CN105811698A - 一种轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机 - Google Patents

Abstract

一种轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机。本发明涉及一种轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机。所述的动子（7）的外圆周面上固定连接永磁体（8），所述的永磁体（8）上轴向穿过导磁转轴（10），所述的导磁转轴（10）的两端外表面分别设置石墨滑动轴承套（1），所述的石墨滑动轴承套（1）的外圆周面套有石墨轴套（2），所述的石墨轴套（2）的外圆周面卡接定子端板（3），所述的定子端板（3）之间扣接机壳（4），所述的机壳（4）与所述的永磁体（8）之间装入定子，所述的定子包括定子Ⅰ与定子Ⅱ，所述的定子Ⅰ与所述的定子Ⅱ延轴向排列。本发明用于永磁同步电动机。

Description

一种轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机

技术领域

本发明涉及一种轴向级联双定子的永磁同步电动机，属于特种电磁机构领域。

背景技术

旋转-直线执行器是一类能够输出旋转、直线和螺旋运动的两自由度电机的总称。现有的旋转-直线执行器从工作原理上分，主要是感应式、磁阻式和永磁式三类。从结构特点上分，主要是两类，一类由相对独立的旋转和直线运动部分组成，两部分具有独立的激磁、磁路互相解耦，最常见的形式是旋转电机和直线电机在轴线或径向方向的某种组合，这种结构往往导致整机尺寸过大、材料利用率较低；另一类旋转和直线运动部分具有共同的激磁、磁路间存在耦合，其控制相对复杂，往往需要研究转矩和推力的解耦控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，该电机轴线方向上有两个齿槽为螺旋结构、且旋向相反的定子串联，均采用分数槽集中绕组，动子为表贴的棋盘式永磁体结构。通过单个定子中三相绕组的激励，可以产生螺旋运动；两个定子同时激励，可以输出旋转或直线运动。该电动机具有结构和控制简单、效率较高等优点。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，其组成包括：定子Ⅰ、定子Ⅱ、两个石墨滑动轴承套1、两个石墨轴套2、两个定子端板3、机壳4、两个三相绕组6，所述动子包括导磁转轴10及多个永磁体8，

所述的导磁转轴10的外圆周面上采用阵列方式固定排布有多个永磁体8，所述的导磁转轴10的外圆周面的两端分别设置有石墨滑动轴承套1，每个所述的石墨滑动轴承套1的外圆周面分别套装有石墨轴套2，每个石墨轴套2的外圆周面卡接在相应的定子端板3的中心孔内，所述的两个定子端板3之间固定有机壳4，所述的机壳4与所述的多个永磁体8之间的空间内装入定子Ⅰ及定子Ⅱ，所述的定子Ⅰ与所述的定子Ⅱ沿轴向排列，所述的定子Ⅰ包括定子铁心Ⅰ5及三相绕组Ⅰ6，所述的定子铁心Ⅰ5侧壁内沿轴向贯通加工有九个齿槽Ⅰ11，所述的九个齿槽Ⅰ11沿轴向呈螺旋设置，九个齿槽Ⅰ11分成三组，每组齿槽Ⅰ11包括三个相邻设置的齿槽Ⅰ11，每组齿槽Ⅰ11为一相，每个齿槽Ⅰ11的内侧壁上加工有一与定子铁心Ⅰ5内腔相通的固定孔Ⅰ12，所述的三相绕组Ⅰ6包括九个线圈绕组，每个齿槽Ⅰ11内随形放置一个线圈绕组；

所述的定子Ⅱ包括定子铁心Ⅱ7及三相绕组Ⅱ13，所述的定子铁心Ⅱ7侧壁内沿轴向贯通加工有九个齿槽Ⅱ14，所述的九个齿槽Ⅱ14沿轴向呈螺旋设置，九个齿槽Ⅱ14分成三组，每组齿槽Ⅱ14包括三个相邻设置的齿槽Ⅱ14，每组齿槽Ⅱ14为一相，每个齿槽Ⅱ14的内侧壁上加工有一与定子铁心Ⅱ7内腔相通的固定孔Ⅱ15，所述的三相绕组Ⅱ13包括九个线圈绕组，每个齿槽Ⅱ14内随形放置一个线圈绕组。

所述的一种轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，所述的多个永磁体8分别沿导磁转轴10的外圆周面的圆周方向以及径向方向N、S极性交替排布。

所述的一种轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，所述的两个定子端板3的中心孔内壁上分别开有一环形槽9，每个所述的环形槽9内卡接一石墨轴套2。

所述的一种轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，所述的石墨滑动轴承套1与所述的石墨轴套2的轴线重合。

所述的一种轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，定子铁心Ⅰ5与导磁转轴10的轴线之间以及沿轴向呈螺旋设置的九个齿槽11与导磁转轴10的轴线之间均具有0°~90°夹角；螺旋状的定子铁心Ⅱ7与导磁转轴10的轴线之间以及三相绕组Ⅱ13的螺旋状齿槽11与导磁转轴10的轴线之间均呈0°~90°夹角。

所述的一种轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，所述的定子Ⅰ呈螺旋设置的九个齿槽11的旋向均符合右手螺旋定则。

所述的一种轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，所述的定子Ⅱ呈螺旋设置的九个齿槽11的旋向均符合左手螺旋定则。

有益效果：

1.本发明的定子采用螺旋状的定子齿槽和绕组，转子结构为表贴棋盘式永磁体阵列的导磁转轴，结构创新。

2.本发明使用单定子实现螺旋运动，使用单套三相绕组进行相关控制，结构紧凑。

3.本发明使用双定子实现旋转运动和直线运动，使用两套三相绕组进行相关控制，简单易行。

4.本发明不需要转矩和推力解耦算法，只需根据运动方向和速度，向定子通途特定的三相对称交流电流即可，简化了控制。

5.本发明通过改变通入单定子的电流的相序，可以得到往复螺旋运动。

6.本发明通过改变通入双定子的电流的相序，可以得到往复直线运动和正反转旋转运动。

7.本发明的输出螺旋运动时减少了绕组的欧姆损耗，在以螺旋运动为主的应用场合，具有非常明显的效率优势。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是本发明的动子永磁体排布示意图。

附图3是本发明的动子永磁体A-A剖视图与充磁方向示意图。

附图4是本发明的定子铁心Ⅰ的俯视图。

附图5是本发明的定子铁心Ⅰ的B-B剖视图。

附图6是本发明的定子铁心Ⅰ的局部放大示意图。

附图7是本发明的定子铁心Ⅰ的立体图。

附图8是本发明的线圈绕组Ⅰ的示意图。

附图9是本发明的线圈绕组Ⅰ的俯视图。

附图10是本发明的线圈绕组Ⅰ的立体图。

附图11是本发明的定子铁心Ⅱ的俯视图。

附图12是本发明的定子铁心Ⅱ的C-C剖视图。

附图13是本发明的定子铁心Ⅱ的局部放大示意图。

附图14是本发明的定子铁心Ⅱ的立体图。

附图15是本发明的线圈绕组Ⅱ的示意图。

附图16是本发明的线圈绕组Ⅱ的俯视图。

附图17是本发明的线圈绕组Ⅱ的立体图。

具体实施方式：

实施例1

一种轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，其组成包括：定子Ⅰ、定子Ⅱ、两个石墨滑动轴承套1、两个石墨轴套2、两个定子端板3、机壳4、两个三相绕组6，所述动子包括导磁转轴10及多个永磁体8，

所述的导磁转轴10的外圆周面上采用阵列方式固定排布有多个永磁体8，所述的导磁转轴10的外圆周面的两端分别设置有石墨滑动轴承套1，每个所述的石墨滑动轴承套1的外圆周面分别套装有石墨轴套2，每个石墨轴套2的外圆周面卡接在相应的定子端板3的中心孔内，所述的两个定子端板3之间固定有机壳4，所述的机壳4与所述的多个永磁体8之间的空间内装入定子Ⅰ及定子Ⅱ，所述的定子Ⅰ与所述的定子Ⅱ沿轴向排列，所述的定子Ⅰ包括定子铁心Ⅰ5及三相绕组Ⅰ6，所述的定子铁心Ⅰ5侧壁内沿轴向贯通加工有九个齿槽Ⅰ11，所述的九个齿槽Ⅰ11沿轴向呈螺旋设置，九个齿槽Ⅰ11分成三组，每组齿槽Ⅰ11包括三个相邻设置的齿槽Ⅰ11，每组齿槽Ⅰ11为一相，每个齿槽Ⅰ11的内侧壁上加工有一与定子铁心Ⅰ5内腔相通的固定孔Ⅰ12，所述的三相绕组Ⅰ6包括九个线圈绕组，每个齿槽Ⅰ11内随形放置一个线圈绕组；

所述的定子Ⅱ包括定子铁心Ⅱ7及三相绕组Ⅱ13，所述的定子铁心Ⅱ7侧壁内沿轴向贯通加工有九个齿槽Ⅱ14，所述的九个齿槽Ⅱ14沿轴向呈螺旋设置，九个齿槽Ⅱ14分成三组，每组齿槽Ⅱ14包括三个相邻设置的齿槽Ⅱ14，每组齿槽Ⅱ14为一相，每个齿槽Ⅱ14的内侧壁上加工有一与定子铁心Ⅱ7内腔相通的固定孔Ⅱ15，所述的三相绕组Ⅱ13包括九个线圈绕组，每个齿槽Ⅱ14内随形放置一个线圈绕组。

实施例2

实施例1所述的一种轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，所述的多个永磁体8分别沿导磁转轴10的外圆周面的圆周方向以及圆周方向以及径向方向即垂直于导磁转轴10表面上分别往外方向及往内方向的N、S极性交替排布。

实施例3

实施例1所述的一种轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，所述的两个定子端板3的中心孔内壁上分别开有一环形槽9，每个所述的环形槽9内卡接一石墨轴套2。

实施例4

实施例1或3所述的一种轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，所述的石墨滑动轴承套1与所述的石墨轴套2的轴线重合。

实施例5

实施例1所述的一种轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，定子铁心Ⅰ5与导磁转轴10的轴线之间以及沿轴向呈螺旋设置的九个齿槽11与导磁转轴10的轴线之间均具有0°~90°夹角；螺旋状的定子铁心Ⅱ7与导磁转轴10的轴线之间以及三相绕组Ⅱ13的螺旋状齿槽11与导磁转轴10的轴线之间均呈0°~90°夹角。

实施例6

实施例1或5所述的一种轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，所述的定子Ⅰ呈螺旋设置的九个齿槽11的旋向均符合右手螺旋定则。

实施例7

实施例1或5所述的一种轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，所述的定子Ⅱ呈螺旋设置的九个齿槽11的旋向均符合左手螺旋定则。

定子I的三相绕组通入两种相序的三相对称电流时，将产生固定转矩推力比的正、反向左手螺旋运动；定子II的三相绕组通入两种相序的三相对称电流时，将产生固定转矩推力比的正、反向右手螺旋运动。定子I与定子II同时通入大小相等、特定相序的对称三相电流时，定子I与定子II产生的转矩或推力分量因等大反向而抵消，余下推力或转矩分量等大同向而相互增强，从而产生纯直线或纯旋转运动。

该电机与现有旋转-直线执行器的区别在于：定子采用螺旋状的齿槽和绕组，单个定子通入三相对称正弦电流时，产生螺旋推进的行波磁场，与转子的棋盘式永磁体阵列相互作用同时产生圆周方向的电磁转矩和轴向方向的电磁推力，即单个定子的激励就能够产生螺旋运动，两个定子同时激励时还可产生旋转和直线运动。而现有的旋转-直线执行器多是通过轴线或径向方向相对独立的旋转和直线运动部分简单组合，无法仅由单个定子的激励输出螺旋运动。因此，该电机相比现有技术，其优点表现为结构紧凑、效率高、控制简单，特别适用运动形式为螺旋的直接驱动应用场合。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，其组成包括：定子Ⅰ、定子Ⅱ、两个石墨滑动轴承套（1）、两个石墨轴套（2）、两个定子端板（3）、机壳（4）、两个三相绕组（6），所述动子包括导磁转轴（10）及多个永磁体（8），其特征是：

所述的导磁转轴（10）的外圆周面上采用阵列方式固定排布有多个永磁体（8），所述的导磁转轴（10）的外圆周面的两端分别设置有石墨滑动轴承套（1），每个所述的石墨滑动轴承套（1）的外圆周面分别套装有石墨轴套（2），每个石墨轴套（2）的外圆周面卡接在相应的定子端板（3）的中心孔内，所述的两个定子端板（3）之间固定有机壳（4），所述的机壳（4）与所述的多个永磁体（8）之间的空间内装入定子Ⅰ及定子Ⅱ，所述的定子Ⅰ与所述的定子Ⅱ沿轴向排列，所述的定子Ⅰ包括定子铁心Ⅰ（5）及三相绕组Ⅰ（6），所述的定子铁心Ⅰ（5）侧壁内沿轴向贯通加工有九个齿槽Ⅰ（11），所述的九个齿槽Ⅰ（11）沿轴向呈螺旋设置，九个齿槽Ⅰ（11）分成三组，每组齿槽Ⅰ（11）包括三个相邻设置的齿槽Ⅰ（11），每组齿槽Ⅰ（11）为一相，每个齿槽Ⅰ（11）的内侧壁上加工有一与定子铁心Ⅰ（5）内腔相通的固定孔Ⅰ（12），所述的三相绕组Ⅰ（6）包括九个线圈绕组，每个齿槽Ⅰ（11）内随形放置一个线圈绕组；

所述的定子Ⅱ包括定子铁心Ⅱ（7）及三相绕组Ⅱ（13），所述的定子铁心Ⅱ（7）侧壁内沿轴向贯通加工有九个齿槽Ⅱ（14），所述的九个齿槽Ⅱ（14）沿轴向呈螺旋设置，九个齿槽Ⅱ（14）分成三组，每组齿槽Ⅱ（14）包括三个相邻设置的齿槽Ⅱ（14），每组齿槽Ⅱ（14）为一相，每个齿槽Ⅱ（14）的内侧壁上加工有一与定子铁心Ⅱ（7）内腔相通的固定孔Ⅱ（15），所述的三相绕组Ⅱ（13）包括九个线圈绕组，每个齿槽Ⅱ（14）内随形放置一个线圈绕组。

2.根据权利要求1所述的一种轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，其特征是：所述的多个永磁体（8）分别沿导磁转轴（10）的外圆周面的圆周方向以及径向方向N、S极性交替排布。

3.根据权利要求1所述的一种轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，其特征是：所述的两个定子端板（3）的中心孔内壁上分别开有一环形槽（9），每个所述的环形槽（9）内卡接一石墨轴套（2）。

4.根据权利要求1或3所述的一种轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，其特征是：所述的石墨滑动轴承套（1）与所述的石墨轴套（2）的轴线重合。

5.根据权利要求1所述的一种轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，其特征是：定子铁心Ⅰ（5）与导磁转轴（10）的轴线之间以及沿轴向呈螺旋设置的九个齿槽（11）与导磁转轴（10）的轴线之间均具有0°~90°夹角；螺旋状的定子铁心Ⅱ（7）与导磁转轴（10）的轴线之间以及三相绕组Ⅱ（13）的螺旋状齿槽（11）与导磁转轴10的轴线之间均呈0°~90°夹角。

6.根据权利要求1或5所述的一种轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，其特征是：所述的定子Ⅰ呈螺旋设置的九个齿槽（11）的旋向均符合右手螺旋定则。

7.根据权利要求1或5所述的一种轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，其特征是：所述的定子Ⅱ呈螺旋设置的九个齿槽（11）的旋向均符合左手螺旋定则。