CN101741212A

CN101741212A - 横向磁通永磁平面电机

Info

Publication number: CN101741212A
Application number: CN200910217414A
Authority: CN
Inventors: 寇宝泉; 张千帆; 程树康
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2009-12-24
Filing date: 2009-12-24
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2029-12-24
Also published as: CN101741212B

Abstract

横向磁通永磁平面电机，它涉及电机领域，它解决了永磁同步平面电机存在动子的行程有限、推力密度低、电机的结构复杂以及电流控制精度低等问题。它的初级由若干个电机单元组成，每w个电机单元由m²个相电枢单元组成，m²个相电枢单元组成相电枢单元阵列，其阵列的行与列间距相等；每个相电枢单元由相单元铁心和相单元绕组组成；每个相单元铁心是由两个铁心单元组成带有齿孔的相单元铁心，齿孔由两个铁心单元的齿槽叠加形成，每个铁心单元的两个齿沿横截面的水平方向排列，两个齿之间连接有磁轭段；线圈通过齿孔绕成一相相单元绕组；沿X方向或Y方向相邻两个相单元铁心之间的齿距τ_a为τ_a＝[1+j/m)]τ_p。另外，电机的结构简单，易实现模块化，且电机的行程不受限制。

Description

横向磁通永磁平面电机

技术领域

本发明涉及电机领域，具体涉及一种永磁平面电机。

背景技术

现代精密、超精密加工装备对高响应、高速度、高精度的平面驱动装置有着迫切的需求，如机械加工、电子产品生产、机械装卸、制造自动化仪表设备甚至机器人驱动等。通常这些装置由旋转式电动机产生动力驱动，再由皮带、滚珠丝杆等机械装置，转换为直线运动。由于机械装置复杂，传动精度和速度都受到限制，且需经常调校，造成成本高、可靠性差、体积较大。最初的平面驱动装置是由两台直接驱动的直线电机来实现的，采用层叠式驱动结构，这种结构增加了传动系统的复杂性，从本质上没有摆脱低维运动机构叠加形成高维运动机构的模式。对于底层的直线电机，要承载上层直线电机及其相关机械部件的总质量，从而严重影响了定位和控制精确度。而直接利用电磁能产生平面运动的平面电机，具有出力密度高、低热耗、高速度、高精度和高可靠性的特点，因省去了从旋转运动到直线运动再到平面运动的中间转换装置，可把控制对象同电机做成一体化结构，具有反应快、灵敏度高、随动性好及结构简单等优点。根据平面电机电磁推力的产生原理，可以将平面电机分为变磁阻型、同步型和感应型。其中，同步型平面电机具有结构简单、推力大、效率高和响应速度快等良好的综合性能，在二维平面驱动装置、特别是精密二维平面驱动装置中具有广阔的应用前景。

图14和图15所示为现有的一种平面电机结构。该电机中包括定子和动子两大部件，它的工作原理类似于三相旋转永磁同步电机，定子包含铁心和4个相互垂直放置的推力绕组，每个绕组有独立的3个相，X向推力绕组用于驱动动子沿X方向运动，Y向推力绕组用于驱动动子沿Y方向运动。动子包含动子平台和4个永磁体阵列，永磁体阵列排列在动子平台的下表面，通过控制相应的三相绕组电流，动子平台就可以在平面上做定位运动。

但是，该永磁同步平面电机存在动子的行程有限、推力密度低、电机的结构复杂以及电流控制精度低等问题。

发明内容

本发明为了解决永磁同步平面电机存在动子的行程有限、推力密度低、电机的结构复杂以及电流控制精度低等问题，而提出了横向磁通永磁平面电机。

本发明由初级和次级组成；次级由永磁体阵列组成；初级由若干个电机单元组成，每个电机单元由m²个相电枢单元组成，m²个相电枢单元组成一个m行、m列的相电枢单元阵列，所述的相电枢单元阵列的行间距与列间距相等；每个相电枢单元由相单元铁心和相单元绕组组成；每个相单元铁心是由两个铁心单元组成带有齿孔的相单元铁心，所述齿孔由两个铁心单元的齿槽叠加形成，每个铁心单元由两个齿和磁轭段组成；所述的两个齿沿横截面的水平方向排列，所述的两个齿之间连接有磁轭段；两个铁心单元沿X向或Y向排列，线圈通过相单元铁心的齿孔绕成一相相单元绕组；沿X方向或Y方向相邻两个相单元铁心之间的齿距τ_a为τ_a＝[1+j/m)]τ_p，其中j为自然数，j≠im，i为自然数，m为大于1的自然数。

本发明采用了上述特殊的横向磁通电磁结构，构成一种横向磁通永磁平面电机，消除了相间互感，提高了电机的电流及电磁力控制精度；线圈数量少，加工工艺简单、成本低，且铜耗小、效率高；电机设计简单，推力增加容易；电枢铁心与次级永磁体的利用率高，电机的推力密度与功率密度大；电机的行程不受限制。由于消除了相间的磁耦合，提高了绕组电流控制精度；电枢铁心与次级永磁体的利用率高，电机的推力密度与功率密度大、效率高；另外，电机的结构简单，易实现模块化，且电机的行程不受限制。

附图说明

图1是本发明的横向磁通永磁平面电机的主视图；图2是本发明的横向磁通永磁平面电机的俯视图；图3至图10是铁心单元5的结构示意图；图11是具体实施方式六所述的永磁体阵列平面展开图；图12是具体实施方式七所述的永磁体阵列的平面展开图；图13是具体实施方式八所述的永磁体阵列的平面展开图；图14是现有的电机的结构示意图；图15是现有的电机的永磁阵列的平面展开图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式它由初级和次级组成；次级由永磁体阵列组成；初级由若干个电机单元组成，每个电机单元由m²个相电枢单元1组成，m²个相电枢单元1组成一个m行、m列的相电枢单元阵列2，所述的相电枢单元阵列2的行间距与列间距相等；每个相电枢单元1由相单元铁心3和相单元绕组4组成；每个相单元铁心3是由两个铁心单元5组成带有齿孔71的相单元铁心3，所述齿孔71由两个铁心单元5的齿槽72叠加形成，每个铁心单元5由两个齿和磁轭段组成；所述的两个齿沿横截面的水平方向排列，所述的两个齿之间连接有磁轭段；两个铁心单元5沿X向或Y向排列，线圈41通过相单元铁心3的齿孔71绕成一相相单元绕组；沿X方向或Y方向相邻两个相单元铁心3之间的齿距τ_a为τ_a＝[1+j/m)]τ_p，其中j为自然数，j≠im，i为自然数，m为大于1的自然数。当电机为单相或多相电机时，每个相单元铁心3的四个齿截面为正方形，任何相邻两个齿之间的齿距τ_t与永磁体极距τ_p之间满足关系τ_t＝τ_p。当电机为三相电机时，每个相单元铁心3的四个齿截面为正方形，任何相邻两个齿之间的齿距τ_t与永磁体极距τ_p之间满足关系3nτ_t＝(3n±1)τ_p，n为自然数。其中线圈41为跑道形线圈。

具体实施方式二、结合图3至图7说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于所述的相单元铁心3中每个铁心单元5由一个长齿51、一个短齿52、一个高水平磁轭段53、一个低水平磁轭段54和一个垂向磁轭段55组成；所述的长齿51与短齿52沿横截面的水平方向排列，所述的长齿51与短齿52之间均依次连接有高水平磁轭段53、垂向磁轭段55和低水平磁轭段54，所述的长齿51侧面根部与所述的高水平磁轭段53的一端侧面相连，所述的高水平磁轭段53的另一端侧面与所述的垂向磁轭段55一侧侧面根部相连，所述的垂向磁轭段55的另一侧侧面端部与所述的低水平磁轭段54的一端侧面相连，所述的低水平磁轭段54的另一端侧面与所述的短齿52侧面根部相连，并且高水平磁轭段53、垂向磁轭段55和低水平磁轭段54形成Z字形；铁心单元5的长齿51、短齿52、高水平磁轭段53、低水平磁轭段54和垂向磁轭段55构成的内侧为齿槽72；两个铁心单元5的齿槽72叠加形成两个齿孔71；两个铁心单元5沿X向或Y向排列；两个铁心单元5中两个铁心单元5的齿、高水平磁轭段53、低水平磁轭段54和垂向磁轭段55的沿水平方向的排列次序相反，其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三、结合图3至图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二不同点在于线圈41通过所述的两个齿孔7在长齿51的上部或高水平磁轭段53或垂直磁轭段55上环形缠绕成一相相单元绕组。其它组成和连接方式与具体实施方式二相同。

具体实施方式四、结合图8、图9和图10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于所述的相单元铁心3中有一个长齿结构铁心单元，所述的长齿结构铁心单元由两个长齿51和高水平磁轭段53组成，所述的长齿结构铁心单元的两个长齿51沿横截面的水平方向排列，所述的两个长齿51之间连接有一个高水平磁轭段53，所述的两个长齿51侧面根部分别与所述的高水平磁轭段53的两端侧面相连；两个长齿51和高水平磁轭段53构成的内侧为齿槽72；所述的相单元铁心3中有一个短齿结构铁心单元，所述的短齿结构铁心单元由两个短齿52和低水平磁轭段54组成，所述的短齿结构铁心单元的两个短齿52沿横截面的水平方向排列，所述的两个短齿52之间连接有一个低水平磁轭段54，所述的两个短齿52侧面根部分别与所述的低水平磁轭段54的两端侧面相连；两个短齿52和低水平磁轭段54构成的内侧为齿槽72；所述的一个长齿结构铁心单元与一个短齿结构铁心单元沿X方向或Y方向依次间隔排列；两个铁心单元5的一个长齿结构铁心单元的齿槽72与一个短齿结构铁心单元的的齿槽72叠加形成一个齿孔71；其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式五、结合图10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四不同点在于所述的线圈41通过所述的一个齿孔7在高水平磁轭段53和低水平磁轭段54上环形缠绕成一相相单元绕组。其它组成和连接方式与具体实施方式四相同。

具体实施方式六、结合图11说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、二、三、四或五不同点在于所述的永磁体阵列由n×n个正方形平板永磁体61组成，所述永磁体阵列中，每一行由n个正方形平板永磁体61排列组成，每一列也由n个正方形平板永磁体61排列组成，行间距与列间距相等，沿X向或Y向每相邻两个正方形平板永磁体61的充磁方向相反，正方形平板永磁体61为沿Z向或-Z向平行充磁。其它组成和连接方式与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七、结合图12说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、二、三、四或五不同点在于永磁体阵列由(n+1)×(n+1)个平板形永磁体62和n×n个正方形平板永磁体61组成，所述永磁体阵列中，每一行由n个正方形平板永磁体61与n+1个平板形永磁体62间隔紧密排列组成，所述正方形平板永磁体61与所述平板形永磁体62沿Y轴方向的宽度相等，相邻的两个平板形永磁体62的充磁方向相反，且充磁方向沿X轴方向；每一列由n个正方形平板永磁体61与n+1个平板形永磁体62紧密排列组成，所述正方形平板永磁体61与所述平板形永磁体62沿X轴方向的长度相等，相邻的两个平板形永磁体62的充磁方向相反，且充磁方向沿Y轴方向，所述正方形平板永磁体61与平板形永磁体62沿Z轴方向等高，并且沿X轴方向充磁的平板形永磁体62与沿Y轴方向充磁的平板形永磁体62的磁化方向厚度相同；每个正方形平板永磁体61与四个平板形永磁体62紧密相邻，当所述四个平板形永磁体62的磁化方向均为指向所述正方形平板永磁体61时，所述正方形平板永磁体61的磁化方向沿Z轴向外；当所述四个平板形永磁体62的磁化方向均为背向所述正方形平板永磁体61时，所述正方形平板永磁体61的磁化方向为沿Z轴向内。其它组成和连接方式与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式八、结合图13说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、二、三、四或五不同点在于永磁体阵列由(n+1)×(n+1)个平板形永磁体62和n×n个正方形平板形导磁体63组成，所述永磁体阵列中，每一行由n个正方形平板形导磁体63与n+1个平板形永磁体62间隔紧密排列组成，所述正方形平板形导磁体63与所述平板形永磁体62沿Y轴方向的宽度相等，相邻的两个平板形永磁体62的充磁方向相反，且充磁方向沿X轴方向；每一列由n个正方形平板形导磁体63与n+1个平板形永磁体62紧密排列组成，所述正方形平板形导磁体63与所述平板形永磁体62沿X轴方向的长度相等，相邻的两个平板形永磁体62的充磁方向相反，且充磁方向沿Y轴方向，所述正方形平板形导磁体63与平板形永磁体62沿Z轴方向等高，并且沿X轴方向充磁的永磁体与沿Y轴方向充磁的永磁体的磁化方向厚度相同；每个正方形平板形导磁体63与四个永磁体紧密相邻，当所述四个永磁体的磁化方向均为指向所述正方形平板形导磁体63时，所述正方形平板形导磁体63的磁力线方向沿Z轴向外；当所述四个永磁体的磁化方向均为背向所述正方形平板形导磁体63时，所述正方形平板形导磁体63的磁力线方向为沿Z轴向内。其它组成和连接方式与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。

Claims

1.横向磁通永磁平面电机，它由初级和次级组成；次级由永磁体阵列组成；初级由若干个电机单元组成，其特征在于每个电机单元由m²个相电枢单元(1)组成，m²个相电枢单元(1)组成一个m行、m列的相电枢单元阵列(2)，所述的相电枢单元阵列(2)的行间距与列间距相等；每个相电枢单元(1)由相单元铁心(3)和相单元绕组(4)组成；每个相单元铁心(3)是由两个铁心单元(5)组成带有齿孔(71)的相单元铁心(3)，所述齿孔(71)由两个铁心单元(5)的齿槽(72)叠加形成，每个铁心单元(5)由两个齿和磁轭段组成；所述的两个齿沿横截面的水平方向排列，所述的两个齿之间连接有磁轭段；两个铁心单元(5)沿X向或Y向排列，线圈(41)通过相单元铁心(3)的齿孔(71)绕成一相相单元绕组；沿X方向或Y方向相邻两个相单元铁心(3)之间的齿距τ_a为τ_a＝[1+j/m)]τ_p，其中j为自然数，j≠im，i为自然数，m为大于1的自然数。

2.根据权利要求1所述的横向磁通永磁平面电机，其特征在于所述的相单元铁心(3)中每个铁心单元(5)由一个长齿(51)、一个短齿(52)、一个高水平磁轭段(53)、一个低水平磁轭段(54)和一个垂向磁轭段(55)组成；所述的长齿(51)与短齿(52)沿横截面的水平方向排列，所述的长齿(51)与短齿(52)之间均依次连接有高水平磁轭段(53)、垂向磁轭段(55)和低水平磁轭段(54)，所述的长齿(51)侧面根部与所述的高水平磁轭段(53)的一端侧面相连，所述的高水平磁轭段(53)的另一端侧面与所述的垂向磁轭段(55)一侧侧面根部相连，所述的垂向磁轭段(55)的另一侧侧面端部与所述的低水平磁轭段(54)的一端侧面相连，所述的低水平磁轭段(54)的另一端侧面与所述的短齿(52)侧面根部相连，并且高水平磁轭段(53)、垂向磁轭段(55)和低水平磁轭段(54)形成Z字形；铁心单元(5)的长齿(51)、短齿(52)、高水平磁轭段(53)、低水平磁轭段(54)和垂向磁轭段(55)构成的内侧为齿槽(72)；两个铁心单元(5)的齿槽(72)叠加形成两个齿孔(71)；两个铁心单元(5)沿X向或Y向排列；两个铁心单元(5)中两个铁心单元(5)的齿、高水平磁轭段(53)、低水平磁轭段(54)和垂向磁轭段(55)的沿水平方向的排列次序相反，线圈(41)通过所述的两个齿孔(71)在长齿(51)的上部或高水平磁轭段(53)或垂直磁轭段(55)上环形缠绕成一相相单元绕组。

3.根据权利要求1所述的横向磁通永磁平面电机，其特征在于所述的相单元铁心(3)中有一个长齿结构铁心单元，所述的长齿结构铁心单元由两个长齿(51)和高水平磁轭段(53)组成，所述的长齿结构铁心单元的两个长齿(51)沿横截面的水平方向排列，所述的两个长齿(51)之间连接有一个高水平磁轭段(53)，所述的两个长齿(51)侧面根部分别与所述的高水平磁轭段(53)的两端侧面相连；两个长齿(51)和高水平磁轭段(53)构成的内侧为齿槽(72)；所述的相单元铁心(3)中有一个短齿结构铁心单元，所述的短齿结构铁心单元由两个短齿(52)和低水平磁轭段(54)组成，所述的短齿结构铁心单元的两个短齿(52)沿横截面的水平方向排列，所述的两个短齿(52)之间连接有一个低水平磁轭段(54)，所述的两个短齿(52)侧面根部分别与所述的低水平磁轭段(54)的两端侧面相连；两个短齿(52)和低水平磁轭段(54)构成的内侧为齿槽(72)；所述的一个长齿结构铁心单元与一个短齿结构铁心单元沿X方向或Y方向依次间隔排列；两个铁心单元(5)的一个长齿结构铁心单元的齿槽(72)与一个短齿结构铁心单元的的齿槽(72)叠加形成一个齿孔(71)；所述的线圈(41)通过所述的一个齿孔(71)在高水平磁轭段(53)和低水平磁轭段(54)上环形缠绕成一相相单元绕组。

4.根据权利要求1、2或3所述的横向磁通永磁平面电机，其特征在于所述的永磁体阵列由n×n个正方形平板永磁体(61)组成，所述永磁体阵列中，每一行由n个正方形平板永磁体(61)排列组成，每一列也由n个正方形平板永磁体(61)排列组成，行间距与列间距相等，沿X向或Y向每相邻两个正方形平板永磁体(61)的充磁方向相反，正方形平板永磁体(61)为沿Z向或-Z向平行充磁。

5.根据权利要求1、2或3所述的横向磁通永磁平面电机，其特征在于永磁体阵列由(n+1)×(n+1)个平板形永磁体(62)和n ×n个正方形平板永磁体(61)组成，所述永磁体阵列中，每一行由n个正方形平板永磁体(61)与n+1个平板形永磁体(62)间隔紧密排列组成，所述正方形平板永磁体(61)与所述平板形永磁体(62)沿Y轴方向的宽度相等，相邻的两个平板形永磁体(62)的充磁方向相反，且充磁方向沿X轴方向；每一列由n个正方形平板永磁体(61)与n+1个平板形永磁体(62)紧密排列组成，所述正方形平板永磁体(61)与所述平板形永磁体(62)沿X轴方向的长度相等，相邻的两个平板形永磁体(62)的充磁方向相反，且充磁方向沿Y轴方向，所述正方形平板永磁体(61)与平板形永磁体(62)沿Z轴方向等高，并且沿X轴方向充磁的平板形永磁体(62)与沿Y轴方向充磁的平板形永磁体(62)的磁化方向厚度相同；每个正方形平板永磁体(61)与四个平板形永磁体(62)紧密相邻，当所述四个平板形永磁体(62)的磁化方向均为指向所述正方形平板永磁体(61)时，所述正方形平板永磁体(61)的磁化方向沿Z轴向外；当所述四个平板形永磁体(62)的磁化方向均为背向所述正方形平板永磁体(61)时，所述正方形平板永磁体(61)的磁化方向为沿Z轴向内。

6.根据权利要求1、2或3所述的横向磁通永磁平面电机，其特征在于永磁体阵列由(n+1)×(n+1)个平板形永磁体(62)和n×n个正方形平板形导磁体(63)组成，所述永磁体阵列中，每一行由n个正方形平板形导磁体(63)与n+1个平板形永磁体(62)间隔紧密排列组成，所述正方形平板形导磁体(63)与所述平板形永磁体(62)沿Y轴方向的宽度相等，相邻的两个平板形永磁体(62)的充磁方向相反，且充磁方向沿X轴方向；每一列由n个正方形平板形导磁体(63)与n+1个平板形永磁体(62)紧密排列组成，所述正方形平板形导磁体(63)与所述平板形永磁体(62)沿X轴方向的长度相等，相邻的两个平板形永磁体(62)的充磁方向相反，且充磁方向沿Y轴方向，所述正方形平板形导磁体(63)与平板形永磁体(62)沿Z轴方向等高，并且沿X轴方向充磁的永磁体与沿Y轴方向充磁的永磁体的磁化方向厚度相同；每个正方形平板形导磁体(63)与四个永磁体紧密相邻，当所述四个永磁体的磁化方向均为指向所述正方形平板形导磁体(63)时，所述正方形平板形导磁体(63)的磁力线方向沿Z轴向外；当所述四个永磁体的磁化方向均为背向所述正方形平板形导磁体(63)时，所述正方形平板形导磁体(63)的磁力线方向为沿Z轴向内。

7.根据权利要求6所述的横向磁通永磁平面电机，其特征在于线圈(41)为跑道形线圈。

8.根据权利要求1、2、3或7所述的横向磁通永磁平面电机，其特征在于当电机为单相或多相电机时，每个相单元铁心(3)的四个齿截面为正方形，任何相邻两个齿之间的齿距τ_t与永磁体极距τ_p之间满足关系τ_t＝τ_p。

9.根据权利要求1、2、3或7所述的横向磁通永磁平面电机，其特征在于当电机为三相电机时，每个相单元铁心(3)的四个齿截面为正方形，任何相邻两个齿之间的齿距τ_t与永磁体极距τ_p之间满足关系3nτ_t＝(3n±1)τ_p，n为自然数。