机定子上，降低直线电机材料用量和造价；电机动子只存在动子齿环，驱动鲁棒性强，惯量低。通过设置励磁绕组，调节电机磁场，改善直线电机低速负载和高速进给的性能。另外，本发明通过设置简单的冷却液螺管，使得磁钢、电枢绕组和励磁绕组共同散热，大大提高电机运行稳定性。因此，相比现有的直线电机，本发明直线电机作为主轴轴向进给的伺服直驱动力源更具有优势，工作性能更佳。

附图说明

图1是本发明一种用于轴向进给的混合励磁开关磁通直线电机的整体结构示意图；

图2是图1中电机定子模块的组成结构示意图；

图3是图1中动子齿环的结构示意图；

图4是本发明一种用于轴向进给的混合励磁开关磁通直线电机的工作特性曲线图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种用于轴向进给的混合励磁开关磁通直线电机的组成结构及其电磁性能作具体介绍：

参阅图1所示，本发明一种用于轴向进给的混合励磁开关磁通直线电机，主要由进给轴1，定子安装套筒2，机座3，定子大齿环4，定子小齿环5，电枢绕组6，磁钢7，励磁绕组8，定子轭部套环9，动子齿环10等组成。所述定子小齿环5，定子大齿环4，磁钢7，电枢绕组6，励磁绕组8，定子轭部套环9沿轴向排放在所述定子安装套筒组成直线电机的初级定子。

结合图1和图2所示，所述磁钢7沿轴向充磁，轴向相邻两个磁钢7充磁方向相反，所述磁钢7轴向两侧设置有所述定子大齿环4，所述定子大齿环4通过凸缘与所述定子小齿环5连接(具体地说，所述定子大齿环设置有凸缘，所述定子小齿环的截面为L形结构，刚好搭在前述凸缘上，所述定子大齿环和定子小齿环沿径向形成有凹槽，所述励磁绕组8正好容置在该凹槽内)。所述定子小齿环5径向外侧设置所述电枢绕组6，轴向相邻的两个电枢绕组6的绕线方向相反。所述磁钢7两侧电枢绕组6串联连接成对，沿轴向依次设置为A，B，C三相结构。

所述励磁绕组8设置在所述定子大齿环4和定子小齿环5形成的径向凹槽内，轴向相邻的两个励磁绕组8的绕线方向相反。所述磁钢7两侧励磁绕组8串联连接成对。调节电机磁场时每对绕组同时并行通入励磁直流电。

所述一个磁钢7，两对定子大齿环4和定子小齿环5，一对电枢绕组6，一对励磁绕组8组成一个定子模块，所述两个定子模块外侧之间设置有用于轴向固定的所述定子轭部套环9。

结合图1和图3所示，所述动子齿环10沿轴向逐个嵌套在所述进给轴1外径上组成直线电机的次级动子。所述初级定子设置在所述次级动子外侧，嵌套在所述机座3内，所述次级动子前端外侧设置有直线轴承11，所述直线轴承11与所述机座3连接。

作为本发明的优选实施例，所述定子安装套筒2内侧沿周向依次放置有6个定子模块，对应轴向长度上设置动子齿环10的最佳个数为19，再根据直线电机轴向行程的要求，添加相应数量的动子齿环10。可根据应用需要，设置定子模块的个数为6的倍数，并选择行程对应的动子齿环10的个数。

参阅图4所示，利用有限元仿真分析，研究所述励磁绕组8对本发明直线电机磁场的调节性能。作为本发明电机的一个应用实例，设定直线电机额定速度为0.5m/s，额定推力为8000N。本发明电机主磁场由所述磁钢7和励磁绕组8共同作用构成混合励磁磁场，属于一种混合励磁电机。所述电枢绕组6在混合励磁磁场下产生感应磁通从而产生电磁推力。当所述励磁绕组8不通入电流时，电磁磁场完全由所述磁钢7产生，直线电机在额定速度以下产生额定推力8000N，由电机学知识可知，在其他电磁参数不变的情况下，提高电机磁场强度，电机输出推力越大，负载能力越强。因此，对所述励磁绕组8通入一定方向和幅值的直流电流，使电机磁场增大，能使电枢绕组6的感应磁通增大，从而使输出推力增大。作为本发明电机的一个应用实例，当通入最大励磁电流时，电机输出推力达到20000N，为额度推力的2.5倍，特别适合主轴运行在低速轴向负载进给时提供足够大的驱动力，因此本发明电机设计在进给速度0.3m/s以下能通过混合励磁的作用输出推力20000N。

另一方面，当对励磁绕组8通入与增磁作用相反方向的直流电流时，使电枢绕组6的感应磁链幅值降低，在电枢绕组输入额定电流不变的情况下，降低了电机输出推力，提高了电机输出转速，起到弱磁升速的作用，能提高电机的调速范围，特别适合主轴运行在高速进给，回退等空载过程，提高工作效率。作为本发明电机的一个应用实例，当通入最大弱磁电流时，电机直线进给速度最大能达到1.8m/s，为额定速度的3.6倍，大大扩大了直线电机的运行速度范围。使电机操作运行更为灵活，适应性更强。综述所述，混合励磁的作用使得本发明直线电机在机床轴向进给伺服直驱系统中的应用具有显著的优越性。

再次参阅图1所示，所述定子安装套筒2外侧设置有冷却液螺管16，所述机座3外侧设置有轴承端盖12，所述定子安装套筒2外侧设置有定子端盖13，所述进给轴1轴向两端分别设置有定位环14和锁紧螺母15。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵。