一种磁-气混合悬浮式直线电机

1.本发明涉及电动机技术领域，尤其涉及一种磁-气混合悬浮式直线电机。


背景技术：

2.大功率、高转速、小型化、低能耗的高频高效电机是未来电机领域发展的必然趋势。降低电机能耗是实现电机高效运行的关键之一，电机运行时定子和动子之间的摩擦损耗是限制了电机高效运行。将磁悬浮技术应用电机中可以大幅度降低定子和动子之间的摩擦损耗，提高电机运行效率，磁悬浮技术是利用磁力克服重力使物体悬浮并处于一个无摩擦、无接触悬浮的平衡状态。按照悬浮原理及方式不同，将磁悬浮技术分为常导电磁悬浮、电动磁悬浮、超导钉扎磁悬浮3种形式。应用磁悬浮技术的电机利用磁铁产生的强大磁吸力或磁斥力使动子悬浮，并通过旋转磁场或者行波磁场驱动动子实现旋转或者直线运动。此类电机动子和定子之间无摩擦、无磨损、无需润滑和密封、成本低、损耗少及寿命长，具有广阔的应用前景。
3.现有技术中常导电磁悬浮的直线电机存在如下不足：第一，由于电磁吸引力的不稳定性质，必须不断监测和纠正车辆与导轨之间的分离，系统固有的不稳定性和外部系统所需的不断修正可能会引起振动；第二，电动悬浮的直线电机在低速时定动子不能悬浮，需要额外增加定动子支承结构；第三，现有技术中的磁悬浮电机的散热系统会增加电机的结构的复杂性。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种磁-气混合悬浮式直线电机，该电机为模块化结构，安装简单，便于运输和维修，双定定子设计无转矩脉动，具有高承载能力、高系统阻尼及刚度的特点。
5.本发明是通过以下技术方案予以实现：
6.一种磁-气混合悬浮式直线电机，包括电机基板、位于电机基板之中的动子模块，所述动子模块通过驱动模块在电机基板内往复移动，所述动子模块包括驱动动子以及与驱动动子固接的悬浮动子。所述动子模块与电机基板之间设有悬浮单元，所述悬浮单元包括磁悬浮模块和气悬浮模块，所述磁悬浮模块位于动子模块两侧与电机基板两侧之间，所述气悬浮模块位于动子模块底面与电机基板上表面之间。所述电机基板包括相对设置的两个驱动固定座以及两个磁悬浮固定座，所述驱动模块位于驱动固定座内，所述磁悬浮模块位于磁悬浮固定座内。
7.根据上述技术方案，优选地，所述磁悬浮模块包括位于电机基板内两侧的悬浮定子永磁体、悬浮定子、悬浮绕组以及位于悬浮动子两侧的悬浮动子永磁体。
8.根据上述技术方案，优选地，所述磁悬浮模块包括上下两组的悬浮定子永磁体、悬浮定子以及悬浮绕组，每组的所述悬浮定子永磁体、悬浮定子分别沿动子模块的移动方向设置有多个，各所述悬浮绕组分别绕制在各悬浮定子上，所述悬浮定子永磁体和悬浮绕组
隔离设置，所述悬浮动子两侧相对悬浮定子的位置固接有悬浮动子永磁体。
9.根据上述技术方案，优选地，所述气悬浮模块位于电机基板上表面的两个磁悬浮固定座之间，所述气悬浮模块包括排布于电机基板上表面的多个送气通道，所述送气通道侧方设有进气孔，送气通道上表面开设有出气孔，其中送气通道两侧分别开设有进气孔，送气通道内中部固接有隔板。
10.根据上述技术方案，优选地，所述磁悬浮固定座的侧壁相对各送气通道的进气孔的位置分别开设有散热通孔。
11.根据上述技术方案，优选地，所述驱动模块包括位于电机基板内两侧的多个驱动定子、绕制在各驱动定子外的驱动绕组以及位于驱动动子两侧的驱动动子永磁体。
12.本发明的有益效果是：
13.本发明可广泛应用在传送运输、精密制造等领域，具有较好的应用推广价值，通过磁-气混合悬浮的方式改善了常导电磁悬浮的直线电机由于电磁吸引力的不稳定的性质，避免了电动悬浮原理悬浮电机低速时不能悬浮的问题；与此同时，将磁悬浮和气悬浮两种悬浮方式结合起来可以扬长避短，实现优势互补，在提高电机承载能力和系统阻尼及刚度的同时，也可以改善转子系统动力学性能，当其中一种悬浮方式失效，另一悬浮方式可以补充为保护电机，实现动子稳定运转；除此之外，气体悬浮方式可降低电机的温升，省去了传统的散热机构，提高了电机整体的功率密度。
附图说明
14.图1是本发明的立体结构示意图。
15.图2是图1中的a-a剖面结构示意图。
16.图3是本发明电机基板部分的立体结构示意图。
17.图4是本发明气悬浮模块部分的立体结构示意图。
18.图5是本发明磁悬浮模块的立体结构示意图。
19.图6是本发明驱动模块部分的立体结构示意图。
20.图7是本发明动子模块部分的立体结构示意图。
21.图8是本发明的电机控制系统功能框图。
22.图中：1、电机基板；1a、驱动固定座；1b、悬浮固定座；1c、散热通孔；2、气悬浮模块；2a、进气孔；2b、出气孔；3、磁悬浮模块；3a、悬浮定子永磁体；3b、悬浮定子；3c、悬浮绕组；3d、悬浮基板；3e、悬浮支架；4、驱动模块；4a、驱动定子；4b、驱动绕组；4c、驱动支架；5、动子模块；5a、悬浮动子；5b、矩形槽；5c、悬浮动子永磁体；5d、驱动动子；5e、驱动动子永磁体。
具体实施方式
23.为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
24.在发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特
定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。
25.实施例1:如图所示，本发明包括电机基板1、位于电机基板1之中的动子模块5，所述动子模块5通过驱动模块4在电机基板1内往复移动，所述动子模块5包括驱动动子5d以及与驱动动子固接的悬浮动子5a，本例中驱动动子位于悬浮动子上方。所述动子模块5与电机基板1之间设有悬浮单元，所述悬浮单元包括磁悬浮模块3和气悬浮模块2，所述磁悬浮模块3位于动子模块5两侧与电机基板1两侧之间，所述气悬浮模块2位于动子模块5底面与电机基板1上表面之间。所述电机基板1包括相对设置的两个驱动固定座1a以及两个磁悬浮固定座1b，所述驱动模块4位于驱动固定座1a内，所述磁悬浮模块3位于磁悬浮固定座1b内。
26.根据上述实施例，优选地，所述磁悬浮模块3包括位于电机基板1内两侧的悬浮定子永磁体3a、悬浮定子3b、悬浮绕组3c以及位于悬浮动子5a两侧的悬浮动子永磁体5c。在磁悬浮模块3中，悬浮方式为永磁体和电磁铁混合悬浮，保证电机在不通电和不通气时也能够悬浮。
27.根据上述实施例，优选地，所述磁悬浮模块3包括上下两组的悬浮定子永磁体3a、悬浮定子以及悬浮绕组3c，每组的所述悬浮定子永磁体3a、悬浮定子分别沿动子模块5的移动方向设置有多个，各所述悬浮绕组3c分别绕制在各悬浮定子上，所述悬浮动子两侧相对悬浮定子的位置固接有悬浮动子永磁体5c。其中，各悬浮定子永磁体3a通过各悬浮定子分别固定在悬浮基板3d上，上下两侧的悬浮基板3d固定在悬浮支架3e上。具体地，由于悬浮定子上下设置有两组，因此在悬浮动子两侧各有一组矩形槽5b，每组矩形槽5b有上下两个，矩形槽5b内安装有悬浮动子永磁体5c，悬浮动子永磁体5c和驱动动子永磁体5e均为ns交替磁化且可以换成导电体和导磁体。
28.根据上述实施例，优选地，所述悬浮定子永磁体3a和悬浮绕组3c隔离设置，本例中悬浮定子为z形结构，使得悬浮定子包括一个容置槽以及一个齿尖结构，所述悬浮定子永磁体3a位于容置槽内，悬浮绕组3c绕制在齿尖结构上，使其对悬浮定子永磁体3a起磁屏蔽的作用，保证悬浮绕组3c通电时其不被磁化。
29.根据上述实施例，优选地，所述气悬浮模块2位于电机基板1上表面的两个磁悬浮固定座1b之间，所述气悬浮模块2包括排布于电机基板1上表面的多个送气通道，所述送气通道侧方设有进气孔2a，送气通道上表面开设有出气孔2b，气悬浮模块2中使用的气体为低温气体。其中送气通道两侧分别开设有进气孔2a，送气通道内中部固接有隔板，使送气通道内的两组气路不相连接，本例中每组气路包括1个进气孔2a和两个出气孔2b。
30.根据上述实施例，优选地，所述磁悬浮固定座1b的侧壁相对各送气通道的进气孔2a的位置分别开设有散热通孔1c，散热通孔1c的数量与气悬浮模块2中的进气孔2a数量相同，保证电机整体散热。
31.根据上述实施例，优选地，所述驱动模块4包括位于电机基板1内两侧的多个驱动定子4a、绕制在各驱动定子外的驱动绕组4b以及位于驱动动子5d两侧的驱动动子永磁体5e。其中，驱动定子沿动子模块5的运动方向设置有多个，具体数量根据电机的行程来确定，动子模块5的长度应小于电机基板1、气悬浮模块2、磁悬浮模块3和驱动模块4的长度。本例中各驱动定子安装在驱动支架4c上，驱动支架4c安装于电机基板1的驱动固定座1a上。
32.实施例2:如图8所示，本发明还公开了一种磁-气混合悬浮式直线电机的控制系统，以电机给定某位置为例说明电机控制逻辑，具体原理如下：给定动子位置，检测动子位
置，通过动子水平位置检测传感器获取动子水平位置，通过竖直水平位置检测传感器获取动子竖直位置；总控制器根据动子位置信号计算悬浮时悬浮进气量和单元通电电流并将进气量和电流数值分别给气悬浮控制器和磁悬浮控制器；再次检测动子位置，重复上述过程直到动子悬浮位置与给定位置一致，通过动子水平位置检测传感器获取动子水平位置并与给定的动子水平位置，通过总控制器确定驱动动子水平运动的电流大小及方向信号送给动子驱动控制器，反复检测动子水平位置，直到动子水平位置与给定动子位置一致。
33.本发明可广泛应用在传送运输、精密制造等领域，具有较好的应用推广价值，通过磁-气混合悬浮的方式改善了常导电磁悬浮的直线电机由于电磁吸引力的不稳定的性质，避免了电动悬浮原理悬浮电机低速时不能悬浮的问题；与此同时，将磁悬浮和气悬浮两种悬浮方式结合起来可以扬长避短，实现优势互补，在提高电机承载能力和系统阻尼及刚度的同时，也可以改善转子系统动力学性能，当其中一种悬浮方式失效，另一悬浮方式可以补充为保护电机，实现动子稳定运转；除此之外，气体悬浮方式可降低电机的温升，省去了传统的散热机构，提高了电机整体的功率密度。
34.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。