电磁传动装置制造方法及图纸

一种控制可动部件相对于静止部件的运动的系统，比如用在振动焊接装置中。该系统包括将所需的力指令信号转换成所需的磁通指令信号的力控制器和控制在该静止组件中的磁芯中的磁通以引起可动部件的所需的运动的磁通控制器。静止组件可包括许多在磁性上去耦的顺磁材料的Ｅ－磁芯。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
轨迹控制器本专利技术涉及一种新颖的磁通控制系统，更具体地说，涉及一种在运动控制应用系统中使用的磁通控制系统。再更具体地说本专利技术涉及一种在摩擦焊接机中使用的新颖的运动控制系统。在大多数的电磁系统中，能量从该系统的一部件转移到另一部件是正确操作该系统关键。在许多电磁系统中，这种能量转移是通过适当地激励该系统的一个部件以建立与该系统的另一个部件相互作用的磁通从而完成将能量从被激励的部件转移到另一个部件。尽管通过磁通完成了能量转移，但是在公知的电磁系统中并不能直接地控制系统的磁通。而是通过施加到被激励的部件上的电流和/或电压来控制，并且基于在电流、电压和磁通之间所呈现的关系，认为在所假定的关系的基础上控制电流和/或电压产生适当的磁通。因为迄今为止在已有技术中还没有提供一种有效、低廉且容易实施的系统来直接控制在电磁系统中的磁通，所以一般实施这种电流和/或电压控制。如上所描述的这种电流和/电压控制系统的一个缺点是在电流、电压和磁通之间的关系不容易在数学上表示，它根据许多变量非线性地变化。例如，在一种系统中的每段磁性材料的特定的特性都将使从一个系统到另一个系统甚至在一给定的系统内从该系统的一部分到另一部分产生彼此不同的电压、电流和磁通关系。因为这些电压、电流和磁通关系的差异，很难精确地且正确地控制电流和/或电压以产生所需的磁通由此实现所需的能量转移。正因为如此，已有技术在提供直接控制磁通的电磁系统的能力方面受到局限。在已有技术中尤其在如下的电磁系统方面显著缺乏适当的磁通控制系统：需要最终控制通过该系统的一个部件施加在该系统的另一个部件上的力。在这种系统中，该系统产生的实际的力与通过该系统的被激励的部件所建立的磁通有关。如上所描述，因为已有技术不能直-->接并精确地控制磁通，因此它不能精确地控制这种系统所产生的力。已有技术中不能精确地控制在电磁系统中所产生的力的能力在如下的应用中尤其突出：必需精确地控制该系统的至少一个部件的运动。这种应用的一个实例是在摩擦或振动焊接机中驱动要焊接的一个热塑性部件相对于另一个热塑性部件以线性、轨道函数、旋转或任意的振动运动，同时这两个部件沿其要焊接的表面压力地接触以使部件彼此之间的相对运动产生摩擦来沿其交接部分加热部件，以使一旦停止运动部件就冷却并彼此焊接在一起。摩擦焊接机特别适合于在借助于线性、旋转或轨道振动力在部件中产生摩擦加热的热塑性部件焊接的应用中。在要焊接的连接表面上的这种摩擦加热使部件在它们的连接表面处熔合，并且当它们冷却时粘接在一起。虽然产生摩擦热的振动力可以通过机械连接装置产生，但是通常应用电磁系统来产生所需的受控运动。市场上可以购买到通过电磁或液压驱动以线性振动模式工作的许多摩擦焊接机。然而，这些摩擦焊接机的运动并不理想。由于焊接部件的线性或并行运动，在焊接材料的连接面上的摩擦力是直线的，每次焊接部件反向时运动速度降低到零。由于摩擦焊接是一种电阻焊接过程，所产生的热与电阻力和在连接面上部件的均方相对速度成比例，所以当部件速度为零时，不产生热量。此外，许多线性运动的焊接系统应用公知的“斯科特T形管”(“Scott Tee”)磁路将三相电能转换成一相的机械运动的驱动器或电磁系统。在这种系统中，由于该系统的驱动器部件的电磁链接的特性，很难精确地控制可动部件在所有方向上的运动，并很难限制可动部件的零速间隔。因此，已经研制了用于摩擦焊接部件可替换的运动和控制器，其试图降低或使零速部件最小化，并简化控制电路。旋转焊接是这样的一种变型方式，使焊接部件绕轴线旋转，旋转力而不是线性运动在连接面上产生摩擦加热。然而，旋转力与距离旋转中心的径向距离成比例，因此部件的速度和所产生的加热在径向上都不均匀。此外，旋转焊接通常限制在要焊接呈圆形的几何形状的部-->件的应用中。第二变型方案是电磁地使焊接部件产生轨道运动。在轨道运动的过程中，当部件摩擦时，部件的速度保持恒定，由此产生与由线性运动产生的摩擦加热相同量的摩擦加热，但是要求更小的力和焊接部件相对更小的位移。尽管轨道焊接具有加热的优点，但是仍然存在不适合以轨道运动来焊接的部件，而是适合于用线性或旋转运动来焊接。因此，已经研制了电磁地驱动并能够产生线性运动或轨道运动的摩擦焊接机。这样的一种摩擦焊接机公开在Snyder的美国专利US5,378,951中。这些摩擦焊接机的电磁驱动系统在许多方面类似于电磁马达的驱动系统。在这种系统中，三个耦合的磁性线圈在与运动平面平行的平面中均等地设置在焊机的周围。所耦合的磁性线圈以三角形或“Y”形连接方式电连接以实质上形成了轨道马达定子部件。通过单个的磁性材料体分别形成的三角形电枢或转子部件相对于定子部件的中央设置，以便三角电枢的每个面都与磁性线圈相邻。通过连接到粗大的静止机壳的柔性弹性支撑系统将电枢保持在水平的轨道平面中。将受控的三相交流电流施加到所耦合的磁性线圈产生电枢的轨道运动，在电枢上产生与所产生的磁通成比例的力。这种电枢运动可以分解成在幅值上与两倍的交流输电线频率的正弦和余弦成比例的位移、速度和加速度矢量。通过附加第二轨道马达或通过将单个轨道马达的每个所耦合的磁性线圈分成两部分并有选择性地将电流施加到在并联或串联组合的不同部分中来产生电枢的线性运动。应用耦合的磁性线圈的轨道运动带来了几个缺陷。首先，由于在磁路中的磁通量通路耦合使得在一个方向上产生的力总是在相反的方向上产生反作用力，因此应用耦合的磁性线圈降低了系统的整体性能。第二，系统不能产生不是轨道运动也不是线性运动的运动，即完全的随机运动。理想的是，当系统需要补偿电枢质量的分布不均衡时或需要随机的轨道运动时使焊接部件产生随机的运动。最后，使电枢产生轨道运动或线性运动的控制系统变得复杂。当-->在轨道马达中使用耦合的磁性线圈时，在系统中的磁通总和约束到零，此外，如果将交流相电流的总和也限制到零，则在磁性系统中没有足够的自由度来产生用于产生随机运动的随机力。然而，如果相电流的总和不限制到零，在磁性系统中就存在足够的自由度以产生随机的力，但要求连续的磁通操作来产生这些随机的力。在这种系统中在磁性线圈和电枢的相邻面之间的每个空气间隙中的磁通是所有的三相电流和非线性的磁力的函数。在任何时候都不会存在从来没有使用或没有被激励的磁性线圈。这就限制了在这种系统中应用任何形式的精密的磁通控制的能力。本专利技术的一个目的是克服在已有技术中这些缺陷和其它缺陷。在本专利技术的几个目的和特征中可以指出的是提供一种电磁驱动电路和控制器，这种电磁驱动电路和控制器具有位于静止的定子装置之上并去耦的磁性线圈、位于定子装置的中心并能够在定子的平面中运动的电枢以及独立地将交流电控制用于每个去耦的磁性线圈中以便产生作用在电枢上的电动力的装置，这些力的组合能够使该电枢产生线性、轨道、旋转或任意的运动。提供这样的一种包括简单的磁通观测和控制电路的电磁驱动电路和控制器；提供这样的一种电磁驱动电路和控制器，它能够以单极性的磁通波形激励磁性线圈，该单极性磁通波形在有限的时间上为零(不连续的磁通)；提供这样的一种电磁驱动电路和控制器，它不要求附加的测定电枢的位置的传感器；提供这样的一种电磁驱动电路和控制器，它应用来自未被激励的磁性线圈的磁通测量来测定电枢空气间隙和电枢平面位置；提供这样的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁通控制系统，包括： 电磁系统，该电磁系统包括至少一个相位线圈和磁芯，其中这样设置该相位线圈设置：当激励相位线圈时该相位线圈在磁芯内产生的磁通； 磁通观测器，设置该磁通观测器以产生对应于在磁芯中的磁通的磁通反馈信号；以及 磁通控制器，该磁通控制器具有接收磁通指令信号的第一输入、接收磁通反馈信号的第二输入以及连接到该相位线圈的输出，该磁通控制器包括： 求和结点，该求和结点接收磁通指令信号和磁通反馈信号并产生随在磁通指令信号和磁通反馈信号之差变化的误差信号；以及 在输入端接收误差信号的激励控制电路，该激励控制电路：（ａ）当误差信号指示磁通指令信号大于磁通反馈信号至少一预定的量时激励相位线圈以增加在该相位线圈中的磁通；以及（ｂ）当误差信号指示磁通反馈信号大于磁通指令信号至少一预定的量时激励相位线圈以降低在控制系统中的磁通。

【技术特征摘要】
US 1998-6-2 09/088,9221.一种磁通控制系统，包括：电磁系统，该电磁系统包括至少一个相位线圈和磁芯，其中这样设置该相位线圈设置：当激励相位线圈时该相位线圈在磁芯内产生的磁通；磁通观测器，设置该磁通观测器以产生对应于在磁芯中的磁通的磁通反馈信号；以及磁通控制器，该磁通控制器具有接收磁通指令信号的第一输入、接收磁通反馈信号的第二输入以及连接到该相位线圈的输出，该磁通控制器包括：求和结点，该求和结点接收磁通指令信号和磁通反馈信号并产生随在磁通指令信号和磁通反馈信号之差变化的误差信号；以及在输入端接收误差信号的激励控制电路，该激励控制电路：(a)当误差信号指示磁通指令信号大于磁通反馈信号至少一预定的量时激励相位线圈以增加在该相位线圈中的磁通；以及(b)当误差信号指示磁通反馈信号大于磁通指令信号至少一预定的量时激励相位线圈以降低在控制系统中的磁通。2.权利要求1的磁通控制系统，其中该相位线圈通过第一和第二转换装置与DC总线连接，其中相位激励控制器提供控制第一和第二转换装置的导电率的输出信号，以使相位激励控制器：(a)当误差信号指示磁通指令信号大于磁通反馈信号至少一预定的量时使第一和第二转换装置都对与DC总线连接的相位线圈导通；以及(b)当误差信号指示磁通反馈信号大于磁通指令信号至少一预定的量时使第一和第二转换装置不导通。3.权利要求2的磁通控制系统，其中当误差信号指示在磁通反馈信号和磁通指令信号之差小于预定值时激励控制器仅使一个转换器导通。4.权利要求3的磁通控制系统，其中激励控制器是一种时间滞后的且返回到零误差的控制器。5.权利要求1的磁通控制系统，其中激励控制器激励相位线圈以使在相位线圈经历零磁通状态的过程中存在规则的周期，其中磁通观测器包括开环的磁通观测器，该观测器在至少一个已知的零磁通周期中复位到零。6.权利要求5的磁通控制系统，其中开环磁通观测器包括钳位积分器，该积分器接收如下信号作为输入：(i)具有与流经相位线圈的电流的幅值相对应的幅值的电压信号；和(ii)与施加到相位线圈的电压相对应的至少一个电压信号，其中钳位的积分器的输出是磁通反馈信号。7.权利要求6的磁通控制系统，其中相位线圈通过第一和第二转换装置与DC总线连接，其中相位激励控制器产生用于控制第一和第二转换装置的导电率的输出信号，以使相位激励控制器：(a)当误差信号指示磁通指令信号大于磁通反馈信号至少一预定的量时使第一和第二转换装置都对与DC总线连接的相位线圈导通；以及(b)当误差信号指示磁通反馈信号大于磁通指令信号至少一预定的量时使第一和第二转换装置不导通；到钳位积分器的输入包括：(i)可转换地耦合到钳位积分器的至少一个输入中的正电压信号，其中正电压信号以公知的方式与DC总线的正值相关；和(ii)可转换地耦合到钳位积分器的至少一个输入中的负电压信号，其中负电压信号以公知的方式与DC总线的负值相关；以及当使第一和第二转换装置都导通时将正电压信号可转换地耦合到钳位积分器的一个输入中和当使第一和第二转换装置都不导通时将负电压信号可转换地耦合到钳位积分器的一个输入中。8.一种电磁传动装置，包括静止的外部组件，该静止的外部组件形成一孔，该静止的外部组件包括许多基本相同的且在磁性上去耦的E-磁芯，每个E-磁芯形成有一中心臂和两次级臂；许多相位线圈，其中每个相位线圈绕在E-磁芯的中心臂上，当对给定的相位线圈施加电能时，在相应的E-磁芯中建立磁通；以及设置在由该静止组件形成的孔中的可动部件。9.权利要求8的传动装置，其中该相位线圈是电去耦的，以使流经任何给定的相位线圈的电流都不受流经任何其它的相位线圈的限制。10.权利要求8的传动装置，其中至少一个E-磁芯包括许多基本相同的顺磁材料的叠层。11.一种力控制系统，包括：电磁传动装置，该传动装置包括静止的部件，该静止部件具有磁芯、可动部件和相位线圈，设置该相位线圈以使当在激励相位线圈时在该磁芯中建立磁通，其中施加在可动部件上的力与磁通的幅值成比例地变化；提供与在该磁芯中的磁通相对应的磁通反馈信号的磁通观测器；耦合到相位线圈和磁通观测器的磁通控制器，该磁通控制器接收磁通反馈信号和磁通指令信号作为输入，磁通控制器给相位线圈产生相位激励信号以当磁通指令信号大于磁通反馈信号至少一预定的量时激励相位线圈以增加在相位线圈中的磁通和当磁通反馈信号大于磁通指令信号至少一预定的量时激励相位线圈以降低在控制系统中的磁通；和具有连接到磁通控制器的输出的力到磁通控制器，该力到磁通控制器接收在给定的坐标系中的所需的力指令作为输入并在输出端上提供磁通指令信号，其中力到磁通控制器基于在与可动部件相关的力和在该磁芯中的磁通之间的关系将所需的力指令转换成磁通指令信号。12.权利要求12的力控制系统，其中力到磁通控制器基于在与可动部件相关的力和在该磁芯中的磁通之间的力到磁通的关系的最小正解将所需的力指令转换成磁通指令信号。13.权利要求11的力控制系统，其中力到磁通控制器包括数字处理设备，对该数字处理设备进行编程以确保在给定的时间周期上由力到磁通控制器所提供的磁通指令在有限的时间间隔上为零。14.权利要求11的力控制系统，其中静止部件包括如下设置的第一、第二和第三E-磁芯：使可动部件的运动可以沿着两个自由度控制。15.一种焊接装置，包括包括适合于连接到要焊接的工件上的可动部件和静止部件的电磁传动装置，该传动装置包括至少一个相位线圈和磁芯，其中设置该相位线圈以使当在激励该相位线圈时在该磁芯中产生磁通，其中在该磁芯中出现的磁通在可动部件上施加力，由此使可动部件运动；具有接收所需的力指令的输入和连接到相位线圈的输出的力控制系统，该力控制系统包括：提供与在该磁芯中的磁通相对应的磁通反馈信号的磁通观测器；耦合到相位线圈和磁通观测器的磁通控制器，该磁通控制器接收磁通反馈信号和磁通指令信号作为输入，磁通控制器给相位线圈产生相位激励信号以使当磁通指令信号大于磁通反馈信号时激励相位线圈以增加在相位线...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐纳德C拉夫特，约瑟夫G玛欣基维兹，
申请(专利权)人：爱默生电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]