CN101741212A - 横向磁通永磁平面电机 - Google Patents

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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τa为τa=[1+j/m)]τp。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τa为τa=[1+j/m)]τp,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τa为τa=[1+j/m)]τp,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τt与永磁体极距τp之间满足关系τt=τp。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τt与永磁体极距τp之间满足关系3nτt=(3n±1)τp,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 (9)

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τa为τa=[1+j/m)]τp,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τt与永磁体极距τp之间满足关系τt=τp
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τt与永磁体极距τp之间满足关系3nτt=(3n±1)τp,n为自然数。
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