CN105391269A - 一种新型的永磁直线步进电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机电领域，特别是涉及一种新型的永磁直线步进电机。包括定子、动子、滑道及驱动电路，其特征在于：所述定子由定子线圈组成；所述动子由永磁铁块组成；所述滑道，放置在动子与定子之间，滑道的一个表面与动子固定，滑道的另外一个表面与定子相邻；所述驱动电路由中央控制器、电源、电源开关、一路或者多路H桥驱动电路及电路连线组成。本发明的有益效果在于：本发明公开了一种新型的永磁直线步进电机，结构简单，易于实现，重量小，尺寸小且尺寸容易调整。
Description
技术领域
本发明涉及机电领域，特别是涉及一种新型的永磁直线步进电机。
背景技术
直线电机一般由定子和动子组成，定子一般是由多组带铁芯的线圈组成，动子则是由永磁铁组成。定子内输入交变的行波磁场，产生的磁场与永磁体的磁场互相作用从而产生横向移动的力，进而使动子产生移动。常规的直线电机一般都是由三相正弦交流电驱动，在有限空间直流电源下利用电路产生三相正弦交流电，实现非常复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的永磁直线步进电机，采用了直线电机的结构和驱动方式，但采用了类似步进电机的驱动信号，采用按照方波规律变化幅度和相位的交变电流产生交变的行波磁场，达到既结构与驱动简单，又能实现直线驱动的目的。
本发明的技术方案如下：
一种新型的永磁直线步进电机，包括定子、动子、滑道及驱动电路，其特征在于：
所述定子由定子线圈组成；
所述动子由永磁铁块组成；
所述滑道，放置在动子与定子之间，滑道的一个表面与动子固定，滑道的另外一个表面与定子相邻；
所述驱动电路由中央控制器、电源、电源开关、一路或者多路H桥驱动电路及电路连线组成。
进一步的，两个定子线圈串联或者并联组成一路定子线圈组，定子由一路或多路定子线圈组组成。
进一步的，所述构成每路定子线圈组的两个定子线圈之间在物理空间布置上间隔[n/2-1]个线圈，n表示构成定子的总的线圈数目。
进一步的，构成一路定子线圈组的两个串联或并联定子线圈中的电流方向相同。
进一步的，构成定子的定子线圈中放置有铁芯。
进一步的，构成动子的永磁铁为一块，或由多块组成。
进一步的，构成电机的滑道的材料是自润滑尼龙，或是聚四氟乙烯，或是黄铜。
进一步的，所述驱动电路的电源开关由开关三极管或场效应管、物理电源开关及电容构成。
进一步的，所述驱动电路的中央控制器通过控制改变驱动电路中的一路或者多路H桥的输入电平的高与低来实现线圈中电流方向的控制，实现正向或者反向驱动电流。
进一步的，所述驱动电路的电源是镍氢电池或锂电池。
本发明的有益效果在于：
本发明公布了一种新型的永磁直线步进电机，结构简单，易于实现，重量小，尺寸小且尺寸容易调整。
附图说明
图1是本发明的整体结构图。
图2是本发明驱动电路的电源开关电路图。
图3是本发明单路定子的控制结构图。
图4是本发明4路8定子电路原理图。
图5-8是本发明电机的运动控制时序图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案作详细阐述。
本发明永磁直线步进电机，包括定子、动子、滑道及驱动电路。定子由定子线圈组成，每两个定子线圈串联组成一路定子线圈组，定子由多路或者一路定子线圈组组成。动子由永磁铁块组成。滑道放置在动子与定子之间，滑道的一个表面与动子做固定连接，滑道的另外一个表面与定子相邻。
驱动电路由中央控制器、电源、电源开关、电阻、电容、晶体管及电路连接线组成。在一般状态下，永磁电机处于电源关闭状态，组成定子的线圈中没有电流，不产生磁场。此时，因为定子有线圈及铁芯，可以利用组成动子的永磁体具备的磁力将动子吸附在定子上。
在永磁直线电机工作时，首先打开电源开关，驱动电路开始工作。在中央控制器控制下，组成定子的线圈按照方波规律，根据预先定义的时序，产生正向电流或者反向电流。电流因为方向的改变，进而产生按照规律改变的磁场。由电流产生的磁场与组成动子的永磁铁之间相互作用：一部分线圈的磁场与永磁铁产生发生排斥作用，产生推力；另外一部分线圈的磁场与与永磁铁产生吸引作用，产生吸力。在推力和吸力的共同作用下，动子在设定的方向上移动。
当工作结束时，关闭电源开关。组成定子的线圈中，因为没有了电流，将不再产生磁场。此时，因为有定子的线圈及铁芯的存在，组成动子的永磁体将依靠磁力作用仍然吸附在定子上。
图1是本发明的整体结构图,图2-图4是本发明中的驱动电路的布局。本发明的定子由8个定子线圈一字排开，其中，定子线圈1和定子线圈5串联，驱动输入为A+和A-；定子线圈2和6，3和7，4和8也是相同的连接关系。本发明不局限于8个定子线圈，根据移动行程远近及动子重量的大小，设计实现中，线圈数量可增加或者减少。本实施例中，定子线圈1个定子线圈5是串联关系，本发明不限定他们之间的串联方式，也可以是并联方式。与并联方式相比，串联方式下，总的线圈的驱动电路占用的空间面积要小。在下面的实施例子中的具体参数及数值均为举例，在实际应用中，可根据需要而改变。
此实施例中，定子线圈的主要参数如下：
●线径0.15mm
●匝数500
●铁芯尺寸：直径2mm，长度10mm
●线圈外形：5x5x8mm
●线圈内阻：12.5欧姆
●驱动电流：300mA
●最高电压：5V
动子永磁铁由多块永磁铁组成，每块永磁铁的尺寸是5x10x1mm，在横向尺寸上，正好一块永磁体覆盖两个定子线圈。
该直线电机的结构设计中重要的内容之一是气隙设计，气隙是指动子与定子之间的空间间隔。气隙的大小对电机的驱动效果影响非常大，本发明采用摩擦滑轨，需要兼顾滑轨的阻力与驱动力。气隙小了，垂直方向的吸引力会变大，使得滑轨滑动的阻力会变大；气隙大了，摩擦力变小，但同时，由于磁场变弱，电机的驱动力会变小。实现中需要选择合适大小的气隙，保证驱动力、吸合力与摩擦力三者的最佳配合。
电机驱动电路
电路的基本参数：
●电源电压：2.8-4.2V
●控制信号电平：3.7V
●驱动电路形式：H桥
●驱动路数：4
●驱动电流：<1.5A
为了简化控制电路，H桥仅有两个输入量：方向控制信号，电源输入开关。电源开关电路如图2所示，电源开关输入信号为高时，电路截止，电机驱动电路无输出；电源开关输入信号为低时，电路导通，电机驱动电路供电。
具体实现过程：1)先通过相应控制管脚输入特定的电平，实现特定的控制逻辑；2)打开电源开关，为电路供电；3)通电指定时间后，关闭电源开关；4)控制管脚恢复默认电平。
控制时序分析
时序1如图5所示。此时，如果希望电机向右运动，定子线圈产生的磁场方向依次为：NSSNNSSN。
时序2如图6所示。此时，如果希望电机向右运动，定子线圈产生的磁场方向依次为：NNSSNNSS。
时序3如图7所示。此时，如果希望电机向右运动，定子线圈产生的磁场方向依次为：SNNSSNNS。
时序4如图8所示。此时，如果希望电机向右运动，定子线圈产生的磁场方向依次为：SSNNSSNN。
以上时序1-4，交替连续驱动，切换的次序不同，即可实现电机的正向移动和反向移动。
Claims (10)
1.一种新型的永磁直线步进电机，包括定子、动子、滑道及驱动电路，其特征在于：
所述定子由定子线圈组成；
所述动子由永磁铁块组成；
所述滑道，放置在动子与定子之间，滑道的一个表面与动子固定，滑道的另外一个表面与定子相邻；
所述驱动电路由中央控制器、电源、电源开关、一路或者多路H桥驱动电路及电路连线组成。
2.根据权利要求1所述的一种新型的永磁直线步进电机，其特征在于：
两个定子线圈串联或者并联组成一路定子线圈组，定子由一路或多路定子线圈组组成。
3.根据权利要求1所述的一种新型的永磁直线步进电机，其特征在于：
所述构成每路定子线圈组的两个定子线圈之间在物理空间布置上间隔[n/2-1]个线圈，n表示构成定子的总的线圈数目。
4.根据权利要求1所述的一种新型的永磁直线步进电机，其特征在于：
构成一路定子线圈组的两个串联或并联定子线圈中的电流方向相同。
5.根据权利要求1所述的一种新型的永磁直线步进电机，其特征在于：
构成定子的定子线圈中放置有铁芯。
6.根据权利要求1所述的一种新型的永磁直线步进电机，其特征在于：
构成动子的永磁铁为一块，或由多块组成。
7.根据权利要求1所述的一种新型的永磁直线步进电机，其特征在于：
构成电机的滑道的材料是自润滑尼龙，或是聚四氟乙烯，或是黄铜。
8.根据权利要求1所述的一种新型的永磁直线步进电机，其特征在于：
所述驱动电路的电源开关由开关三极管或场效应管、物理电源开关及电容构成。
9.根据权利要求1所述的一种新型的永磁直线步进电机，其特征在于：
所述驱动电路的中央控制器通过控制改变驱动电路中的一路或者多路H桥的输入电平的高与低来实现线圈中电流方向的控制，实现正向或者反向驱动电流。
10.根据权利要求1所述的一种新型的永磁直线步进电机，其特征在于：
所述驱动电路的电源是镍氢电池或锂电池。
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