CN103986305A - 基于径向-轴径向磁通的永磁-感应子式混合磁路磁力丝杠 - Google Patents

基于径向-轴径向磁通的永磁-感应子式混合磁路磁力丝杠 Download PDF

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Abstract

基于径向-轴径向磁通的永磁-感应子式混合磁路磁力丝杠，属于机电传动领域，本发明为解决现有磁力丝杠输出力不可控，导致系统动态性能不高的问题。本发明包括静止部件、转子部件和动子部件；所述静止部件包括前端盖、后端盖、前旋转轴承、后旋转轴承、前直线轴承和后直线轴承；所述转子部件包括机壳、第一转子螺旋型永磁体和第二转子螺旋型永磁体；所述动子部件包括动子轴、前励磁绕组支撑架、后励磁绕组支撑架、前励磁绕组、后励磁绕组、第一动子螺旋型永磁体和第二动子螺旋型永磁体；机壳的前后分别设置有前端盖和后端盖；机壳的内部设置有动子轴，动子轴具有前轴肩和后轴肩，且通过励磁绕组支撑架设置前励磁绕组和后励磁绕组。

Description

基于径向-轴径向磁通的永磁-感应子式混合磁路磁力丝杠
技术领域
本发明涉及一种基于径向-轴径向磁通的永磁-感应子式混合磁路磁力丝杠，属于机电传动领域。
背景技术
直线运动系统在国民经济、国防等领域有着广泛的应用。目前实现直线运动的电驱动方案通常是采用旋转电机配合机械丝杠，其优点是传统旋转电机的设计与制造工艺成熟，丝杠系统也有现成的产品，因而系统实现方便，价格较低。然而，由于机械传动链的引入，系统存在卡死、滞回、非线性摩擦等现象，导致系统的可靠性降低，运动精度变差；这些问题虽可通过优化设计、精密加工、误差补偿等手段来缓解，但并不能从根本上避免和消除。
在提高直线运动系统可靠性和运动精度方面，目前国内外一个重要的研究方向是用磁力丝杠来代替机械式丝杠，将机械式螺母和螺杆之间的直接机械接触改为磁性螺母和螺杆之间的磁力耦合，实现系统的无接触动力传递，从而提高系统的可靠性和运动精度。根据原理和结构形式的不同，目前的磁力丝杠主要有磁阻式、感应式和永磁式三种。磁阻式和感应式结构的磁力丝杠的力密度较低。永磁式磁力丝杠系统虽具有力密度高的显著优点，然而，由于气隙磁场难以调节，在螺母螺杆间相对位置一定的情况下，输出力是不可控的，因而随着负载的波动，螺杆与螺母之间的相对位置会发生变化，导致系统运行速度的波动，影响系统动态性能的提高，限制了其在高精度场合的应用。磁阻式和感应式的磁力丝杠也存在着同样的问题。
发明内容
本发明目的是为了解决现有磁力丝杠输出力不可控，导致系统动态性能不高，限制其在高精度场合应用的问题，提供了一种基于径向-轴径向磁通的永磁-感应子式混合磁路磁力丝杠。
本发明所述基于径向轴径向磁通的永磁感应子式混合磁路磁力丝杠，它包括静止部件、转子部件和动子部件；
所述静止部件包括前端盖、后端盖、前旋转轴承、后旋转轴承、前直线轴承和后直线轴承；
所述转子部件包括机壳、第一转子螺旋型永磁体和第二转子螺旋型永磁体；第一转子螺旋型永磁体和第二转子螺旋型永磁体的充磁方向为径向充磁，且充磁方向相反；
所述动子部件包括动子轴、前励磁绕组支撑架、后励磁绕组支撑架、前励磁绕组、后励磁绕组、第一动子螺旋型永磁体和第二动子螺旋型永磁体；第一动子螺旋型永磁体和第二动子螺旋型永磁体的充磁方向为径向充磁，且充磁方向相反；
转子部件和动子部件之间留有气隙；
机壳的前端设置有前端盖，且通过前旋转轴承旋转连接，机壳的后端设置有后端盖，且通过后旋转轴承旋转连接，
机壳的内部设置有动子轴，所述动子轴具有前伸出轴和后伸出轴，前伸出轴从前端盖的中心孔穿出，并通过前直线轴承进行连接；后伸出轴与后端盖的中心孔通过后直线轴承连接；动子轴具有前轴肩和后轴肩，前励磁绕组支撑架和后励磁绕组支撑架分别固定在-动子轴的前轴肩和后轴肩，前励磁绕组支撑架与前轴肩围成的半封闭区域中设置前励磁绕组，后励磁绕组支撑架与后轴肩围成的半封闭区域中设置后励磁绕组；
动子轴的外圆表面设置第一动子螺旋型永磁体和第二动子螺旋型永磁体；
机壳的内圆表面设置第一转子螺旋型永磁体和第二转子螺旋型永磁体。
本发明的优点：
a)由于取消了机械传动链，该运动系统具有可靠性高、免维护、自动过载保护等优点；
b)由于引入了电励磁绕组，使得磁力丝杠的磁动势可控和可补偿，通过控制励磁电流可以实现对动子磁场的控制，因而能够克服负载扰动、边端效应等对动子速度和位置的影响，保证螺杆与螺母的实时同步运行，运动精度高；
c)集成度高，结构紧凑。
附图说明
图1是本发明所述基于径向-轴径向磁通的永磁-感应子式混合磁路磁力丝杠的结构示意图；
图2是机壳及其内圆表面设置的第一转子螺旋型永磁体和第二转子螺旋型永磁体的剖面结构图；
图3是动子轴及其外圆表面设置的第一动子螺旋型永磁体和第二动子螺旋型永磁体的剖面结构图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述基于径向-轴径向磁通的永磁-感应子式混合磁路磁力丝杠，它包括静止部件、转子部件和动子部件；
所述静止部件包括前端盖1-1、后端盖1-2、前旋转轴承2-1、后旋转轴承2-2、前直线轴承5-1和后直线轴承5-2；
所述转子部件包括机壳3、第一转子螺旋型永磁体8-1和第二转子螺旋型永磁体8-2；第一转子螺旋型永磁体8-1和第二转子螺旋型永磁体8-2的充磁方向为径向充磁，且充磁方向相反；
所述动子部件包括动子轴4、前励磁绕组支撑架6-1、后励磁绕组支撑架6-2、前励磁绕组7-1、后励磁绕组7-2、第一动子螺旋型永磁体9-1和第二动子螺旋型永磁体9-2；第一动子螺旋型永磁体9-1和第二动子螺旋型永磁体9-2的充磁方向为径向充磁，且充磁方向相反；
转子部件和动子部件之间留有气隙；
机壳3的前端设置有前端盖1-1，且通过前旋转轴承2-1旋转连接，机壳3的后端设置有后端盖1-2，且通过后旋转轴承2-2旋转连接，
机壳3的内部设置有动子轴4，所述动子轴4具有前伸出轴4-1和后伸出轴4-2，前伸出轴4-1从前端盖1-1的中心孔穿出，并通过前直线轴承5-1进行连接；后伸出轴4-2与后端盖的中心孔通过后直线轴承5-2连接；动子轴4具有前轴肩和后轴肩，前励磁绕组支撑架6-1和后励磁绕组支撑架6-2分别固定在-动子轴的前轴肩和后轴肩，前励磁绕组支撑架6-1与前轴肩围成的半封闭区域中设置前励磁绕组7-1，后励磁绕组支撑架6-2与后轴肩围成的半封闭区域中设置后励磁绕组7-2；
动子轴4的外圆表面设置第一动子螺旋型永磁体9-1和第二动子螺旋型永磁体9-2；
机壳3的内圆表面设置第一转子螺旋型永磁体8-1和第二转子螺旋型永磁体8-2。
第一转子螺旋型永磁体8-1、第二转子螺旋型永磁体8-2、第一动子螺旋型永磁体9-1和第二动子螺旋型永磁体9-2的螺距相等，且均采用钕铁硼或钐钴材质。
第一转子螺旋型永磁体8-1和第二转子螺旋型永磁体8-2的轴向宽度相等，且旋向相同。
第一动子螺旋型永磁体9-1和第二动子螺旋型永磁体9-2的轴向宽度相等，且旋向相同。
机壳3采用钢材质，机壳3的内圆表面设置两条转子永磁体螺纹，第一转子螺旋型永磁体8-1和第二转子螺旋型永磁体8-2嵌入在所述两条转子永磁体螺纹内，两条转子永磁体螺纹的深度相等，且转子永磁体螺纹的深度等于第一转子螺旋型永磁体8-1和第二转子螺旋型永磁体8-2的径向厚度。
动子轴4的外圆表面设置有两条动子永磁体螺纹，两条动子永磁体螺纹的深度不等，第一动子螺旋型永磁体9-1和第二动子螺旋型永磁体9-2嵌入两条动子永磁体螺纹内，且动子永磁体螺纹深度的较大值等于第一动子螺旋型永磁体9-1和第二动子螺旋型永磁体9-2的径向厚度，为凸极结构。
前伸出轴4-1的外缘表面开有键槽，用以与负载配合连接。前伸出轴4-1、后伸出轴4-2和动子轴4中间部分是一体件。
工作原理：
机壳3及其内圆表面设置的第一转子螺旋型永磁体8-1和第二转子螺旋型永磁体8-2相当于螺母，产生永磁磁场；动子轴4及其外圆表面设置的第一动子螺旋型永磁体9-1和第二动子螺旋型永磁体9-2、前励磁绕组7-1和后励磁绕组7-2相当于螺杆，产生混合磁场：永磁磁场+电励磁磁场。
在永磁磁场(由永磁螺母产生)和混合磁场(由混合励磁结构的螺杆产生)的相互作用下，螺母和螺杆之间将产生磁性转矩和磁性力，当螺母转动一周，螺杆将沿运动方向移动一个螺距。与以往结构不同的是，该磁力丝杠的动子包括永磁式螺杆和励磁绕组两部分。也就是说，为了使电磁力可控，在永磁体磁势源的基础上增设了电励磁磁势源，使得该磁力丝杠的磁动势可控(增磁或去磁)，从而实现了对磁力丝杠气隙磁场的调节；在负载波动时，通过对励磁电流进行合理控制，能够保证螺杆与螺母的实时同步运行。同时，为了减小电励磁回路的磁阻，将传统永磁式磁力丝杠中的表贴式磁极从隐极结构改为凸极结构，从而提高电励磁部分对磁力丝杠输出推力的调节能力。在该结构的磁力丝杠中，永磁体磁回路为径向磁路，而电励磁回路与同极式感应子电机相似，为轴径向磁路，因此称为“混合磁路”。其中，永磁体主磁通依次经螺母永磁体N极→气隙→螺杆永磁体S极→动子轭(动子轴4)→螺杆永磁体N极→气隙→螺母永磁体S极→螺母永磁体N极形成闭合磁回路；在电励磁绕组中通以电流，电励磁主磁通依次经动子轴4(轴向磁通)→动子凸极(第一动子螺旋型永磁体9-1或第二动子螺旋型永磁体9-2)→气隙(变为径向磁通)→转子凸极(第一转子螺旋型永磁体8-1或第二转子螺旋型永磁体8-2)→转子轭(机壳3)→励磁绕组支架(6-1或6-2)→动子轴4形成闭合回路。

Claims (7)

1.基于径向-轴径向磁通的永磁-感应子式混合磁路磁力丝杠，其特征在于，它包括静止部件、转子部件和动子部件；
所述静止部件包括前端盖(1-1)、后端盖(1-2)、前旋转轴承(2-1)、后旋转轴承(2-2)、前直线轴承(5-1)和后直线轴承(5-2)；
所述转子部件包括机壳(3)、第一转子螺旋型永磁体(8-1)和第二转子螺旋型永磁体(8-2)；第一转子螺旋型永磁体(8-1)和第二转子螺旋型永磁体(8-2)的充磁方向为径向充磁，且充磁方向相反；
所述动子部件包括动子轴(4)、前励磁绕组支撑架(6-1)、后励磁绕组支撑架(6-2)、前励磁绕组(7-1)、后励磁绕组(7-2)、第一动子螺旋型永磁体(9-1)和第二动子螺旋型永磁体(9-2)；第一动子螺旋型永磁体(9-1)和第二动子螺旋型永磁体(9-2)的充磁方向为径向充磁，且充磁方向相反；
转子部件和动子部件之间留有气隙；
机壳(3)的前端设置有前端盖(1-1)，且通过前旋转轴承(2-1)旋转连接，机壳(3)的后端设置有后端盖(1-2)，且通过后旋转轴承(2-2)旋转连接；
机壳(3)的内部设置有动子轴(4)，所述动子轴(4)具有前伸出轴(4-1)和后伸出轴(4-2)，前伸出轴(4-1)从前端盖(1-1)的中心孔穿出，并通过前直线轴承(5-1)进行连接；后伸出轴(4-2)与后端盖的中心孔通过后直线轴承(5-2)进行连接；动子轴(4)具有前轴肩和后轴肩，前励磁绕组支撑架(6-1)和后励磁绕组支撑架(6-2)分别固定在-动子轴(4)的前轴肩和后轴肩，前励磁绕组支撑架(6-1)与前轴肩围成的半封闭区域中设置前励磁绕组(7-1)，后励磁绕组支撑架(6-2)与后轴肩围成的半封闭区域中设置后励磁绕组(7-2)；
动子轴(4)的外圆表面设置第一动子螺旋型永磁体(9-1)和第二动子螺旋型永磁体(9-2)：
机壳(3)的内圆表面设置第一转子螺旋型永磁体(8-1)和第二转子螺旋型永磁体(8-2)。
2.根据权利要求1所述基于径向-轴径向磁通的永磁-感应子式混合磁路磁力丝杠，其特征在于，第一转子螺旋型永磁体(8-1)、第二转子螺旋型永磁体(8-2)、第一动子螺旋型永磁体(9-1)和第二动子螺旋型永磁体(9-2)的螺距相等，且均采用钕铁硼或钐钴材质。
3.根据权利要求1所述基于径向-轴径向磁通的永磁-感应子式混合磁路磁力丝杠，其特征在于，第一转子螺旋型永磁体(8-1)和第二转子螺旋型永磁体(8-2)的轴向宽度相等，且旋向相同。
4.根据权利要求1所述基于径向-轴径向磁通的永磁-感应子式混合磁路磁力丝杠，其特征在于，第一动子螺旋型永磁体(9-1)和第二动子螺旋型永磁体(9-2)的轴向宽度相等，且旋向相同。
5.根据权利要求1所述基于径向-轴径向磁通的永磁-感应子式混合磁路磁力丝杠，其特征在于，机壳(3)采用钢材质，机壳(3)的内圆表面设置两条转子永磁体螺纹，两条转子永磁体螺纹的深度相等，第一转子螺旋型永磁体(8-1)和第二转子螺旋型永磁体(8-2)嵌入在所述两条转子永磁体螺纹内，且转子永磁体螺纹的深度等于第一转子螺旋型永磁体(8-1)和第二转子螺旋型永磁体(8-2)的径向厚度。
6.根据权利要求1所述基于径向-轴径向磁通的永磁-感应子式混合磁路磁力丝杠，其特征在于，动子轴(4)的外圆表面设置有两条动子永磁体螺纹，两条动子永磁体螺纹的深度不等，第一动子螺旋型永磁体(9-1)和第二动子螺旋型永磁体(9-2)嵌入两条动子永磁体螺纹内，且动子永磁体螺纹深度的较大值等于第一动子螺旋型永磁体(9-1)和第二动子螺旋型永磁体(9-2)的径向厚度。
7.根据权利要求1所述基于径向-轴径向磁通的永磁-感应子式混合磁路磁力丝杠，其特征在于，前伸出轴(4-1)的外缘表面开有键槽，用以与负载配合连接。
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