直線電機及其製造方法
2023-05-13 19:55:51 1
專利名稱：直線電機及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種直線電機及其製造方法，更具體地說涉及一種直線電機和一種直線電機的製造方法，其中提供一種在其上繞有線圈的電樞和帶有交替地設置的相對的磁極齒對(上部和下部磁極齒)的磁極。
已有技術在常規上人們知道如果通過永磁體產生直線電機的磁場則可以以簡單的結構實現較高的牽引力。因此，人們考慮了直線電機的各種結構。
日本專利申請公開SHO63-310361公開了一種能夠通過簡化的引線加工以較低的成本製造的線性脈衝馬達。雖然在該專利公開出版物中進行了詳細描述，在下文還是給出該直線電機的簡要結構，如附
圖12所示。
在具有U-形部分的直電樞3的內部，平行固定兩個磁扼，這兩個磁扼也為U形，以及線圈4縱向地繞在每個磁扼的底部。每個磁扼配備有兩個直立的磁極。在每個磁極上的頂部上固定一個磁極極板，其中等間距的磁極齒20朝另一磁極板凸伸，由此使磁極齒20交錯並形成起貨鉤型磁極表面。保持住磁針6以使能夠沿電樞3的縱向方向移動，該磁針6配備有彼此平行的兩組永磁體7以使磁極表面穿過空氣間隙相對著，磁化永磁體7以使它的極性以與磁極板的凸齒的間隔相同的間隔交替。應用這種結構，當將具有90°相移的兩相正弦波電流輸送到繞在每個磁扼上的線圈4時，由於公知的直線電機的原理，磁針6在電樞3上沿縱向方向運動。
根據已有技術，雖然通過簡化的結構和簡化的引線加工能夠製造直線電機，但是它具有如下的缺陷。這就是因為兩個磁極和給電樞3所提供的磁極極板如上文所構造，穿過在從兩個磁極的頂部上凸伸的交替的磁極齒20之間的間隙的漏磁通總的來說很大。結果，與激勵電流相比馬達的牽引力較低。此外，由於磁性引力單方向作用在電樞3和磁針6之間，給磁針6的支撐機構施加了更大的負擔，因此在該結構中產生了應力，結果造成了各種麻煩。
發明概述本發明的一個目的是提供一種直線電機及其製造方法，其中降低了在磁極極板的磁極齒之間的間隙的漏磁通，因此使在電樞和磁針之間的磁性引力最小。
為實現上述發明目的，提供一種包括電樞和有磁性的磁針的直線電機，該電樞至少配備有具有第一相對部分的第一極性的磁極和具有第二相對部分的第二極性的另一磁極，該磁針放置在第一相對部分之間並還放置在第二相對部分之間。
還提供一種製造包括電樞和具有磁極的磁針的直線電機的方法；其中以層狀鋼板分別製造要在其上繞線圈的電樞鐵心、在兩側的磁極以及磁極單元以形成電樞單元，該磁極單元由上部磁極齒和相對的下部磁極齒集成而成，通過分別組裝所製造的電樞單元來構造帶有具有第一相對部分的第一極性的磁極和具有第二相對部分的第二極性的另一磁極的電樞。
附圖概述附圖1所示為根據本發明一個實施例的直線電機的示意圖。
附圖2所示為在附圖1中的直線電機的剖視圖。
附圖3所示為在附圖1中的直線電機的磁通的總體圖。
附圖4所示為包括串聯的本發明的兩個電樞單元的直線電機。
附圖5所示為包括並聯的本發明的兩個電樞單元的直線電機。
附圖6所示為根據本發明的另一實施例電樞單元的串聯結構的示意圖。
附圖7所示為根據本發明的另一實施例(第一)磁針的示意圖。
附圖8所示為根據本發明的另一實施例(第二)磁針的示意圖。
附圖9所示為根據本發明的另一實施例(第三)磁針的示意圖。
附圖10所示為根據本發明直線電機的製造方法簡圖。
附圖11所示為根據本發明直線電機的另一製造方法簡圖。
附圖12所示為根據已有技術線性脈衝馬達的示意圖。
優選實施例的詳細描述下文結合附圖描述本發明的優選實施例。
附圖1所示為根據本發明的一個實施例直線電機的示意圖，以及附圖2所示為它的剖視圖。
在附圖1中，1是磁極，11a是磁極1的上部磁極齒，12b是磁極1的下部磁極齒，2是另一磁極，21b是磁極2的下部磁極齒，22a是磁極2的上部磁極齒，3是電樞，4是電樞線圈，5是電樞鐵心，6是磁針，7是永磁體，8是在磁極1的上部磁極齒11a和磁極2的下部磁極齒21b之間的間隙(或在磁極1的下部磁極齒12b和磁極2的上部磁極齒22a之間的間隙)，Ps是在相同的上部或下部側面的兩個相鄰磁極齒之間的中心到中心磁極距。在底部的電樞鐵心5的兩側上電樞3配備有磁極1和2，電樞線圈4縱向繞在電樞鐵心5上，該電樞鐵心5是具有U形部分的較長的直的鐵心。因此，電樞3具有兩個磁極1和2。
磁極1在它的頂部上配備有朝磁極2凸伸的上部磁極齒11a、下部磁極齒12b、上部……，同時磁極2在它的頂部上也配備有朝磁極1凸伸的下部磁極齒21b、上部磁極齒22a、下部……。即磁極1的凸伸磁極齒以兩個高度(上部和下部)設置，因此第(2n-1)齒(n＝1，2，3，……)凸伸為上部齒，而第(2n)齒(n＝1，2，3，……)凸伸為下部齒。與磁極1相反，磁極2的磁極齒也以兩個高度設置，因此第(2n-1)齒(n＝1，2，3，……)凸伸為下部齒，而第(2n)齒(n＝1，2，3，……)凸伸為上部齒。當將磁極1和磁極2的所有的上部磁極齒定義為上部磁極表面而將所有的下部磁極齒定義為下部磁極表面時，這種結構意味著提供兩個磁極表面，上部和下部，在其中磁極1和磁極2的相對的磁極齒交錯。
這裡，將一對第一上部磁極齒11a和下部磁極齒12b定義為第一相對部分，而將第二上部磁極齒21b和下部磁極齒22a定義為第二相對部分。因此，如此構造電樞以使第(2n-1)對作為第一相對部分和第(2n)作為第二相對部分。
當在每個相對部分的上部磁極齒和下部磁極齒之間形成恆定的間隙8並通過間隙8放置磁性磁針時，形成了這樣的一種結構磁針保持在第一相對部分之間以及在第二相對部分之間。
應用這種結構，形成了這樣的一種電樞單元在根據本發明的直線電機的每個相對部分的上部和下部磁極齒之間的間隙中磁通在上部和下部磁極齒之間交替地朝上和朝下流動並且磁針通過間隙相對地運動。
在附圖2中，支撐機構(在電樞側上)14在電樞3的一側上支撐著相對運動的磁針6，而支撐機構(在磁針側上)15在磁針6的一側上支撐著相對運動的磁針6。由支撐機構14和15所支撐的磁針6在間隙8中相對運動就如同在隧孔中運行。
在根據本實施例的直線電機中，形成了電樞3的兩個不同的磁極齒(上部磁極齒和下部磁極齒)，磁針6在上部和下部磁極齒之間相對運動。如果從磁針6的中心距離上部和下部磁極齒的距離相等，在磁針6和上部磁極齒之間作用的引力相等但方向與作用在磁針6和下部磁極齒之間的引力相反。因此，在總體上該引力彼此抵消為零。結果，可以減少在磁針6和電樞3的磁極齒之間的引力，因此可以使在支撐機構14和15上的負擔最小。
附圖3所示為根據本實施例的直線電機的磁通流的總體圖。當激勵電樞線圈4時，如果將磁極1的上部和下部磁極齒磁化為N極，將磁極2的上部和下部磁極齒磁化為S極。當出現這種情況時，磁通從磁極1的上部磁極齒11a流到磁極2的下部磁極齒21b，並類似地從磁極1的下部磁極齒12b流到磁極2的上部磁極齒22a。結果，在上部和下部磁極表面之間的間隙8中的磁通流的方向在每個磁極間距上反向。
在根據本實施例的直線電機中，由於上述原因，磁通通過磁針6的永磁體的的N極和S極從上部磁極齒朝下部磁極齒流，還從通過磁針6的永磁體的的S極和N極從下部磁極齒朝上部磁極齒流。結果，有效磁通的磁性路徑的磁路變得較短，磁阻變低，有效磁通增加，磁通洩露降低。
在另一方面，由於常規的起貨鉤狀磁極型直線電機僅具有一單磁極表面，來自電樞3的N磁極齒的磁通穿過磁針6的永磁體的S磁極和N磁極並返回到電樞3的S磁極齒。因此，有效磁通的磁性路徑的磁路變得更長。結果，在常規的起貨鉤狀磁極型直線電機中，磁阻增加，而沒有流經磁針6的永磁體但從電樞7的N極齒直接流到附近S極齒的磁通洩漏增加。
接著，下文解釋串聯或並聯設置的包括在附圖1中的多個電樞單元的直線電機。附圖4所示為包括串聯設置的在附圖1中所示的兩個電樞單元的直線電機。
一般地，在附圖4中電樞單元A和電樞單元B串聯設置以使在電樞單元A的磁極齒「a」和附近的電樞單元B的磁極齒「b」之間的間距是(K·P+P/M){K＝0，1，2，…，(M＝2，3，4，…)}。P表示磁極間距(選擇電樞磁極間距Ps或磁針磁極間距Pm)，以及M表示電機的相位。即在附圖4中K＝3和M＝2。
在附圖4中，電樞磁極間距Ps可以等於或不等於磁針磁極間距Pm。使電樞磁極間距Ps等於磁針磁極間距Pm能夠有效地降低作用在永磁體7和磁極齒之間的脈動推力。磁針6配備有多個永磁體7以使極性在兩個相鄰的磁極之間交替，並使在附圖2中磁性朝Z方向。
當磁針6保持在如附圖2中所示的支撐機構14和15支撐的電樞單元A和電樞單元B的上部和下部磁極表面之間的間隙8中並且交替地激勵電樞單元A的電樞線圈4和電樞單元B的電樞線圈時，磁通以交替的方向在每個磁極間距上在上部磁極表面和下部磁極表面之間的間隙8中流動。因此，由於P/2的結果產生了運動所需的推力，磁針6相對運動。
如上文所解釋，串聯設置兩個電樞單元構造直線電機，在該馬達中磁針6穿過在電樞單元A和B的上部磁極表面和下部磁極表面之間的間隙相對運動。
如附圖4所示，雖然上文的解釋包含串聯的兩個電樞單元的結構，但是相同的結構也可以應用到串聯的多個電樞單元的結構中。
附圖5所示為包括並聯設置的附圖1的兩個電樞單元的直線電機。如附圖5所示，並聯且完全並排地設置電樞單元A和電樞單元B，每個磁針都配備有多個永磁體7以使磁性在兩個相鄰磁極之間交替，並將磁針6a和磁針6b組合成一體。在這個過程中，磁針6a從磁針6b移動P/2的間距。相對地說，還可以允許磁針6a和磁針6b完全並排地集成在一起，但電樞單元A從電樞單元B移動P/2的間距。
在附圖5的並聯結構中，電樞磁極間距Ps等於或不等於如附圖4中所示的串聯結構的磁針磁極間距Pm。
以與附圖4所示的方式類似的方式，當磁針6a和磁針6b保持在分別由如附圖2中所示的機構14和15支撐的電樞單元A和電樞單元B的上部和下部磁極齒之間的間隙8中並且交替地激勵電樞單元A的電樞線圈4和電樞單元B的電樞線圈時，磁通以交替的方向在每個磁極間距上在上部磁極表面和下部磁極表面之間的間隙8中流動。因此，由於P/2的結果產生了運動所需的推力，磁針6相對運動。
如上文所解釋，並聯地設置兩個電樞單元並將兩個磁針組合成一體來構造直線電機，在該直線電機中磁針6a和磁針6b通過分別在電樞單元A和B的上部磁極表面和下部磁極表面之間的間隙相對運動。
雖然如附圖5所示上文的解釋包含並聯的兩個電樞的結構和兩個磁針結合成一體的情況，但是仍然相同的結構仍然可以應用到多個電樞單元並聯並將多個磁針組合成一體的結構中。
如上文所述，在串聯或並聯的多個電樞單元的結構中，如果電樞單元或磁針組合成在一起以使在兩個相鄰的電樞單元的磁極齒之間或在兩個相鄰的磁針的磁極之間的間距是(K·P+P/M){(K＝0，1，2，…)，(M＝2，3，4，…)}，則每個電樞單元都相對運動，這裡P表示磁極間距，M表示電機的相位。
附圖6所示為根據本發明的另一實施例電樞單元的串聯結構的示意圖。附圖6所示為兩相直線電機，在該電機中4個電樞單元串聯設置，在這4個電樞單元中每兩個電樞單元形成一相，如果磁極間距為P，在同相的兩個相鄰的電樞單元之間的磁極齒間距為(K·P){K＝0，1，2，…}，在不同相的兩個相鄰的電樞單元之間的磁極齒間距為(K·P+P/M){(K＝0，1，2，…)，(M＝2，3，4，…)}{K是不超過要設置的相鄰的電樞單元的最大數量的任意數目，M是電機的相位}。6(a)所示為電樞單元的相A-相B-相A-相B結構。6(b)所示為電樞單元的相A-相A-相B-相B結構。
當安裝多個電樞單元以形成如附圖6所示的一相時，通過直線電機可以形成更大的引力。雖然附圖6包含在其中安裝4個電樞單元每兩個電樞單元形成一相的直線電機，但是上文的解釋也可以應用到串聯的多個電樞單元的結構中。相同結構還可以應用到並聯的多個電樞單元並將多個磁針結合成一體的結構中。
附圖7所示為在本發明中的磁針的另一實施例。在附圖1中的磁針6配備有多個永磁體7以使極性在兩個相鄰的磁極之間交替。然而，在附圖7中所示的磁針6應用扁平的鐵磁材料而不用永磁體7，在鐵磁材料的兩側上以恆定的間距形成凸起的磁極齒13。
當在鐵磁材料的兩側上形成凸起的磁極齒13時，在電樞和磁極表面之間的磁阻產生變化。即，在凸起的磁極齒13和電樞磁極表面之間的磁阻低於在鐵磁材料的扁平部分16和電樞的磁極表面之間的磁阻。通過應用磁阻的變化，可以自由地移動磁針。
在上文的結構中，凸起的磁極齒13可以由鐵磁材料形成，而扁平部分16由永磁體形成，由此形成組合的磁針。還可以將由鐵磁材料形成的凸起的磁極齒13與由非磁性材料形成的扁平部分16相結合。
附圖8所示為將在附圖7中的扁平的磁針形成為管狀磁針的實例。鐵磁材料36和非鐵磁材料37結合在軸35上。還可以應用永磁體。
附圖9所示為在本發明中的磁針的另一實施例。在附圖9中，將磁針9構造成環帶或環鏈，並將鐵磁材料34嵌入在其中。還可以應用永磁體取代鐵磁材料。
下文解釋根據本發明的直線電機的製造方法。
附圖10所示為在附圖1中的直線電機的分解示意圖。分別製造每個磁極1和2和磁極齒11a，12b，21b和22a，並將磁極1和磁極齒11a和12b放置在一起，將磁極2和磁極齒12b和22a也放置在一起，以形成電樞單元。為此，可以將在每側的磁極和上部和下部磁極齒壓緊在一起並將兩側放置在一個單元中。還可以將兩側的所有的磁極和上部和下部磁極齒壓緊在一起。
安裝在電樞單元上的支撐機構(在電樞側上)14垂直地和水平地支撐著磁針。
附圖11所示為本發明的直線電機的另一製造方法。應用這種製造方法，由層狀鋼板在單片上製造磁極單元31A，該磁極單元31包括在其上繞有線圈4的電樞鐵心、在兩側上的磁極、上部磁極齒11a和相對的下部磁極齒21b。
相對朝向地安裝的磁極單元31A具有另一磁極單元31A′的作用。支撐結構32和導管33安裝在磁極單元31A和另一磁極單元31A′之間。結果，電樞被構造成第(2n-1)個單元是對應於第一相對部分的磁極單元31A，第(2n)個單元是對應於第二相對部分的另一磁極單元31A′。
還可以分別製造右邊的一半和左邊的一半的磁極單元31A和31A′，並將兩半放在一個單元中以將線圈4夾在兩側中。
雖然上文參考直線電機已經描述了本發明的優選實施例，但是本實施例的磁針和電樞單元可以應用到振動型線性致動器中，當給該電樞單元的線圈施加DC電流時在該致動器中磁針相互相對運動。
本發明的效果如上文所解釋，根據本發明，有效磁通的磁路的磁路徑變得更短，因此可以降低磁通洩漏。
此外，由於垂直作用在磁針的運動方向上在磁針和電樞之間的總的引力彼此相互抵消為零，因此可以降低在磁針和電樞的磁極表面之間的引力，因此可以使支撐機構上的負擔最小。
此外，通過分離件的形式製造電樞單元可以容易地有效地製造根據本發明的電樞，其中應用層狀鋼板將磁極單元製造成一體，該磁極單元包括在其上繞線圈的電樞鐵心、在兩側上的磁極、上部磁極齒和相對的下部磁極齒。
權利要求
1.一種包括電樞和有磁性的磁針的直線電機，該電樞至少配備有具有第一相對部分的第一極性的磁極和具有第二相對部分的第二極性的另一磁極，以及該磁針放置在第一相對部分之間並還放置在第二相對部分之間。
2.一種包括電樞和有磁性的磁針的直線電機，其中通過在電樞和磁針的相互作用保持垂直於運動方向的磁針的相對位置。
3.根據權利要求1或權利要求2所述的直線電機，其中當安裝多個電樞單元並假設磁極間距為P時，在兩個相鄰的電樞單元之間的磁極齒間距是(K·P+P/M){(K＝0，1，2，…)，(M＝2，3，4，…)}{K是不超過要設置的相鄰的電樞單元的最大數量的任意數目，M表示電機的相位}。
4.根據權利要求1至3中任一權利要求所述的直線電機，其中當安裝多個電樞單元兩個或更多個電樞單元形成一相，並且假設磁極間距為P時，在同相的兩個相鄰的電樞單元之間的磁極齒間距為(K·P){K＝0，1，2，…}，在不同相的兩個相鄰的電樞單元之間的磁極齒間距為(K·P+P/M){(K＝0，1，2，…)，(M＝2，3，4，…)}{K是不超過要設置的相鄰的電樞單元的最大數量的任意數目，M是電機的相位}。
5.根據權利要求1至4中任一權利要求所述的直線電機，其中電樞單元的磁極齒間距等於或不等於磁針的磁極間距。
6.根據權利要求1至5中任一權利要求所述的直線電機，其中設有支撐磁針的支撐機構，該磁針在該電樞單元的間隙中相對運動。
7.一種製造包括電樞和具有磁極的磁針的直線電機的方法；其中由層狀鋼板分別製造要在其上繞線圈的電樞鐵心、在兩側的磁極以及磁極單元以形成電樞單元，該磁極單元由上部磁極齒和相對的下部磁極齒集成而成，通過組裝分別製造的電樞單元來構造帶有具有第一相對部分的第一極性的磁極和具有第二相對部分的第二極性的另一磁極的電樞。
全文摘要
本發明使通過在電樞的磁極齒之間的間距的磁通洩漏最小,並還使在電樞和磁針之間的所產生的磁性引力最小。電樞繞組(4)繞在電樞的鐵心(5)上,形成兩個磁極(1,2),並在兩個磁極上形成朝匹配的磁極凸伸的磁極齒(11a,12b,21b,22a),使一個磁極(1)上的第(2n－1)個(n=1,2,…)磁極齒在兩級中的上一級上延伸,而使第(2n)個(n=1,2,…)磁極齒在下一級上延伸,使另一個磁極(2)上的第(2n－1)個(n=1,2,…)磁極齒在兩級中的下一級上延伸,而使第(2n)個(n=1,2,…)磁極齒在上一級上延伸,由此形成電樞單元,在該電樞單元中磁通在上部和下部磁極齒之間上下交替,帶有永磁體的磁針(6)相對運動過在電樞單元的上部和下部磁極表面之間的間隙(8)。
文檔編號H02K41/03GK1349678SQ00807250
公開日2002年5月15日 申請日期2000年4月27日 優先權日1999年5月7日
發明者金弘中, 牧晃司, 片山博 申請人:株式會社日立製作所