CN102497080B - 一种动磁式直线旋转二自由度电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动磁式直线旋转二自由度电机。本发明提供了一种动磁式直线旋转二自由度电机，包括动子和定子，所述定子包括圆环状的前磁轭、后磁轭、绕组支撑座、前绕组和后绕组，所述前磁轭的一端与所述后磁轭的一端连接，所述前绕组套设于所述前磁轭的内侧，所述后绕组套设于所述绕组支撑座的外侧与所述后磁轭的内侧之间，所述动子包括永磁铁、铁芯、内磁轭、隔磁座和定位环，所述永磁铁包括前磁环、中磁环和后磁环，所述前磁环套设于所述前绕组的内侧与所述铁芯的外侧。本发明的有益效果是：既可通过前绕组驱动动子作旋转运动，又可通过后绕组驱动动子作直线运动，实现了在一台电机上输出兼具旋转运动和直线运动的二自由度复合运动。

Description

一种动磁式直线旋转二自由度电机

技术领域

本发明涉及电机，尤其涉及电机中的一种动磁式直线旋转二自由度电机。

背景技术

现有的电机一般只能提供单自由度的旋转运动（如旋转电机）或者直线运动（如直线电机），而无法提供兼具旋转运动和直线运动的复合运动。但是，在医疗、半导体封装、航空等领域中，却存在大量的二自由度直线旋转复合运动的需求，并且要求运动驱动部件体积小，重量轻。传统的实现方案是建立两套独立的电机系统及其传动装置分别驱动直线和旋转运动，系统体积大，响应较慢。现代工业的迅速发展对各类运动系统的响应速度、定位精度提出更高更苛刻的要求，传统的两套独立电机系统分别驱动直线和旋转运动的方案，其缺陷已经越来越明显，迫切需要体积紧凑、性能优异、运动平滑的直线旋转二自由度电机。

针对二自由度直线旋转复合运动，传统的实现方案是建立两套独立的电机系统及其传动装置分别驱动直线和旋转运动，系统体积大，响应较慢。此外，中国专利《201020582357.2，高频直线旋转电机》提供了一种新型实现方式，该专利的直线旋转电机的直线运动部分和旋转运动部分分别是一个直线音圈电机和一个小型旋转伺服电机。该发明的工作原理是：将旋转电机装在线性导轨的滑块上，然后由直线音圈推动滑块带动旋转电机整体直线运动，所以，从旋转电机延长出的输出轴就可以同时输出直线和旋转运动。根据该专利描述，这种高频直线旋转电机具有快速、平滑、无嵌齿、无滞后响应的特性，可以实现高频高精度的运动。

另外一种直线旋转电机实现方案是直线旋转混合运动步进电机。中国专利《200810042746.3，双径向磁场反应式直线旋转步进电机》提供了一种步进电机实现方式，该专利的直线旋转电机的定子是由直线步进电机和旋转步进电机的定子合并而成，动子铁芯由叠压的硅钢片形成小齿均匀分布的圆柱形。该发明的工作原理和步进电机相同，动子在定子的产生的磁阻变化下可作直线或旋转运动。根据该专利描述，这种直线旋转步进电机具有机结构简单，加工工艺简单，控制简单，传动刚度大，成本低的优点。

电机在实现方式上，根据结构的不同，电机可以分为动磁式、动圈式和动铁式三类。动铁式电机由定子（线圈及磁轭）提供磁源，动子由软铁构成，一般设计成实心以传递磁通，质量较大，而且运动复位误差较大，所以不适用于快速频繁往复运动的场合。动圈式

电机的运动部分主体是线圈，在定子磁场作用下运动，其运动部分质量轻。但是由于通电动子线圈在定子产生的磁场中运动，所以动子线圈必须要有引流电线或者电刷。动磁式电机的运动部分主要是磁铁和磁轭，在定子磁场作用下运动，运动部分质量介于动铁式和动圈式之间，但是动子无需引流电线和电刷。

现有的电机一般只能提供单自由度的旋转运动或直线运动，若要实现直线旋转二自由度运动，传统的方法是采用两套单自由度电机，建立两套独立的电机系统及其传动装置分别驱动直线和旋转运动，系统体积大，响应较慢。中国专利《201020582357，高频直线旋转电机》的直线旋转电机本质上只是将两个单自由度电机安装在一起，并非真正意义上的一体式直线旋转二自由度电机，体积仍然较大。

而中国专利《200810042746.3，双径向磁场反应式直线旋转步进电机》提供的步进电机，其步进式的直线旋转电机继承了步进电机的缺点。直线旋转步进电机一般采用开环控制，所以运动精度相对低。直线旋转步进电机存在步距角和步距，不适合微行程高响应的运动场合，而且运动平滑性比电磁式电机差，容易产生丢步和过冲现象。在低速运动时，有振荡，噪声大。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种动磁式直线旋转二自由度电机。

本发明提供了一种动磁式直线旋转二自由度电机，包括动子和定子，所述定子包括圆环状的前磁轭、后磁轭、绕组支撑座、前绕组和后绕组，所述前磁轭的一端与所述后磁轭的一端连接，所述前绕组套设于所述前磁轭的内侧，所述后绕组套设于所述绕组支撑座的外侧与所述后磁轭的内侧之间，所述动子包括永磁铁、铁芯、内磁轭、隔磁座和定位环，所述永磁铁包括前磁环、中磁环和后磁环，所述前磁环套设于所述前绕组的内侧与所述铁芯的外侧，所述中磁环、后磁环沿轴向套设于所述内磁轭的外侧与所述绕组支撑座的内侧之间，所述中磁环位于所述前磁环、后磁环之间，所述定位环套设于所述内磁轭的外侧上并位于所述中磁环、后磁环之间，所述隔磁座设置在所述前磁环与内磁轭之间，所述前磁环的外侧面与所述前绕组的内侧面之间设有前外气隙，所述中磁环、后磁环的外侧面与所述绕组支撑座的内侧面之间设有后外气隙，所述隔磁座的一端与所述铁芯固连接，另一端与所述内磁轭固定连接。

作为本发明的进一步改进，所述前磁环为四极内外径向间隔充磁，所述中磁环为内向径向充磁，所述后磁环为外向径向充磁。

作为本发明的进一步改进，所述前磁环的内侧与外侧均设有间隔90度分布的N极和S极；所述中磁环的内侧为N极，外侧为S极；所述后磁环为内侧为S极，外侧为N极。

作为本发明的进一步改进，所述前绕组为三相无齿槽绕组，所述后绕组为单相绕组，所述后绕组包括第一线圈和第二线圈，所述第一线圈和第二线圈互相串联且绕线方向相反。

作为本发明的进一步改进，所述绕组支撑座的外侧面上设有第一环形凹槽和第二环形凹槽，所述后绕组的第一线圈套设于所述第一环形凹槽内，所述后绕组的第二线圈套设于所述第二环形凹槽内，所述绕组支撑座的外侧面与所述后磁轭的内侧面相粘合固定。

作为本发明的进一步改进，所述绕组支撑座的一端分别与所述前磁轭的一端、前绕组的一端相抵接。

作为本发明的进一步改进，所述前外气隙与所述后外气隙相连通形成外气隙，所述外气隙为开放式气隙。

作为本发明的进一步改进，所述内磁轭的内侧面与端部之间设有内倒角。

作为本发明的进一步改进，所述前磁轭的一端设有凸部，所述后磁轭的一端设有肩部，所述凸部设置在所述肩部上。

作为本发明的进一步改进，所述铁芯、内磁轭、隔磁座均为圆环状。

本发明的有益效果是：通过上述方案，既可通过前绕组驱动动子作旋转运动，又可通过后绕组驱动动子作直线运动，实现了在一台电机上输出兼具旋转运动和直线运动的复合运动。

附图说明

图1是本发明一种动磁式直线旋转二自由度电机的结构示意图；

图2是本发明所述动磁式直线旋转二自由度电机的轴向分解结构示意图；

图3是本发明所述动磁式直线旋转二自由度电机的前磁环的充磁方式示意图；

图4是本发明所述动磁式直线旋转二自由度电机的中磁环的充磁方式示意图；

图5是本发明所述动磁式直线旋转二自由度电机的后磁环的充磁方式示意图；

图6是本发明所述动磁式直线旋转二自由度电机的前绕组的绕线方式示意图

图7是本发明所述动磁式直线旋转二自由度电机的后绕组的绕线方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

图1至图7中的附图标号为：前绕组1；前磁轭2；后磁轭3；后绕组4；绕组支撑座5；后磁环6；内磁轭7；定位环8；中磁环9；隔磁座10；前磁环11；铁芯12。

如图1至图7所示，一种动磁式直线旋转二自由度电机，包括圆环状且同轴安装的动子和定子，所述定子包括圆环状且同轴安装的前磁轭2、后磁轭3、绕组支撑座5、前绕组1和后绕组4，所述前磁轭2的一端与所述后磁轭3的一端连接，所述前绕组1套设于所述前磁轭2的内侧，所述后绕组4套设于所述绕组支撑座5的外侧与所述后磁轭3的内侧之间，所述动子包括圆环状且同轴安装的永磁铁、铁芯12、内磁轭7、隔磁座10和定位环8，所述永磁铁包括前磁环11、中磁环9和后磁环6，所述前磁环11套设于所述前绕组1的内侧与所述铁芯12的外侧，所述中磁环9、后磁环6沿轴向套设于所述内磁轭7的外侧与所述绕组支撑座5的内侧之间，所述中磁环9位于所述前磁环11、后磁环6之间，所述定位环8套设于所述内磁轭7的外侧上并位于所述中磁环9、后磁环6之间，可通过所述定位环8来分隔所述中磁环9、后磁环6，所述隔磁座10设置在所述前磁环11与内磁轭7之间，可通过所述隔磁座10来分隔所述前磁环11与内磁轭7，所述隔磁座10为圆筒状，所述隔磁座10的筒底端部分别与所述铁芯12、前磁环11相抵接，所述隔磁座10的筒顶端部与所述内磁轭7相抵接，所述前磁环11的外侧面与所述前绕组1的内侧面之间设有前外气隙，所述中磁环9、后磁环6的外侧面与所述绕组支撑座5的内侧面之间设有后外气隙，所述隔磁座10的一端与所述铁芯12固连接，另一端与所述内磁轭7固定连接，即所述隔磁座10、铁芯12和内磁轭7形成一结合体，在中磁环9和后磁环6受拉推电磁力作用时，所述隔磁座10、铁芯12和内磁轭7形成的结合体可做直线运动，以输出直线运动；在前磁环11受扭转电磁力作用时，所述隔磁座10、铁芯12和内磁轭7形成的结合体可做旋转运动，以输出旋转运动；在前磁环11受扭转电磁力作用，且中磁环9和后磁环6受拉推电磁力作用时，所述隔磁座10、铁芯12和内磁轭7形成的结合体既作直线运动又作旋转运动，以输出直线、旋转复合运动。

如图1至图7所示，所述前磁环11为四极内外径向间隔充磁，所述中磁环9为内向径向充磁，所述后磁环6为外向径向充磁，其中，所述前磁环11的内侧与外侧均设有间隔90度分布的N极和S极，具体为，所述前磁环11的内侧的绕轴向0度位置为N极，90度为S极，180度为N极，270度为S极，而外侧则相反，所述前磁环11的外侧的绕轴向0度位置为S极，90度为N极，180度为S极，270度为N极，共形成四极内外径向间隔充磁；所述中磁环9的内侧为N极，外侧为S极，形成内向径向充磁；所述后磁环6为内侧为S极，外侧为N极，形成外向径向充磁。

如图1至图7所示，所述前绕组1为三相无齿槽绕组，所述后绕组4为单相绕组，所述后绕组4包括第一线圈和第二线圈，所述第一线圈和第二线圈互相串联且绕线方向相反。

如图1至图7所示，所述绕组支撑座5的外侧面上设有第一环形凹槽和第二环形凹槽，所述后绕组4的第一线圈套设于所述第一环形凹槽内，所述后绕组4的第二线圈套设于所述第二环形凹槽内，所述绕组支撑座5的外侧面与所述后磁轭3的内侧面相粘合固定。

如图1至图7所示，所述绕组支撑座5的一端分别与所述前磁轭2的一端、前绕组1的一端相抵接。

如图1至图7所示，所述前外气隙与所述后外气隙相连通形成外气隙，所述外气隙为开放式气隙，使所述前绕组1和所述后绕组4产生的热量可以通过动子的运动产生空气流动，把热量散发到外界空气中。

如图1至图7所示，所述内磁轭7的内侧面与端部之间设有内倒角，即内斜切角，可实现利用磁路的同时减轻动子重量。

如图1至图7所示，所述前磁轭2的一端设有凸部，所述后磁轭3的一端设有肩部，所述凸部设置在所述肩部上，可通过所述凸部与所述肩部来实现所述前磁轭2与所述后磁轭3的精密结合。

如图1至图7所示，所述前绕组1和所述后绕组4的电流引线不经过电机内腔，不会受动子运动的影响而牵引或者绕缠。

本发明提供的一种动磁式直线旋转二自由度电机的工作原理是；

电机通电，定子的前绕组1在前磁轭2和内铁芯12之间形成变化的磁场，后绕组4在后磁轭3和内磁轭7之间形成变化的磁场；动子的永磁体受变化的电磁力作用做直线运动和/或旋转运动。

1、   直线运动；向所述后绕组4通单向电流，所述后绕组4的第一线圈、第二线圈产生的磁场与中磁环6和后磁环9的磁场作用，推动动子作直线运动；具体为推动所述隔磁座10、铁芯12和内磁轭7形成的结合体作直线运动，同理，向所述后绕组4通反向的单向电流，动子就做反向直线运动，即所述隔磁座10、铁芯12和内磁轭7形成的结合体作反向直线运动；

2、   旋转运动；向所述前绕组1通电，使述前绕组1的各相导通顺序按照：A相正向导通B相反向导通→B相正向导通C相反向导通→C相正向导通A相反向导通→……，如此循环，可以让所述前磁环11连同所述隔磁座10、铁芯12和内磁轭7形成的结合体做顺时针旋转，从而带动动子整体做顺时针旋转；使述前绕组1的各相导通顺序按照：A相正向导通C相反向导通→C相正向导通B相反向导通→B相正向导通A相反向导通→……，如此循环，可以让所述前磁环11连同所述隔磁座10、铁芯12和内磁轭7形成的结合体做逆时针旋转，从而带动动子整体做逆时针旋转。

3、   通过控制器控制前绕组1、后绕组4中电流的导通、换向和幅值，能够实现驱动动子同时作直线和旋转的复合运动，也能够实现驱动动子单独作直线，也能够实现驱动动子单独作旋转运动，并且能够调节其运动方向及运动输出速度和输出力/力矩。

本发明提供的一种动磁式直线旋转二自由度电机是一体式结构的电机，可以输出同轴的二自由度直线和旋转复合运动。与现有技术实现的直线旋转运动系统相比，体积紧凑、结构简单、效率高、运动平滑，非常适用于医疗、半导体封装、航空等对体积要求紧凑的直线旋转运动场合。

本发明提供的一种动磁式的直线旋转二自由度电机，动子无电刷无引流线，不会产生火花和折断引流线的问题，使用寿命长，少维护。内磁轭7的端部依据磁感特性，挖切内倒角，优化磁路的同时减轻了动子质量，有利于实现高加速度。

对所述动磁式的直线旋转二自由度电机外接位置传感装置后，可以组成闭环进行闭环伺服控制，能够实现快速、平滑、高动态响应的精密运动。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种动磁式直线旋转二自由度电机，其特征在于：包括动子和定子，所述定子包括圆环状的前磁轭（2）、后磁轭（3）、绕组支撑座（5）、前绕组（1）和后绕组（4），所述前磁轭（2）的一端与所述后磁轭（3）的一端连接，所述前绕组（1）套设于所述前磁轭（2）的内侧，所述后绕组（4）套设于所述绕组支撑座（5）的外侧与所述后磁轭（3）的内侧之间，所述动子包括永磁铁、铁芯（12）、内磁轭（7）、隔磁座（10）和定位环（8），所述永磁铁包括前磁环（11）、中磁环（9）和后磁环（6），所述前磁环（11）套设于所述前绕组（1）的内侧与所述铁芯（12）的外侧，所述中磁环（9）、后磁环（6）沿轴向套设于所述内磁轭（7）的外侧与所述绕组支撑座（5）的内侧之间，所述中磁环（9）位于所述前磁环（11）、后磁环（6）之间，所述定位环（8）套设于所述内磁轭（7）的外侧上并位于所述中磁环（9）、后磁环（6）之间，所述隔磁座（10）设置在所述前磁环（11）与内磁轭（7）之间，所述前磁环（11）的外侧面与所述前绕组（1）的内侧面之间设有前外气隙，所述中磁环（9）、后磁环（6）的外侧面与所述绕组支撑座（5）的内侧面之间设有后外气隙，所述隔磁座（10）的一端与所述铁芯（12）固定连接，另一端与所述内磁轭（7）固定连接。

2.根据权利要求1所述的动磁式直线旋转二自由度电机，其特征在于：所述前磁环（11）为四极内外径向间隔充磁，所述中磁环（9）为内向径向充磁，所述后磁环（6）为外向径向充磁。

3.根据权利要求2所述的动磁式直线旋转二自由度电机，其特征在于：所述前磁环（11）的内侧与外侧均设有间隔90度分布的N极和S极；所述中磁环（9）的内侧为N极，外侧为S极；所述后磁环（6）为内侧为S极，外侧为N极。

4.根据权利要求1所述的动磁式直线旋转二自由度电机，其特征在于：所述前绕组（1）为三相无齿槽绕组，所述后绕组（4）为单相绕组，所述后绕组（4）包括第一线圈和第二线圈，所述第一线圈和第二线圈互相串联且绕线方向相反。

5.根据权利要求4所述的动磁式直线旋转二自由度电机，其特征在于：所述绕组支撑座（5）的外侧面上设有第一环形凹槽和第二环形凹槽，所述后绕组（4）的第一线圈套设于所述第一环形凹槽内，所述后绕组（4）的第二线圈套设于所述第二环形凹槽内，所述绕组支撑座（5）的外侧面与所述后磁轭（3）的内侧面相粘合固定。

6.根据权利要求5所述的动磁式直线旋转二自由度电机，其特征在于：所述绕组支撑座（5）的一端分别与所述前磁轭（2）的一端、前绕组（1）的一端相抵接。

7.根据权利要求1所述的动磁式直线旋转二自由度电机，其特征在于：所述前外气隙与所述后外气隙相连通形成外气隙，所述外气隙为开放式气隙。

8.根据权利要求1所述的动磁式直线旋转二自由度电机，其特征在于：所述内磁轭（7）的内侧面与端部之间设有内倒角。

9.根据权利要求1所述的动磁式直线旋转二自由度电机，其特征在于：所述前磁轭（2）的一端设有凸部，所述后磁轭（3）的一端设有肩部，所述凸部设置在所述肩部上。

10.根据权利要求1所述的动磁式直线旋转二自由度电机，其特征在于：所述铁芯（12）、内磁轭（7）、隔磁座（10）均为圆环状。

Images