一種多自由度直線電機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及直線電機(jī)領(lǐng)域，尤其涉及一種多自由度直線電機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002] 直線電機(jī)又被稱為線性馬達(dá)、推桿馬達(dá)，其原理可以看作將旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向切開， 取其定子作為初級，動子作為次級，當(dāng)繞組通入三相電流后，由原來的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變成了直線 運(yùn)動。相對于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)，由于直線電機(jī)與工件臺之間無機(jī)械傳動環(huán)節(jié)，困此具有高速、 高精度和零傳動等特性，被廣泛應(yīng)用在高端數(shù)控領(lǐng)域。
[0003] 但傳統(tǒng)的直線電機(jī)只有一個自由度，即只在一個方向有推力。請參考圖1至圖3， 傳統(tǒng)的直線電機(jī)主要包括三個部分：兩個背鐵1，設(shè)于兩個背鐵1相對一側(cè)的兩組磁鐵陣列 2,以及設(shè)于兩組磁鐵陣列2中間的一組線圈陣列3。當(dāng)線圈陣列3中的線圈通入三相電流 后，線圈陣列3與磁鐵陣列2之間會產(chǎn)生一個X向的相互作用力，使二者產(chǎn)生X向的相對運(yùn) 動。請重點(diǎn)參考圖2,圖2示意了線圈Y向總長度長于磁鐵Y向長度的一種傳統(tǒng)直線電機(jī)， 該種形式的直線電機(jī)，線圈沿X軸走向的導(dǎo)體露在磁場外部的部分（201)是相等的；圖3 中黑色箭頭代表磁鐵充磁方向，兩組磁鐵陣列2包含四種充磁方向的磁鐵：磁鐵2a、2b、2c、 2d，其中，磁鐵2a為N型磁鐵、磁鐵2b為S型磁鐵、磁鐵2c、2d為H磁鐵（Halbach磁鐵）， 有上述分析可知，無論以何種方式通電，現(xiàn)有的直線電機(jī)僅能出X向力。
[0004] 另外，還有一種直線電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，其特點(diǎn)是線圈陣列20中的線圈一端 完全置于磁鐵陣列10之外，另一端置于磁場之內(nèi)，在磁場內(nèi)的呈X向分布的導(dǎo)體部分（圖 中橢圓30)出y向力，處在磁場之內(nèi)的呈y向分布的導(dǎo)體（圖中方框40)仍可以出X向力。 但這種直線電機(jī)的y向推力常數(shù)較小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供一種多自由度直線電機(jī)，使得電機(jī)能夠出多方向的力，且其推力常數(shù) 較大。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種多自由度直線電機(jī)，包括：沿第一方向依序 平行設(shè)置的第一磁鐵陣列、第二磁鐵陣列、第三磁鐵陣列以及第四磁鐵陣列，所述第一磁鐵 陣列與第二磁鐵陣列之間形成第一磁場，所述第三磁鐵陣列與第四磁鐵陣列之間形成第二 磁場，所述第一磁場與第二磁場的極性相反；以及U型的線圈陣列，所述U型線圈陣列的兩 端分別插置于所述第一、第二磁場中。
[0007] 較佳地，所述線圈陣列包括至少一個發(fā)力體，每個發(fā)力體由三個線圈組成。
[0008] 較佳地，所述單個發(fā)力體中每個線圈內(nèi)通入的電流滿足關(guān)系式：
[0010] 其中，
為三個線圈中通入的電流，
為電流在第二方向 的分量；
為電流在第三方向的分量，所述第二、第三方向位于與第一方向垂 直的平面內(nèi)，且與第二方向和第三方向垂直。
[0011] 較佳地，所述第一、第二、第三及第四磁鐵陣列中每一磁鐵陣列均包含N型磁鐵、S 型磁鐵，還包括設(shè)置在N型磁鐵與S型磁鐵之間的H型磁鐵，也就是說，磁鐵陣列的排列依 次為：N型磁鐵、H型磁鐵Hl、S型磁鐵、H型磁鐵H2。
[0012] 較佳地，所述第一、第二、第三及第四磁鐵陣列中每一磁鐵陣列與線圈陣列的排布 滿足關(guān)系式：
[0014] 其中，Wrall為單個發(fā)力體中每個線圈在第二方向的寬度，τ為每一磁鐵陣列沿第 二方向的磁極極距，即相鄰的N型磁鐵與S型磁鐵的中心位置在第二方向的間距。
[0015] 較佳地，所述線圈通入的三相電流初始相位滿足關(guān)系式：
[0017] 其中，
的初始相位；
為
的初始相位；η為整數(shù)。
[0018] 較佳地，所述同一發(fā)力體的三個線圈中通入的電流的流向相同。
[0019] 較佳地，所述第一、第二、第三及第四磁鐵陣列中每一磁鐵陣列與線圈陣列的排布 滿足關(guān)系式：
[0021] 其中，Wrall為單個發(fā)力體中每個線圈在第二方向的寬度，τ為每一磁鐵陣列沿第 二方向的磁極極距，即相鄰的N型磁鐵與S型磁鐵的中心位置在第二方向的間距。
[0022] 較佳地，所述線圈通入的三相電流初始相位滿足關(guān)系式：


的初始相位；η為整數(shù)。
[0025] 較佳地，所述同一發(fā)力體的三個線圈中，中間的線圈通入的電流與兩側(cè)的線圈通 入的電流的流向相反。
[0026] 本發(fā)明提供的多自由度直線電機(jī)，包括沿第一方向依序平行設(shè)置的第一磁鐵陣 列、第二磁鐵陣列、第三磁鐵陣列以及第四磁鐵陣列，所述第一磁鐵陣列與第二磁鐵陣列之 間形成第一磁場，所述第三磁鐵陣列與第四磁鐵陣列之間形成第二磁場，所述第一磁場與 第二磁場的極性相反；以及U型的線圈陣列，所述U型線圈陣列的兩端分別插置于所述第 一、第二磁場中。本發(fā)明中，在不增加線圈數(shù)量的同時，使直線電機(jī)具有X方向、y方向的推 力，甚至具有Rz方向的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)多自由度運(yùn)動。
【附圖說明】
[0027] 圖1為現(xiàn)有的直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖2為圖1的俯視圖（隱藏了上部的背鐵和磁鐵陣列）；
[0029] 圖3為圖1的二維截面及充磁方向示意圖；
[0030] 圖4為另一種現(xiàn)有的直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例1的直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例1的直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖（隱藏了上部的背鐵和磁鐵陣 列）；
[0033] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例1的直線電機(jī)中線圈陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例1的直線電機(jī)的二維截面及充磁方向示意圖；
[0035] 圖9為本發(fā)明實(shí)施例1的直線電機(jī)的尺寸關(guān)系示意圖；
[0036] 圖10為本發(fā)明實(shí)施例1的直線電機(jī)中線圈陣列相對于磁鐵陣列做X方向運(yùn)動時， 線圈在X方向的受力仿真圖；
[0037] 圖11為本發(fā)明實(shí)施例1的直線電機(jī)中線圈陣列相對于磁鐵陣列做X方向運(yùn)動時， 線圈在y方向的受力仿真圖；
[0038] 圖12為本發(fā)明實(shí)施例1的直線電機(jī)中線圈陣列相對于磁鐵陣列做y方向運(yùn)動時， 線圈在X方向的受力仿真圖；
[0039] 圖13為本發(fā)明實(shí)施例1的直線電機(jī)中線圈陣列相對于磁鐵陣列做y方向運(yùn)動時， 線圈在y方向的受力仿真圖；
[0040] 圖14為本發(fā)明實(shí)施例2的直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖（隱藏了上部的背鐵和磁鐵陣 列）。
[0041] 圖1~3中：1-背鐵、2-磁鐵陣列、2a-N型磁鐵、2b-S型磁鐵、2c-H型磁鐵Hl、2d-H 型磁鐵H2、3-線圈陣列、4-中心線；
[0042] 圖4中：10_磁鐵陣列、11-磁鐵中心線、20-線圈陣列、21-線圈中心線、30-橢圓、 40-方框；
[0043] 圖5-9中：100-背鐵、200-磁鐵陣列、210-N型磁鐵、220-S型磁鐵、230-H型磁鐵 Hl、240-H型磁鐵H2、300-線圈陣列、400-橢圓、500-方框；
[0044] 圖14中：300a-第一發(fā)力體、300b-第二發(fā)力體。
【具體實(shí)施方式】
[0045] 為了更詳盡的表述上述發(fā)明的技術(shù)方案，以下列舉出具體的實(shí)施例來證明技術(shù)效 果；需要強(qiáng)調(diào)的是，這些實(shí)施例用于說明本發(fā)明而不限于限制本發(fā)明的范圍。
[0046] 本發(fā)明提供的多自由度直線電機(jī)，如圖5至圖14所示，包括三塊背鐵100、四組磁 鐵陣列200,以及U型的線圈陣列300,所述三塊背鐵100并排設(shè)置，所述四組磁鐵陣列200 分別設(shè)于中間的背鐵100的兩側(cè)以及兩側(cè)的背鐵100的內(nèi)側(cè)，并在相鄰的兩個背鐵100之 間形成極性相反的磁場，所述的U型的線圈陣列300包覆于中間的背鐵100及磁鐵陣列200 的外側(cè)，且U型線圈陣列300的兩端分別插置于兩個磁場中。本發(fā)明中，在不增加線圈數(shù)量 的同時，使直線電機(jī)具有三個方向的運(yùn)動，例如具有繞第一方向（z方向）的轉(zhuǎn)矩（即Rz向 轉(zhuǎn)矩），具有第二方向（X方向）及第三方向（y方向）的推力，實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)多自由度運(yùn)動。
[0047] 實(shí)施例1
[0048] 較佳地，所述線圈陣列300包括至少一個發(fā)力體，每個發(fā)力體由三個線圈組成，本 實(shí)施例以線圈陣列300只包括一個發(fā)力體為例，對其工作過程及受力情況進(jìn)行詳細(xì)的分 析。
[0049] 較佳地，請重點(diǎn)參考圖8,所述磁鐵陣列200的排列依次為：N型磁鐵、H型磁鐵Hl、 S型磁鐵、H型磁鐵H2 (210、230、220、240)，圖中黑色箭頭代表磁鐵的充磁方向，按圖8中所 示的方式，使得四組磁鐵陣列200組成上下兩個極性相反的磁場，以配合線圈的電流方向， 使得線圈兩端的出力方向相同，避免兩端的出力抵消，無法實(shí)現(xiàn)電機(jī)的y方向運(yùn)動。
[0050] 較佳地，請重點(diǎn)參考圖8和圖9,所述磁鐵陣列200與線圈陣列300的排布滿足關(guān) 系式：
[0054] 其中，Wrall為單個發(fā)力體中每個線圈在X方向的寬度，τ為磁鐵陣列210沿X方 向的磁極極距，在本實(shí)施例中為相鄰的N型磁鐵210與S型磁鐵220的中心位置