專利名稱：軌道搖床的驅(qū)動(dòng)裝置以及使用所述驅(qū)動(dòng)裝置的搖床的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種軌道搖床的驅(qū)動(dòng)裝置，以及使用這種驅(qū)動(dòng)裝置的搖床，特別是軌道搖床。
背景技術(shù)：
所謂軌道搖床也稱振蕩器，廣泛用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、食品、化工等領(lǐng)域中，以均勻的環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)沿一種軌道的路徑移動(dòng)持定在搖臺(tái)的上表面上的、內(nèi)含各種液體的燒懷、試管、培養(yǎng)皿或者其它容器，起混勻或者攪拌其內(nèi)容物的作用。特別地，軌道搖床移動(dòng)搖臺(tái)的方式是在X-Y平面中，搖臺(tái)的上表面上所有的點(diǎn)都在一種具有共同半徑的圓周路徑上運(yùn)行，但是在搖臺(tái)上任意兩點(diǎn)間的聯(lián)線始終都在運(yùn)動(dòng)中保持平動(dòng)。一般地，燒懷、試管、培養(yǎng)皿或者其它容器附著到緊固在搖臺(tái)上的托盤的上表面上，從而繞容器的內(nèi)壁渦轉(zhuǎn)或者振蕩含于其中的液體，以促進(jìn)混合，或者加快相互作用或加快液體與局部氣體環(huán)境之間的交換。
常規(guī)地，所述搖床主要包含一個(gè)支座、一個(gè)搖臺(tái)、一個(gè)樞支機(jī)構(gòu)和一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置、所述樞支機(jī)構(gòu)連接在搖臺(tái)和支座之間，包括至少一個(gè)曲柄。所述曲柄具有一個(gè)豎直的上端軸、一個(gè)豎直的下端軸和一個(gè)連接部分。下端軸通過軸承連接支座上，上端軸通過軸承連接在搖臺(tái)上。下端軸的軸線與上端軸之間的距離稱為曲柄的偏心距。所述樞支機(jī)構(gòu)可以包含三個(gè)偏心距相同的曲柄也可以包含一個(gè)曲柄和兩個(gè)連桿或者一個(gè)連桿和一個(gè)滑道或者兩個(gè)滑道。在驅(qū)動(dòng)力的帶動(dòng)下，曲柄的上端軸的軸線將沿一個(gè)其半徑由曲柄的偏心距決定的圓圓周地運(yùn)動(dòng)，而整個(gè)樞支機(jī)構(gòu)阻止搖臺(tái)繞任一個(gè)軸線旋轉(zhuǎn)，從而搖臺(tái)的所有的點(diǎn)都能夠，而且只能夠沿具有其半徑由曲柄的偏心距決定圓周路徑運(yùn)動(dòng)。
一個(gè)搖床還可以包含例如配重、托盤、卡具、機(jī)殼等等領(lǐng)域內(nèi)普通技術(shù)人員公知的裝置，同樣也不是本發(fā)明的目標(biāo)，因此不在本說明書中說明。
搖床的驅(qū)動(dòng)裝置通常是一個(gè)可調(diào)速的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)通過一個(gè)皮帶傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)至少一個(gè)曲柄。也可以用一個(gè)電動(dòng)機(jī)用聯(lián)軸裝置連接在曲柄下端直接驅(qū)動(dòng)至少一個(gè)曲柄，從而取消皮帶傳動(dòng)裝置。在此情況下，一般電動(dòng)機(jī)于曲柄的下方固定安裝在支座上，從而增加了整機(jī)高度和體積。
公知一種軌道搖床的驅(qū)動(dòng)裝置，具有三個(gè)驅(qū)動(dòng)組件，每個(gè)驅(qū)動(dòng)組件包含一個(gè)定子和一個(gè)動(dòng)子。定子由一個(gè)軟磁材料制造的定子鐵芯和一個(gè)定子線圈構(gòu)成，直接地緊固在支座上，其磁極磁極面的法線在水平方向上。動(dòng)子實(shí)質(zhì)上是銜鐵，直接緊固在搖臺(tái)上，動(dòng)子磁極面對對應(yīng)的定子磁極面安排。在定子線圈通電時(shí)由于定子與動(dòng)子之間產(chǎn)生的磁拉力直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)子，使動(dòng)子向定子方向運(yùn)動(dòng)并且?guī)?dòng)搖臺(tái)，因此可以稱為電磁鐵直拉式驅(qū)動(dòng)裝置。這種搖床驅(qū)動(dòng)裝置一般地有三個(gè)驅(qū)動(dòng)組件。三個(gè)定子的線圈依次輪流通電斷電驅(qū)動(dòng)搖臺(tái)軌道環(huán)。由于這種驅(qū)動(dòng)裝置，搖床既不需要傳動(dòng)裝置也不需要單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)相應(yīng)的軸、軸承和/或聯(lián)軸器。但電磁能對機(jī)械能的轉(zhuǎn)化率低，功率容積比小，定子線圈匝數(shù)多，鐵芯體積大、效率遠(yuǎn)低于常規(guī)電動(dòng)機(jī)。而且這種驅(qū)動(dòng)裝置的力矩脈動(dòng)大，尤其在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定性很差。另外，這種搖床驅(qū)動(dòng)裝置的起動(dòng)性能很差，實(shí)用中表明，易于因?yàn)檫^載、堵轉(zhuǎn)而燒毀定子線圈。
發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目標(biāo)是提出一種軌道搖床驅(qū)動(dòng)裝置，使用這種搖床驅(qū)動(dòng)裝置的搖床不需傳動(dòng)裝置，不需要常規(guī)電動(dòng)機(jī)的附加的軸及軸承或者聯(lián)軸裝置，同時(shí)又應(yīng)當(dāng)在重要性能上至少可以與常規(guī)的電動(dòng)機(jī)相較。
本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)是提出一種包含所述搖床驅(qū)動(dòng)裝置的搖床。
本發(fā)明的再一個(gè)目標(biāo)是提出一種包含所述搖床驅(qū)動(dòng)裝置的水浴搖床。
本發(fā)明的軌道搖床驅(qū)動(dòng)裝置包含至少兩個(gè)驅(qū)動(dòng)組件，所述驅(qū)動(dòng)組件各包含一個(gè)定子和至少一個(gè)動(dòng)子，所述定子緊固在搖床的支座上，動(dòng)子緊固在一個(gè)搖臺(tái)上，定子鐵芯由軟磁材料例如硅鋼片制造，定子設(shè)有至少一個(gè)定子線圈。同屬于一個(gè)驅(qū)動(dòng)組件的所有定子線圈按可以同時(shí)通電和斷電的方式電氣連接成一相繞組。動(dòng)子鐵芯用鐵磁材料制造。定子鐵芯的磁極面豎直向上，動(dòng)子的磁極面豎直向上。在搖床組裝的狀態(tài)下，定子磁極面與動(dòng)子磁極面之間有一個(gè)很小的距離，形成一個(gè)很小的氣隙，在下文中稱為第一氣隙。在一個(gè)初始的位置，動(dòng)子磁極面和定子磁極面在水平面上的投影實(shí)質(zhì)上錯(cuò)開，但是動(dòng)子磁極面的至少一個(gè)邊緣與定子磁極面的至少一個(gè)邊緣在水平面的投影實(shí)質(zhì)上緊密地鄰接。在一個(gè)終末位置動(dòng)子磁極面在定子磁極面的豎直上方面對定子磁極面，其在水平面上的投影實(shí)質(zhì)上重疊，而且動(dòng)子可以在上方運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)初始位置，在所述另一個(gè)初始的位置，定子磁極面和動(dòng)子磁極面在水平面上的投影實(shí)質(zhì)上錯(cuò)開，定子磁極面的至少另一個(gè)邊緣與動(dòng)子磁極面的至少另一個(gè)邊緣在水平面的投影實(shí)質(zhì)上緊密地鄰接，在另一個(gè)終末位置動(dòng)子磁極面在定子磁極面的豎直上方面對定子磁極面，其在水平面上的投影重疊。按受搖床樞支機(jī)構(gòu)所約束的路徑，動(dòng)子可以在定子的上方，從所述一個(gè)初始位置運(yùn)動(dòng)到所述一個(gè)終末位置，越過此位置到達(dá)所述第二個(gè)初始位置，然后相對于定子從另一側(cè)，在定子的上方，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到所述另一個(gè)終末位置，越過此位置繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，回到所述第一個(gè)初始位置。在所述初始位置與續(xù)后的終末位置之間定子線圈通電產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。
由兩個(gè)或者兩個(gè)以上驅(qū)動(dòng)組件輪流通電斷電驅(qū)動(dòng)搖臺(tái)進(jìn)行軌道環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述搖床驅(qū)動(dòng)裝置是磁阻式的，其中定子鐵芯有凸極式結(jié)構(gòu)，包含至少兩個(gè)以上的磁極和一個(gè)以上的槽。優(yōu)選地動(dòng)子鐵芯也有凸極式結(jié)構(gòu)，包含至少兩個(gè)以上的磁極和一個(gè)以上的槽。通電時(shí)動(dòng)子按照定子鐵芯、氣隙和動(dòng)子鐵芯構(gòu)成的磁路的磁阻最小的趨勢產(chǎn)生磁阻力矩。
包含兩個(gè)所述驅(qū)動(dòng)組件的根據(jù)本發(fā)明的搖床驅(qū)動(dòng)裝置就可以保證在任意位置上的自起動(dòng)能力。為了達(dá)到在任意位置上沿確定的方向的自啟動(dòng)能力，根據(jù)本發(fā)明的搖床驅(qū)動(dòng)裝置優(yōu)選地是三相以上的。
本發(fā)明的定子線圈通電和斷電由電子開關(guān)完成。電子開關(guān)的導(dǎo)通和截止按照領(lǐng)域內(nèi)普通技術(shù)人員公知的方式依據(jù)位置傳感器或者電流檢測器提供的信號(hào)控制。
由于根據(jù)本發(fā)明的搖床驅(qū)動(dòng)裝置具有恒定的第一氣隙、形成的驅(qū)動(dòng)力方向與受驅(qū)動(dòng)的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的切線方向較一致，以及下文還要詳細(xì)闡述的其它優(yōu)點(diǎn)，可以提供與常規(guī)電動(dòng)機(jī)相較的電磁能對機(jī)械能的轉(zhuǎn)化率、容積功率比以及效率，從而遠(yuǎn)優(yōu)于上述電磁鐵直拉式搖床驅(qū)動(dòng)裝置。本發(fā)明所述搖床驅(qū)動(dòng)裝置的開關(guān)磁阻實(shí)施方式具有開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。例如，可以提供比其它電動(dòng)機(jī)高得多的效率，還可以提供開通角、關(guān)斷角、相電流幅度和相電壓等多個(gè)可控參數(shù)，對其機(jī)電工作性能進(jìn)行靈活的控制。
與常規(guī)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置不同的是，根據(jù)本發(fā)明的搖床驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)子不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或者直線運(yùn)動(dòng)，而是按軌道環(huán)轉(zhuǎn)的方式運(yùn)動(dòng)，直接地驅(qū)動(dòng)搖臺(tái)完成所希望的運(yùn)動(dòng)。因此，不需要另外的轉(zhuǎn)軸、軸承、傳動(dòng)裝置以及軸承。
本發(fā)明還提出一種包含根據(jù)本發(fā)明的搖床驅(qū)動(dòng)裝置的搖床，特別是水浴搖床。
由于根據(jù)本發(fā)明的搖床驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以借助于防水密封，連同搖床支座、搖臺(tái)、樞轉(zhuǎn)支承機(jī)構(gòu)等等一起安裝進(jìn)水浴中形成一種新穎的水浴搖床。而公知的水浴搖床是把形成軌道環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的裝置完全安裝在水浴外，通常安裝在水浴的下方，通過從搖臺(tái)伸出的不銹鋼等等耐水剛性材料制造的懸臂和/或支桿裝置把所形成的軌道環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞到吊裝在水浴中的托盤上，因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大而且不利于水浴對環(huán)境的封閉。
從下面參照附圖對本發(fā)明的詳細(xì)地說明可以進(jìn)一步地理解本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)。在附圖中圖1是示意圖，用于說明一種現(xiàn)有技術(shù)的軌道搖床的驅(qū)動(dòng)裝置的工作原理；圖2是分解透視圖，示出一種根據(jù)本發(fā)明的軌道搖床的驅(qū)動(dòng)裝置的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施形式的基本結(jié)構(gòu)。
圖3a-3b是圖2所示的實(shí)施方式的示意性俯視圖，用于說明本發(fā)明的軌道搖床的驅(qū)動(dòng)裝置的工作原理。
具體實(shí)施例方式
參見圖1，圖中示意性地示出的一種現(xiàn)有技術(shù)的軌道搖床，包含一個(gè)位于上方的支座1、一個(gè)位于下方的搖臺(tái)2和一個(gè)由三個(gè)曲柄3組成的樞支機(jī)構(gòu)。支座1的平面與搖臺(tái)2的平面相互平行。為了說明其聯(lián)動(dòng)關(guān)系，三個(gè)曲柄3在圖中用局部剖視的方式暴露出，下端軸和下端的軸承用虛線示出。曲柄3與支座1和搖臺(tái)2的連接方式可以參閱圖2的透視圖和下文的說明。其驅(qū)動(dòng)裝置包含緊固在支座1上的三個(gè)定子4a、4b、4c和緊固在搖臺(tái)2上的三個(gè)動(dòng)子5a、5b、5c。三個(gè)定子4a、4b、4c的磁極面垂直于支座，磁極面的法向的中心線彼此相交成120度角。三個(gè)動(dòng)子5a、5b、5c的磁極面也垂直于支座。定子4a、4b、4c和動(dòng)子5a、5b、5c分別在支座1和搖臺(tái)2上的安裝方式是使得假如用三根與曲線相等長度的直軸取代三個(gè)曲軸時(shí)，動(dòng)子5a、5b、5c的磁極面分別地向外面對定子4a、4b、4c的磁極面，且對應(yīng)的動(dòng)子、定子磁極面間的相互距離稍大于曲軸的偏心距。這樣，在用三個(gè)曲柄連接地安裝以后，在一個(gè)位置上，定子4a、4b、4c與動(dòng)子5a、5b、5c之間的相互位置關(guān)系即如圖1中所示。
下面說明這種驅(qū)動(dòng)裝置的工作原理。在圖1中，動(dòng)子5a與定子4a間的距離大于一個(gè)曲柄的偏心距，例如為1又1/2偏心距的距離，動(dòng)子5c與定子c間的距離很小，這時(shí)，如果定子4a的線圈(未示)通電，動(dòng)子5a在定子上由電流產(chǎn)生的電磁拉力的作用下按受曲柄3約束的路徑向定子4a運(yùn)動(dòng)。當(dāng)曲柄3轉(zhuǎn)過一定角度后，動(dòng)子5a與定子4a之間的距離達(dá)到最小值這時(shí)定子4a斷電。在此位置動(dòng)子5b與定子4b的相互位置關(guān)系與定子通電時(shí)是大致相同。此時(shí)或者稍前一些的時(shí)間定子4b通電，同理動(dòng)子5b向定子4b運(yùn)動(dòng)。通電后曲柄3再轉(zhuǎn)過120度角，于定子4b斷電時(shí)或者斷電稍前時(shí)定子4c通電。如此曲柄3再轉(zhuǎn)過120度角，動(dòng)子5a、5b、5c與定子4a、4b、4c的相互位置又回到圖中所示的關(guān)系。如此連續(xù)地進(jìn)行上述各定子4a、4b、4c的通電斷電過程，驅(qū)動(dòng)搖臺(tái)進(jìn)行軌道環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而曲柄3各繞下端軸的軸線逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，與定子4a、4b、4c輪流通電的方向一致。
下面參照圖2和圖3說明一種根據(jù)一種本發(fā)明的軌道搖床的驅(qū)動(dòng)裝置的非限定性優(yōu)選實(shí)施例。
在該實(shí)施例中，所述驅(qū)動(dòng)裝置包含三個(gè)定子14a、14b、14c和三個(gè)動(dòng)子15a、15b、15c。如圖2中所示，定子鐵芯是一槽兩極的，用軟磁材料例如硅鋼片制造，兩個(gè)磁極與磁軛一起形成一個(gè)U字形；非限定性地，磁極的寬度略小于曲柄13的偏心距，兩個(gè)磁極中心線的距離等于曲柄13的偏心距的兩倍。定子上繞有一個(gè)或者兩個(gè)線圈，線圈在圖中沒有示出。在此例中動(dòng)子鐵芯是兩槽三極的，也用軟磁材料例如硅鋼片制造，三個(gè)磁極與磁軛一起形成E字形；同樣非限定性地，動(dòng)子磁極的寬度等于或者略大于定子磁極寬度，相鄰的兩個(gè)磁極中心線的距離等于曲柄13的偏心距的兩倍。動(dòng)子上不繞線圈。優(yōu)選地動(dòng)子鐵芯厚度與定子鐵芯厚度(硅鋼片疊厚)相同，并且都至少不小于，優(yōu)選地大于曲柄13的偏心距。
圖2中還示出了軌道搖床的支座11、搖臺(tái)12和偏心距相同的三個(gè)曲柄13中的兩個(gè)。支座11和搖臺(tái)12使用模制方法制造，所以是完全相同。例如，支座11和搖臺(tái)12是完全相同的等邊三角形的。從而曲軸的下端軸和上端軸的軸承座中心對應(yīng)地分別在支座11和搖臺(tái)12上設(shè)置于完全相同的位置上。
定子14a、14b、14c分別地緊固在支座11的三側(cè)，磁極面豎直向上，于安裝后的位置在圖示例子中是對支座中心對稱地安排的。動(dòng)子15a、15b、15c分別地緊固在搖臺(tái)的三側(cè)，磁極面豎直向下，于安裝后的位置在圖示例子中也是對搖臺(tái)中心對稱地安排的。這樣，動(dòng)子，例如動(dòng)子15a至搖臺(tái)中心的距離，與對應(yīng)的定子，例如定子14a至支座中心的距離完全相同。
于是，參見圖2，假定用三根長度與曲柄13的長度相同的直軸取代曲柄13進(jìn)行安裝，定子14a、14b、14c的磁極正好分別對著動(dòng)子15a、15b、15c的槽，在定子14a、14b、14c的磁極面與動(dòng)子磁極面之間有一個(gè)很小的距離，形成一個(gè)第一氣隙。這時(shí)與開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的定子磁極對轉(zhuǎn)子槽的情況非常近似，因此為了便于比較，下文把所述定子磁極面到轉(zhuǎn)子槽底的距離稱為第二氣隙。對應(yīng)的定子與動(dòng)子構(gòu)成一個(gè)驅(qū)動(dòng)組件，也就是，定子14a與動(dòng)子15a構(gòu)成驅(qū)動(dòng)組件6a、定子14b與動(dòng)子15b構(gòu)成驅(qū)動(dòng)組件6b、定子14c與動(dòng)子15c構(gòu)成驅(qū)動(dòng)組件6c。
把曲柄13的下端軸通過軸承連接到支座11上并且把曲柄13的上端通過軸承連接到搖臺(tái)12上進(jìn)行組裝以后，從搖床的上方觀察，本實(shí)施例的搖床驅(qū)動(dòng)裝置的定子14a、14b、14c與動(dòng)子15a、15b、15c的相互位置關(guān)系參見圖3a-3b。圖3a-3b中，對于支座11和安裝在支座11上的定子14a、14b、14c及曲柄連接部分和下端軸、下端軸承，在相應(yīng)圖示位置從上方觀察可見到的部分用較細(xì)的實(shí)線繪出，從上方觀察不可見到的部分用虛線繪出。在圖3a-圖3b各圖的下方附有定子14a和動(dòng)子15a的正視圖，示出從正面觀察時(shí)定子14a與動(dòng)子15a的相應(yīng)位置關(guān)系。為了圖示清楚，夸大了第一氣隙。圖中略去與說明工作原理無關(guān)的部件。
下面說明本發(fā)明的軌道搖床的驅(qū)動(dòng)裝置的工作原理。為了簡化說明，以下的說明以各個(gè)驅(qū)動(dòng)組件的定子線圈以50％的占空比通以電流為基礎(chǔ)。
參見圖3a，結(jié)合此下方的正視圖，由正面觀察，驅(qū)動(dòng)組件6a的定子14a的磁極正對的動(dòng)子15a的槽，從上方觀察，定子14a磁極插入動(dòng)子槽一定距離，在此實(shí)施例中所謂插入的距離等于定子(或轉(zhuǎn)子)的鐵芯疊厚度減去曲軸的偏心距。
如果在這樣的一個(gè)初始位置，定子14a的線圈通電，電流迅速上升。假定曲柄逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)很小的角度，動(dòng)子15a的中間磁極和右邊磁極的左邊緣就抵達(dá)定子磁極兩個(gè)右邊緣的正上方，并且開始出現(xiàn)動(dòng)子磁極面與定子磁極面互相面對的面積，磁能向其間形成的很小的氣隙集中，并且形成沿定子磁極-氣隙-動(dòng)子磁極-磁軛-動(dòng)子磁極-氣隙-定子磁極-定子磁軛的主磁路。從圖3a中可見，這時(shí)在圖面的左下方是磁阻下降的方向，在電磁能的作用下，形成對曲柄的磁阻轉(zhuǎn)矩，其方向是逆時(shí)針的。注意上述聯(lián)動(dòng)關(guān)系，當(dāng)曲柄從所述初始位置繞下端軸轉(zhuǎn)過60度角以后，如圖3b中所示，從電磁學(xué)的角度上看，驅(qū)動(dòng)組件6b的定子14b和動(dòng)子15b的相對位置關(guān)系與初始位置時(shí)定子14a與動(dòng)子15a的相對位置關(guān)系相同，這時(shí)定子14b的線圈通電，驅(qū)動(dòng)組件6b參與驅(qū)動(dòng)。曲柄13再轉(zhuǎn)過30度后，如圖3c所示，動(dòng)子15a的中間磁極與右邊磁極的磁極面與定子14a的兩個(gè)磁極面分別地完全地相對，其間只有第一氣隙，磁路的磁阻達(dá)到最小。這時(shí)定子14a的線圈斷電避免造成制動(dòng)力。定子14b的線圈單獨(dú)通電，驅(qū)動(dòng)曲柄13再轉(zhuǎn)過30度后，驅(qū)動(dòng)組件6c的定子14c和動(dòng)子15c的的相對位置關(guān)系與初始位置時(shí)定子14a與動(dòng)子15a的相對位置關(guān)系相同，這時(shí)定子14c的線圈通電，參與驅(qū)動(dòng)。與上述方式類似，相繼地，定子14b線圈斷電、定子14c的線圈單獨(dú)地通電，如此曲柄再轉(zhuǎn)過60度以后，曲柄從前述的初始位置一共轉(zhuǎn)過的180度角。這時(shí)如圖3d所示，相對于定子14a，動(dòng)子15a這時(shí)處于初始位置時(shí)的對側(cè)。但是，從電磁學(xué)的角度上看，驅(qū)動(dòng)組件6a的定子14a和動(dòng)子15a的相對位置關(guān)系與初始位置時(shí)定子14a與動(dòng)子15a的相對位置關(guān)系相同。為了方便說明本發(fā)明，在本發(fā)明中把樣的位置稱為一個(gè)驅(qū)動(dòng)組件(例如驅(qū)動(dòng)組件6a)的另一個(gè)初始位置。這時(shí)，如果定子14a的線圈通電，形成最小磁阻的趨勢卻是向右向上，對曲柄13形成的磁阻轉(zhuǎn)矩依然是逆時(shí)針方向的。注意與圖3a所示不同的是，這時(shí)動(dòng)子15a在主磁路中的是左邊的磁極和中間的磁極。與以上的說明同理，相繼地各一次經(jīng)過定子的線圈14b通電、定子14a的線圈斷電、定子14c的線圈通電、定子14b斷電，然后在曲柄13從所述初始位置總共旋轉(zhuǎn)360度角后又回到圖3a所示的位置。如此連續(xù)地通電、斷電，動(dòng)子15a、15b、15c即在曲柄13構(gòu)成的樞支機(jī)構(gòu)的約束下完成連續(xù)的軌道環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)搖臺(tái)12。如果按6a-6c-6b的順序使驅(qū)動(dòng)組件通電，曲柄則順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。從以上說明還可以看出曲柄旋轉(zhuǎn)的方向與定子14a、14b、14c輪流通電的方向相反。
定子14a、14b、14c線圈的通電和斷電由電子開關(guān)完成，電子開關(guān)可以用領(lǐng)域內(nèi)公知的方式通過位置傳感器發(fā)出的信號(hào)或者相電流檢測發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行控制。因此該實(shí)施例的搖床驅(qū)動(dòng)裝置可以稱為開關(guān)磁阻式驅(qū)動(dòng)裝置。
使用位置傳感器時(shí)例如可以用曲柄下端軸的角位置作為檢測對象。因此下面對比常規(guī)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行的闡述中所借用的開通角、關(guān)斷角等角度位置關(guān)系以及步進(jìn)角等即以曲柄的相對于某驅(qū)動(dòng)組件的定子對動(dòng)子的一定位置的轉(zhuǎn)角為參照。
從以上的說明可以看出，以曲柄旋轉(zhuǎn)360度為一個(gè)周期，一個(gè)周期中發(fā)生定子通電、斷電總共為12次間期大體上相等的事件，可以整理形成12個(gè)脈沖信號(hào)，總體上，例如在三相的實(shí)施方式中可以形成十二個(gè)脈沖信號(hào)，可以為控制和/或顯示電路提供用于控制和/或/顯示其環(huán)轉(zhuǎn)頻率的信號(hào)。
盡管本發(fā)明所述的動(dòng)子不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也不作直線運(yùn)動(dòng)，但是從以上說明可以看到本發(fā)明的搖床驅(qū)動(dòng)裝置與常規(guī)的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)原理相同，形成最小磁阻時(shí)的情況完全相同。從能量轉(zhuǎn)換的角度上應(yīng)當(dāng)與常規(guī)的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)相當(dāng)。但是，在定子磁極對轉(zhuǎn)子槽的位置，定子磁極與轉(zhuǎn)子磁極在水平面上的投影的鐵芯疊厚方向上的中心線卻錯(cuò)開一個(gè)曲柄的偏心距，因此有效第二氣隙實(shí)際上大于定子磁極面至轉(zhuǎn)子槽的距離。從而，在所述初始位置上定子線圈電感量較小，易于電流快速上升貯備磁能。因此，綜合分析對比，領(lǐng)域內(nèi)普通技術(shù)人員可以看出，旨在提高電磁能轉(zhuǎn)換率的定子鐵芯和動(dòng)子鐵芯設(shè)計(jì)受到的制約實(shí)質(zhì)上少得多。
進(jìn)一步，參見圖3a，在定子線圈通電后，本發(fā)明的搖床驅(qū)動(dòng)裝置的定子磁極與轉(zhuǎn)子磁極的極面相對的面積增加的方向，也就是磁阻下降的方向，與曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)的切向方向，也就是負(fù)荷的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方向，的夾角始終較小，而且鐵芯疊厚越大，夾角越小。從力學(xué)角度上，磁阻拉力在質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方向的分量較大。視鐵芯疊厚而異，磁拉力的作用力臂可以從大于0.7倍曲柄偏心距的一個(gè)最小值到1倍的曲柄偏心距。
圖1所示現(xiàn)有技術(shù)的定子線圈通電后，磁拉力方向?qū)嵸|(zhì)上是不變的，在相當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)磁拉力與質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方向夾角較大，磁拉力作用的力臂小。并且在相當(dāng)?shù)那D(zhuǎn)角范圍內(nèi)定子與動(dòng)子之間有很大的距離，磁拉力很小，因?yàn)榇爬εc所述距離為平方反比關(guān)系。在氣隙大時(shí)，磁力線分散，也不利于能量轉(zhuǎn)換。
另外，在定子線圈通電時(shí)，本實(shí)施方式的搖床驅(qū)動(dòng)裝置的定子磁極與轉(zhuǎn)子磁極的極面相對的面積有相當(dāng)?shù)某煞值脑隽颗c曲柄角位移增量成平方率，也就是磁阻的相當(dāng)?shù)某煞职雌椒铰氏陆?。而常?guī)的開關(guān)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，不論是旋轉(zhuǎn)的還是直線的，定子、轉(zhuǎn)子磁極面相對的面積都是按線性率增加的。磁阻變化率快說明磁能向機(jī)構(gòu)能轉(zhuǎn)換的速度快，也就是說磁阻拉力大。因此，盡管從圖3上看力臂不能夠總達(dá)到最大值，但是在安匝數(shù)等條件相同時(shí)磁阻拉力在曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)切線方向的分力應(yīng)當(dāng)至少不小于同比常規(guī)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的磁阻拉力，也就是說磁阻轉(zhuǎn)矩并不低。
在從圖3a曲柄轉(zhuǎn)過30角至60度角之間定子線圈14a只能夠單相起動(dòng)的任何位置，磁阻拉力在運(yùn)動(dòng)切向分量都是較大的值，而且在磁阻變化率的最大值附近，磁阻拉力大。因此起動(dòng)性能好。
作為對比，如圖1中所示的現(xiàn)有技術(shù)在此最不利的起動(dòng)位置，力臂雖然接近曲柄的偏心距，定子與動(dòng)子之間的距離卻很大，而且只能夠單相起動(dòng)。因此要保證任意位置上的起動(dòng)能力，必須保證相當(dāng)大的安匝數(shù)。當(dāng)動(dòng)子接近定子時(shí)，氣隙很小，力臂也很小，為了避免過深的磁飽和，鐵芯也要很大。因此，銅、鐵材料用得多，銅耗大，相當(dāng)多的電能通過純歐姆電阻和鐵損轉(zhuǎn)換成熱。
與常規(guī)的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)相比，本實(shí)施方式還有其它方面的優(yōu)點(diǎn)。把在不產(chǎn)生制動(dòng)力的條件下一相的線圈一個(gè)通電周期所能夠達(dá)到的最大開通角定義為有效開通角，從上面參照
的實(shí)施例可以看出，本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)裝置的有效開通角可達(dá)90度，而步進(jìn)角為60度，比值為1.5。而常規(guī)的三相六-四極的有效開通角實(shí)際為30度或稍大于30度，步進(jìn)角也是30度。因此相同相數(shù)的條件下相比，本發(fā)明所述驅(qū)動(dòng)裝置的起動(dòng)性能好，驅(qū)動(dòng)力矩脈動(dòng)小。
對比圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)開搖床驅(qū)動(dòng)裝置，如果兩相同時(shí)通電，在不產(chǎn)生制動(dòng)力的條件下，必有一相的通電角在初始位置的-30度到-0度位置，動(dòng)子與定子之間的距離大于1又1/2曲柄的偏心距，產(chǎn)生的磁拉力相當(dāng)小，其力臂也不大，力矩的互補(bǔ)作用很小。兩相的實(shí)施方式由于存在死角，實(shí)際上是不可能達(dá)到在任意位置的自起動(dòng)能力。
根據(jù)本實(shí)施方式的搖床驅(qū)動(dòng)裝置的有效開通角大于步進(jìn)角還可以為角度位置控制提供更大的余地。
因此，以上說明50％的驅(qū)動(dòng)電流占空比的假定只是為了便于說明，并不是本發(fā)明所必須的。
與常規(guī)開關(guān)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)相比，本發(fā)明所述的各相搖床驅(qū)動(dòng)組件的定子與定子之間、轉(zhuǎn)與轉(zhuǎn)子之沒有公共的磁軛，也就是不存在同時(shí)通電時(shí)的相間互感。更多相的本發(fā)明所述搖床驅(qū)動(dòng)裝置的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是每相的定子與動(dòng)子形成的磁路是短磁路。
以上參照附圖的優(yōu)選實(shí)施例說明的本發(fā)明搖床驅(qū)動(dòng)裝置，但是以上的說明并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。
在本發(fā)明中，定子可以是三極兩槽，而動(dòng)子是兩極一槽的，即與上述實(shí)施方式結(jié)構(gòu)相反。這時(shí)定子線圈優(yōu)選地是一個(gè)，可以繞在中心磁極上，也不排除如安排方便時(shí)繞在磁軛上。其工作原理與上述實(shí)施方式在實(shí)質(zhì)上是相同的。
可以理解，動(dòng)子磁極中心線之間的距離、定子磁極中心線之間的距離也可以大于曲柄的偏心距的兩倍。這樣可以把為較大曲柄偏心距設(shè)計(jì)的硅鋼片用在較小偏心距搖床上，而效率沒有實(shí)質(zhì)性的降低。
另外，動(dòng)子也可以是其它的適當(dāng)形式的，例如永磁式的，感應(yīng)式的。
本申請人還構(gòu)想過動(dòng)子鐵芯非凸極式的實(shí)施方式，也就是動(dòng)子鐵芯是平的，沒有凸起的磁極。這樣的結(jié)構(gòu)相對簡單一些，但是參照圖3a可以看出，在初始的位置形成的磁拉力沿圖面中向下的方向，磁拉力在運(yùn)動(dòng)方向上的分力很小，曲柄13轉(zhuǎn)過30度以后力臂才達(dá)到1/2曲柄的偏心距。因此有效開通角小此。但是從能量轉(zhuǎn)換的角度上應(yīng)當(dāng)接近常規(guī)的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。在該實(shí)施方式中，定子磁極中心線之間的距離和磁極寬度選擇自由度大得多，但是動(dòng)子鐵芯和定子鐵芯的疊厚都應(yīng)當(dāng)大致等于曲柄的偏心距。
搖床支座和搖臺(tái)不必是相同的，并且可以采用任何其它的形狀，例如矩形的、六角形的、八角形的等等。
以上說明中定子對支座在平面上中心對稱的安排和動(dòng)子對搖臺(tái)中心對稱的安排只是為了便于制造并且便于說明，也不是本發(fā)明必須的。例如，從圖3所示的俯視圖中可以看到，如果把任一個(gè)驅(qū)動(dòng)組件的，例如6a的定子14a和動(dòng)子15a共同地在平面上進(jìn)行對等的平移，例如把6a的定子14a和動(dòng)子15a在附圖中同時(shí)向右移動(dòng)一個(gè)距離再向附圖上方移動(dòng)一個(gè)距離，再分別緊固在支座11和搖臺(tái)12上，不會(huì)改變它們的相對位置關(guān)系，也不改變通電時(shí)動(dòng)子的動(dòng)力趨勢，因此是等效的。這從另一個(gè)方面這也說明，如果在可以如此移動(dòng)的任何一個(gè)位置，例如在相對曲柄的對置的適當(dāng)位置，安排一個(gè)新的驅(qū)動(dòng)組件，把兩個(gè)驅(qū)動(dòng)組件的定子線圈以同時(shí)通電斷電的方式連接在一起，可以與原來的驅(qū)動(dòng)組件協(xié)同工作，也就是構(gòu)成一相驅(qū)動(dòng)組件。換言之根據(jù)本發(fā)明的三相搖床驅(qū)動(dòng)裝置可以有六個(gè)甚至更多的驅(qū)動(dòng)組件。
由于本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)裝置可以提供90度的有效開通角，并且在曲柄360度的一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期可以提供兩次開通周期，所以本發(fā)明所述搖床驅(qū)動(dòng)裝置的兩相實(shí)施方式即可以實(shí)現(xiàn)任意位置上的自起動(dòng)能力。
適當(dāng)?shù)匕才糯艠O方向，本發(fā)明可以有三相以上的實(shí)施方式，例如四相、六相的。
本發(fā)明的搖床驅(qū)動(dòng)裝置也不限于用在由三個(gè)曲柄構(gòu)成搖臺(tái)樞支機(jī)構(gòu)的搖床上。
本發(fā)明所述搖床驅(qū)動(dòng)裝置的另一個(gè)實(shí)施方式是動(dòng)子鐵芯兩個(gè)，每個(gè)動(dòng)子鐵芯的極數(shù)和槽數(shù)與定子鐵芯的極數(shù)和槽數(shù)相同，也就是說鐵芯截面大致相同。動(dòng)子位置的安排是分別在圖3中所示的位置在定子方向向定子兩側(cè)各平移一個(gè)曲柄的偏心距。形成磁拉力的方向?qū)⑴c圖3中所示方向正交，其余的原理相同，不再詳細(xì)說明。該實(shí)施例所述的搖床驅(qū)動(dòng)裝置可以與參照圖3說明的搖床驅(qū)動(dòng)裝置以適當(dāng)?shù)慕M合同時(shí)用在一個(gè)搖床上。
本申請人還提出一種包含所述軌道搖床驅(qū)動(dòng)裝置的搖床，包括在此基礎(chǔ)上按公知的方式構(gòu)成的直線搖床和軌道-直線兩用搖床。
本申請人特別地提出一種水浴搖床。從圖2中可以看出，動(dòng)子和定子都可以用非磁性材料防水密封，而不影響其電磁性能。如果支座、搖臺(tái)、曲柄等相關(guān)部件用防銹材料，例如不銹鋼、塑料制造，整個(gè)上述裝置都可以安裝在水浴池中。這時(shí)如果軸承采用滑動(dòng)軸承，例如用塑料制造，工作時(shí)水浴中的水可以提供水潤滑。這時(shí)相當(dāng)?shù)呢?fù)荷受水的浮力抵消，對軸承的壓力減輕，滑動(dòng)軸承是合用的。就本申請人所知，迄今還沒有這樣的水浴搖床。
本發(fā)明所述的搖床主要是指軌道搖床，但是本發(fā)明不排除用公知的技術(shù)在軌道搖床基礎(chǔ)上改裝的直線搖床或者軌道-直線兩用搖床。
通過閱讀以的說明，領(lǐng)域內(nèi)可以對以上說明提出各種改進(jìn)和修改的實(shí)施方式而不脫離本發(fā)明的范圍，因此本發(fā)明的范疇只由權(quán)利要求書的給出的定義限定。
權(quán)利要求
1.一種軌道搖床驅(qū)動(dòng)裝置，包含至少兩個(gè)驅(qū)動(dòng)組件，所述驅(qū)動(dòng)組件各包含一個(gè)定子和至少一個(gè)動(dòng)子，所述定子緊固在一個(gè)搖床支座上，動(dòng)子緊固在一個(gè)搖臺(tái)上，定子鐵芯用軟磁材料制造，動(dòng)子鐵芯用鐵磁材料制造，其特征在于，定子鐵芯磁極面豎直向上，動(dòng)子磁極面豎直向下，在組裝的狀態(tài)下同一驅(qū)動(dòng)組件的定子磁極面與動(dòng)子磁極面之間沿豎直方向有一個(gè)很小的距離，在一個(gè)初始的位置，動(dòng)子磁極面和對應(yīng)的定子磁極面在水平面上的投影實(shí)質(zhì)上錯(cuò)開，動(dòng)子的至少一個(gè)磁極面的一個(gè)邊緣與對應(yīng)定子的至少一個(gè)磁極面的一個(gè)邊緣在水平面的投影實(shí)質(zhì)上緊密地鄰接，在一個(gè)終末位置所述動(dòng)子至少一個(gè)磁極面在對應(yīng)的定子豎直上方面對該定子的一個(gè)相應(yīng)磁極面，其在水平面上的投影實(shí)質(zhì)上重疊，而且，動(dòng)子可以在上方越過此位置到達(dá)另一個(gè)初始位置，在所述另一個(gè)初始的位置，定子磁極面和動(dòng)子磁極面在水平面上的投影實(shí)質(zhì)上錯(cuò)開，定子磁極面的至少另一個(gè)邊緣與動(dòng)子磁極面的至少另一個(gè)邊緣在水平面的投影實(shí)質(zhì)上緊密地鄰接，在另一個(gè)終末位置動(dòng)子至少一個(gè)磁極面在定子磁極面的豎直上方面對至少一個(gè)定子磁極面，其在水平面上的投影實(shí)質(zhì)上重疊，并且動(dòng)子可以在定子的上方，按受搖床樞支機(jī)構(gòu)所約束的路徑，從所述一個(gè)初始位置運(yùn)動(dòng)到所述一個(gè)終末位置，越過此位置到達(dá)所述第二個(gè)初始位置，然后相對于定子從另一側(cè)，在定子的上方，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到所述另一個(gè)終末位置，越過此位置繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，回到所述第一個(gè)初始位置，其中，在所述初始位置與續(xù)后的終末位置之間通電形成驅(qū)動(dòng)力。
2.如權(quán)利要求1所述的軌道搖床驅(qū)動(dòng)裝置，其中，所述搖床驅(qū)動(dòng)裝置是磁阻式的，定子鐵芯有凸極式結(jié)構(gòu)，具有至少兩個(gè)磁極和至少一個(gè)槽。
3.如權(quán)利要求1或2所述的搖床驅(qū)動(dòng)裝置，其中，動(dòng)子鐵芯有凸極式結(jié)構(gòu)，包含至少兩個(gè)磁極和至少一個(gè)的槽。
4.如以上權(quán)利要求之一所述的搖床驅(qū)動(dòng)裝置，其中，定子鐵芯上繞有線圈。
5.如權(quán)利要求1至3之一所述的搖床驅(qū)動(dòng)裝置，其中動(dòng)子鐵芯上繞有線圈。
6.一種搖床，所述搖床包含一個(gè)支座、一個(gè)搖臺(tái)和一個(gè)連接在支座與搖臺(tái)之間的樞支機(jī)構(gòu)，所述樞支機(jī)構(gòu)包含至少一個(gè)曲柄，所述曲柄的下端是一個(gè)豎直的軸，通過一個(gè)軸承連接在支座上，其上端也是一個(gè)豎直的軸，通過一個(gè)軸承連接到搖臺(tái)上，其特征在于，其驅(qū)動(dòng)裝置是以上權(quán)利要求之一所述的搖床驅(qū)動(dòng)裝置。
7.如權(quán)利要求4所述的搖床，其中，所述搖床是軌道搖床。
8如權(quán)利要求4或5之一所述的搖床，其中，所述搖床是水浴搖床。
全文摘要
揭示了一種軌道搖床的驅(qū)動(dòng)裝置，包含至少兩個(gè)驅(qū)動(dòng)組件，驅(qū)動(dòng)組件各包含一個(gè)定子和至少一個(gè)動(dòng)子，所述定子磁極面豎直向上地緊固在一個(gè)搖床支座上，動(dòng)子磁極面豎直向下地緊固在一個(gè)搖臺(tái)上。在定子磁極面與對應(yīng)的動(dòng)子磁極面之間沿豎直方向有一個(gè)很小的距離，形成一個(gè)氣隙。動(dòng)子可以在定子的上方進(jìn)行環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)組件的定子或者動(dòng)子輪流通電驅(qū)動(dòng)軌道搖床。
文檔編號(hào)B01F11/00GK1923349SQ200510098529
公開日2007年3月7日 申請日期2005年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月2日
發(fā)明者劉自蘆 申請人:劉自蘆