面向装配的平板形永磁直线电机的设计与制造

直线电动机 (Linear Motor) 是利用电磁作用原理 ,直接产生 直线运动的装置 。它的应用领域较广 ,特别是近十年来 ,在机 床行业作为数控机床和高速加工中心的进给驱动部件 ,在精 度 、刚度 、运动速度和加速度方面都优于传统的“旋转电机 + 滚 珠丝杠”机构 ,且行程不受限制 ,所需维护少 ,被称为是 21 世纪 机床行业最有前途的驱动部件[1 ] 。美国的 Cincinnati Machine 、 Ingersoll 公司 ,日本的 Mazak ,德国的 Deckel Maho 公司等 ,都生 产由直线电机驱动的高速加工中心 ,主要用于加工航空 、汽车 等行业的复杂零件[2 ] 。
平板直线电动机主要由底座 、直线导轨 、初级 、次级 、位置 检测 、防护装置等几部分组成 。初级包括硅钢片铁心和线圈绕 组 ,次级由纯铁板和按一定规则排列起来的磁钢组成 ;初 、次级 之间的间隙称为气隙 ,是电机进行能量转换而产生电磁推力的 地方 。
图 1 是这种电机的结构图 ,图 1a 为横截面图 ,图 1b 为纵截 面图 。整体结构可分成运动部件和固定部件 。上部的 2 、3 、4 、 5 、6 组成运动部件 ,下部的 7 、8 、9 、10 、1 组成固定部件 ;图 1 中 4 、5 组合称为初级动子 ,9 、10 组合称为次级定子 。
图 7 尺寸链环数减少 3. 2. 3 防止零部件干涉或错位的设计
在图 1a 中 ,绕组伸出端 5 不能与底座或导轨等非同步运动 件接触摩擦 ,在设计前应该通过估算确认绕组端部的最大伸出 量 ,一般与周围件至少有 5 mm 的空间 。
为了保证水平方向的装配精度 ,避免出现图 2 所示的错误 安装结果 ,同样要建立水平方向的装配尺寸链 ; 定位基准的设 计很重要 ,以保证动子与定子位置的正确对应 。该设计运用 PRO/ E 软件对装配体进行三维干涉检查 。
3 面向装配直线电机的设计制造
3. 1 克服磁钢磁吸力的设计 装配动子和定子时 ,为避开二者间强磁吸的干扰 ,可采用
以下两种方法 。 方法 1 :辅助导轨法 。
Ξ 收稿日期 :2003 - 11 - 11 ;修订日期 :2004 - 03 - 15 基金项目 :国家“十五”科技攻关项目 (2001BA203B04) 作者简介 :刘泉 (1968 - ) ,男 ,内蒙古集宁人 ,博士研究生 ,专业方向 :机电技术 ,数控机床直线伺服电机的研究与开发 。
2 装配难点及要点
2. 1 强磁场力的影响 稀土永磁体能够吸起约为自身质量 400～500 倍的铁磁性
材料 ,直线电机定子上的稀土永磁体 (NdFeB) ,对邻近的铁磁性 物质有极强的磁化能力 。在旋转电机中 ,转子和定子间的磁吸 力被抵消 ,而平板直线电机动子和定子的磁吸力无法抵消 ,计
算和实验表明 ,磁吸力是电机连续推力的 5～8 倍 ,研究的直线 电机的垂直磁吸力达 15 kN 。 2. 2 保证气隙的尺寸精度
2004 年 9 月
刘泉 ,等 :面向装配的平板形永磁直线电机的设计与制造
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工序是 :在电机的一端接两条辅助导轨 ,与电机导轨等高 ———在辅助导轨上装好动子 (此位置没有定子的磁吸力) ——— 在底座上装好定子 ———将动子推到正式导轨上 。见图 3 。
(3) 光栅安装面 ⑥与面的垂直度 、与面 ③的平行度符合要 求。
图 2 动子与定子的安装错位
图 5 垂直方向的装配尺寸链
来自百度文库
图 3 辅助导轨法装配图 方法 2 :定子分段法 。 适合于行程长度是动子长度 2 倍以上的情况 。例如将定 子分成等长两段 (最好是偶数段) ,安装工序是 : 在电机导轨上 装好动子 ,并推到右端 ———装好左段定子 ———将动子推到左端 ———安装右段定子 。见图 4 。为了保证安装后定子位置的一致 性 ,在底座上设计了一个定位台阶 ,作为安装定子的基准面 。 也可采用在每段定子上设置定位销的方法 。
lyzed. The assembly oriented design and met hod of manufacturing
图 4 定子分段法装配图 方法 2 不仅省去了安装辅助导轨的费用和空间 ,有效地避 免了磁吸力的干扰 ,而且动子分段后 ,各段的尺寸变小 ,有利于 动子的储运 、安装和防止变形 。 另外 ,定子磁钢对下方的铸铁底座也有很强的吸力 ,所以 要有方便卸下定子的设计 。该设计就是将定子分成等长两段 , 采用分别卸下的办法 。在每段的纯铁板上置有若干螺孔 ,卸下 时 ,先用螺栓将定子段顶离底座 5～10 mm ,然后水平拖出 。 3. 2 保证气隙尺寸的工艺 根据图 1a ,为了保证气隙尺寸 ,在垂直方向建立装配尺寸 链 ,封闭环为气隙尺寸 A 0 ( A 0 = 0. 8 mm ±0. 08 mm) , A 2 是标 准件 (直线导轨和滑块) 的高度 ,为已知 ,见图 5 。根据“尺寸链 环数最少”原则 ,确定各组成环中相关部件的尺寸和加工工艺 。 3. 2. 1 固定部件的加工工艺 电机的固定部件见图 6b ,数字标号所指是与装配有关的重 要面 。为了减少尺寸链的组成环数 ,制定下列工艺过程 (只列 主要工艺 ,以下同) :先将纯铁板与底座的连接面分别加工 ,然 后用螺栓连为一体 ;在机床上一次装卡 ,对带标号的 ①～ ⑦面 精加工 ,保证面 ⑤与导轨面 ①或 ④的距离符合设计尺寸 。同时 要保证 : (1) ①④面等高 ,且与纯铁面 ⑤及底座面 ⑦的平行度 ; (2) 定位面 ②③相互平行度且与 ①④面的垂直度 ;
4 结束语
直线电动机是一种新型线性驱动装置 ,在高速机床和精密 机床上有着广阔的应用前景 ,我国已将其列为“十·五”科技攻 关项目进行开发 。直线电动机的控制系统设计 、磁路设计和结 构设计都非常重要 。文中对平板式永磁直线电机的结构设计 和装配工艺进行了探讨 ,按照设计和工艺方法进行了直线电机 的实际制造 ,效果良好 ,既保证了电机的工作精度 ,又简化了装 配工序 。
图 6 保证气隙尺寸的工艺 在面 ⑤上粘磁钢 。然后测量面 ⑧与面 ①或 ④的高度差 h1 。 3. 2. 2 运动部件的制造工艺 见图 6a ,工艺过程如下 : 精加工工作台 3 ,使 ⑨⑩在同面 ;加工铁心 4 的上表面 ,然 后配做螺孔和定位销 ,将 3 与 4 连接起来 。 根据 3. 2. 1 中的测量结果 h1 ,以及已知的气隙尺寸 A 0 、导 轨及滑块高度 A 2 ,计算面 ⑾与面 ⑨或 ⑩的高度差 A 1 。 以 ⑨或 ⑩为基准 ,线切割加工硅钢铁心的线槽和 ⑾面 ,保 证 ⑾与 ⑨或 ⑩的平行度及高度差 。这样 ,在垂直方向形成了最 短的尺寸链 ,见图 7b ,减少了装配难度 。另外 ,在动子上安装有 水冷却器 ,防止了热膨胀带来的气隙误差 。
niversity , Beijing 100084 , China)
Abstract : The structural features and difficult points of as2
sembling for flat plated permanent magnetic linear motor was ana2
Assembly oriented design and manufacture of flat plated per2
manent magnetic linear motor L IU Quan1 , ZHANG Jian2min1 , WANG Xian2kui2 , L IU
Cheng2ying2 , ZHAO Tong2
第 21 卷第 9 期 2004年9月
机 械 设 计
J OU RNAL OF MACHIN E DESIGN
Vol. 21 No. 9 Sep . 2004
面向装配的平板形永磁直线电机的设计与制造Ξ
刘泉1 ,张建民1 ,王先逵2 ,刘成颖2 ,赵彤2
(1. 北京理工大学 机械与车辆工程学院 ,北京 100081 ; 2. 清华大学 精密仪器与机械学系 ,北京 100084)
气隙是直线电机的重要参数 ,一般在 1 mm 左右 ,它的微小 变化可以引起电机性能的很大变化 。该设计运用 Ansys 有限元 分析软件进行优化设计 ,确定气隙的长度[3 ] 。
1 底座 ;2 导轨滑块 ;3 工作台 ;4 铁心 ;5 绕组 ;6 光栅头 ; 7 光栅尺 ;8 直线导轨 ;9 永磁体 ;10 电工纯铁 图 1 平板直线电机的截面结构图
(1. School of Mechanical and Vehicular Engineering , Beijing
University of Science and Engineering , Beijing 10081 , China ; 2.
Department of Precision Instrument and Mechanology , Tsinhua U2
参考文献
[ 1 ] 王先逵 ,等. 机床进给系统用直线电动机综述[J ] . 制造技术与机 床 ,2001 (8) :18 - 20.
[ 2 ] 梅熠. 几种高进给速度机床[J ] . 制造技术与机床 ,2002 (9) :4.
[ 3 ] Gieras J F , Spannenberg A. Analysis of a linear synchronous motor wit h buried permanent magnets[ C] . Conf . Rec. LDIA’98 , Tokyo , Japan , 1998 , 4 :323 - 326.
如果初级动子的有效长度和宽度分别为 500 mm 、200 mm , 那么就要在 500 ×200 (mm2) 的平面内 ,保证气隙的尺寸和形位 公差符合要求 。
另外 ,导轨 、光栅尺及磁轨的相互位置也直接影响电机的 工作精度 ,所以装配后要保证以下几点 :
(1) 两条直线导轨平行 ,且水平 。 (2) 光栅头和光栅尺在全行程内必须“正对”,间隔尺寸在 公差范围内 ,这就要求光栅尺与导轨平行 。 (3) 导轨的上表面与磁轨 9 的上表面平行 ,以保证全行程 内气隙等高 。 2. 3 避免零部件干涉或错位 图 2 是平板直线电机的几种错误安装方式 (图 2a 、b 是正视 图 ;c 、d 是俯视图) 。
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机 械 设 计
第 21 卷第 9 期
3. 3 电机预装配 平板直线电机的运动部件 、固定部件在设计制造完成以
后 ,与直线导轨 、光栅尺等部件进行预装配 ,然后测试动子运动 状况和电机气隙尺寸 。如果气隙偏大 ,则磨削面 ⑨、⑩;如果气 隙偏小 ,则卸下铁心 ,磨削工作台的面 ⑿,或者在面 ⑨、⑩处垫 薄钢带 。当气隙达到要求后 ,嵌入绕组 ,测试 、浸漆 ,再测试 ,完 成正式装配 。
平板形永磁直线电机 ( Flat Permanent Magnet L M ,以下简 称平板直线电机) 是直线电机的主要型式之一 ,目前精度可达 亚微米级 ;正是因为它的高精度 ,强磁场 ,给装配工作带来很大 难度 。因此 ,只有进行面向装配的设计和制造 ,才能保证电机 的精度 ,提高生产效率 。
1 平板直线电机的基本结构
[4 ] Dal - Ho lm , J ung - Pyo Hong. The optimum design of permanent magnet linear synchronous motor [ C ] . Proc of IEEE CEFC’96 , Okayama , Japan , 1996 , 3 :166.
摘要 :分析了平板形永磁直线电动机的结构特点和装配难点 ,介绍了面向装配的直线电机的设计和制造工艺方法 , 简化了装配难度 ,保障了电机的精度和性能 ,实践证明是有效的 。
关键词 :永磁 ;直线电机 ;装配 ;设计 ;工艺方法 中图分类号 : TH12 文献标识码 :A 文章编号 :1001 - 2354 (2004) 09 - 0022 - 03