[其他]电子换向直线电机

说明书

用于仪表或其他伺服机构作为驱动用的电子换向直线电机，具有一边带两组以上绕组的长铁芯另一边至少有一对磁极的运动部分。电机的磁路短、磁阻小而不变，故推力较大，并且在两头或中间推力相等；铁芯的长度不影响磁路长短，故行程可以较长。绕组分为若干段，各段右旋、左旋相间，各绕组绕法相同，均匀错开，长铁芯可以做成圆弧形，可以产生圆弧运动。

本发明是属于仪表用的伺服电机的领域。

已知的直流直线电机是由带单方向绕线的绕组的长铁芯及一块装在运动部分上的永磁体构成。长铁芯要有一个同样长的衔铁及端块构成闭合磁路;永磁体则以一个磁极面对绕组，永磁体所产生的磁通穿过整个铁芯及衔铁，磁阻较大，而且不恒定，中间大，两头小。由于磁阻大造成气隙漏磁，推力在中间小两头大。为了限制漏磁，铁芯要有较高的导磁率，以及足够的铁芯截面以降低磁通密度，这意味着提高材料的品位及尺寸的加大，此外为了限制漏磁，铁芯的长度要受到限制，这就是说行程要受到限制。

本发明的任务是使直线电机的推力大而均匀，铁芯材质要求低，体积小，行程大。

其任务是这样解决的：在长铁芯上绕有两组或两组以上的绕组，各绕组互相错开一定距离，每组绕组又被分成若干段，每段的绕向是右旋与左旋相间。运动部分的永磁体以N极和S极并排对着绕组，N极与S极的中心距约等于相邻两段线圈的中心距。主磁通只通过紧靠永磁体的长铁芯部分，长铁芯的其余部分没有磁通穿过，永磁体与长铁芯之间那部分线匝处于强磁场中，绕组流过电流时对永磁体产生推力。为了维持预定方向的推力，各绕组的电流应随着永磁体的运动而换向。

本发明的优点在于，和单绕组的直流直线电机相比，磁路短，磁阻小，穿过绕组的有效磁通量比较大，可以获得较大的推力，即使长铁芯的导磁率不很高，亦不致对推力产生明显影响。在永磁体移动时，磁路长度始终不变，所以磁阻也不变，因此推力在两头或中间都是相同的。由于磁路是短的，长铁芯的长度不会影响磁路的变化，所以推力和长度之间没有直接的关系，行程容许很长。由于绕组都是分段并且右旋左旋相间，铁芯虽长，但绕组自感很小，容易得到好的动态特性。

本发明最佳实施方案：长铁芯可以用最简单的结构，实芯无槽、矩形截面。虽然这样绕组占去了部分气隙空间而不得不使气隙相应增大，但磁阻均匀无突变，对作为伺服电机的用途来说好处是可以减小起动电流。长铁芯与永磁体的配合有三种基本方式：一条铁芯和一对磁极;一条铁芯和铁芯的两面各有一对磁极;两条铁芯中间有永磁体，永磁体上有两对磁极分别对着两条铁芯，两条铁芯中至少有一条是带绕组的。无论哪一种长铁芯的两头都不需要加衔铁，它们的选择只是视允许的复杂程度与垂直于运动方向的吸引力是否需要得到平衡而定。

长铁芯可以是弧形的，此时永磁体就要围绕与圆弧同心的轴线转动。永磁体的磁极既可对着内圆柱面也可对着外圆柱面或侧面，长铁芯可以在圆弧上采取任意的张角，从0到2π。

电子换向直线电机的换向可以用任何一种已知的方法进行。

本发明在记录仪表上作为推动指针和记录笔的伺服电机的应用实例示于图1至图4：

图1磁通穿过气隙及长铁芯的主磁路。

图2单根长铁芯上带有两组绕组的绕线方法示意图及长铁芯与永磁体组装在一起时的相互关系。

图3两根带有绕组的长铁芯与永磁体组装在一起时的相互关系。

图4弧形长铁芯的电机。

在用单根长铁芯与一对永磁体组成电机时，永磁体必须附有衔铁1以减少磁阻，两块磁钢之间保持一个小间隔以减小磁短路。这种结构不可避免地有一个垂直于运动方向的吸引力存在，这个吸引力将分担在各轴承上，如果轴承可以承受得住，吸引力的存在倒可以减少运动部分的自由度，从而简化轴承结构，长铁芯也同样受到一个吸引力并有弯曲的趋势，克服的方法是把长铁芯连同绕组用环氧树脂灌封在非磁性的盒子内。当用两根长铁芯4与对永磁体3构成电机时贴在永磁体上的衔铁1就不需要了，永磁体所受到的吸引力也可以得到平衡，减轻了轴承的负担，但增加了结构的复杂程度。

长铁芯上的绕组2的各段是串接的，各段顺次右旋、左旋相间，如此当右旋部分对着N极时左旋部分正好对着S极。这两段在有电流流过时对磁场所产生的力是同一方向的，当永磁体运动时，磁极不断变更位置，为了使推力方向不变电流的方向要随着永磁体的位置而改变，所以换向就是必要的了。一个绕组在换向点附近时所产生的推力接近于零，所以要设置至少两组绕组，以避免死点出现，并使推力均匀。各个绕组段的中心距T₁和一对磁极的中心距T₂约略相等。