CN108462362B - 一种具有位置自锁功能的正弦波供电双自由度螺旋电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有位置自锁功能的正弦波供电双自由度螺旋电机，包括定子铁心、电枢绕组、动子不导磁基座、动子导磁铁心和转轴，所述定子铁心的内壁设有若干凸台单元，每组凸台单元包含沿定子铁心内壁轴向均布的凸台，在凸台上设有电枢绕组，每组电枢绕组与一个开关连接，所述动子导磁铁心位于动子不导磁基座上，转轴位于动子不导磁基座上，动子不导磁基座、动子导磁铁心和转轴共同构成动子。本发明的一种具有位置自锁功能的正弦波供电双自由度螺旋电机，巧妙的结合了轴向磁场同步磁阻电机和开关磁阻电机的特点，动子导磁铁心由硅钢片轴线压叠而成，因此动子铁心内的旋转运动磁路和直线运动磁路均不存在磁障，电机出力大、效率高。

Description

一种具有位置自锁功能的正弦波供电双自由度螺旋电机

技术领域

本发明涉及具有位置自锁功能的正弦波供电双自由度螺旋电机，属于电机领域。

背景技术

旋转直线电机在现今的生活中应用广泛，尤其是在工业控制、机床、机器人、钻孔、螺纹加工、办公自动化、定位系统、柔性制造和装配系统以及航空航天等领域，起到了举足轻重的作用。现今的旋转直线电机通常需要通过多台电机和机械转换机构来实现，但这种实现方式会导致电机系统的体积大、重量高。这种电机系统制作工艺繁琐，造价较高，效率较低；运行过程复杂，运动精度较低。如何设计一种简单轻便的能实现旋转运动和直线运动两个自由度的高精度高效率高性能的新型电机已成为目前亟待解决的问题。

已有的旋转直线电机可以分为三种类型，第一种是动子外表面贴有“棋盘”式永磁体的结构，动子旋转和直线运动都与同步电机类似，这类电机的优点在于可以使用正弦波供电，但是产生旋转运动的磁路和直线运动的磁路相互耦合，动子在轴线方向的位置需要借助外部机械结构锁定；第二种是开关磁阻型的旋转-直线电机，这里电机的动子分布有“棋盘”式的凸起，这类电机的优点是轴向的动子位置可以自锁，但是无法采用正弦波供电，且转矩脉动非常大；第三种是将定子电枢线圈或是动子磁极按照螺线排布，这种电机的优点是结构直观，控制方式简单，缺点是电机结构复杂，加工难度高，且旋转运动和直线运动相互耦合，动子仅能做螺旋运动。此外，以上三种电机有另外一个共同的缺点，就是为提高电机效率，动子铁心仅能采用径向叠片压叠而成，这使得动子铁心在轴向上存在磁障，磁阻很大，限制了电机的直线力和效率。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种具有位置自锁功能的正弦波供电双自由度螺旋电机，巧妙的结合了轴向磁场同步磁阻电机和开关磁阻电机的特点，因此动子铁心内的旋转运动磁路和直线运动磁路均不存在磁障，电机出力大、效率高。

技术方案：为实现上述目的，本发明的具有位置自锁功能的正弦波供电双自由度螺旋电机，包括定子铁心、电枢绕组、动子不导磁基座、动子导磁铁心和转轴，所述定子铁心的内壁设有若干凸台单元，每组凸台单元包含沿定子铁心内壁轴向均布的凸台，在凸台上设有电枢绕组，每组电枢绕组与一个开关连接，所述动子导磁铁心位于动子不导磁基座上，转轴位于动子不导磁基座上，动子不导磁基座、动子导磁铁心和转轴共同构成动子。

作为优选，所述定子铁心由定子功率铁心和定子环形铁心组成，定子功率铁心和定子环形铁心沿轴向交替分布，凸台位于定子功率铁心的内壁上。

作为优选，所述动子导磁铁心由硅钢片压叠而成

作为优选，所述动子导磁铁心由整块导磁材料构成。

作为优选，所述动子不导磁基座的材料为铝、铜、树脂或陶瓷。

作为优选，所述电枢绕组为集中式绕组或分布式绕组。

作为优选，所述电枢绕组为三相绕组或多相绕组。

作为优选，所述动子的外壁设有若干圈圆环凸起。

所述动子导磁铁心为2层、或3层或4层结构；所述动子导磁铁心的边缘为直线或弧线结构。

在本发明中，电机采用正弦波供电，具有轴线位置自锁功能，动子铁心由轴向叠片构成，动子内旋转运动磁路和直线运动磁路均不存在磁障。

有益效果：本发明的具有位置自锁功能的正弦波供电双自由度螺旋电机，通过对电枢绕组、动子不导磁基座和和动子导磁铁心的巧妙排布，形成了一种具备旋转、直线两个相互解耦的运动自由度的螺旋电机，可获得动子的旋转运动、直线运动、螺旋运动等多种工作模式，且实现了动子在轴线方向上的位置自锁，极大提高了该电机的灵活性，为本发明在需要直线运动或螺旋运动的场合提供了极大的前景。本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.传统的螺旋电机技术难以实现旋转运动和直线运动的完全解耦，例如动子仅能做螺旋运动、旋转运动和螺旋运动相互影响等。而本发明实现了动子的旋转运动和直线运动的完全解耦，即动子的旋转运动和直线运动相互独立、互不影响。因此，动子有旋转运动、直线运动、螺旋运动三种运动形式。尤其是本发明动子的旋转方向、速度和直线运动方向、速度互不影响。

2.传统的螺旋电机技术无法实现动子在轴线方向上的位置自锁，本发明无需借用外部装置，仅靠控制多套电枢绕组的通电方式即可实现动子位置的锁定，即动子位置自锁。由于，在轴线方向上看，本发明相当于一台直线型开关磁阻电机，所以只要控制多套电枢绕组的通电顺序，即可控制动子在轴线上的位置，控制位置不动时形成位置自锁。此时的通电顺序指多套电枢绕组是否通电，而与电流的大小和方向无关，因此，当动子处于位置自锁时，对动子的旋转运动无影响。

3.本发明采用正弦波供电。一套绕组中通入三相对称正弦电流或是方波电流，采用三相对称正弦电流时，转矩脉动小，旋转更平稳；采用三相对称方波电流时，可以提高电机的转矩输出能力，降低控制系统复杂程度。三相对称正弦电路和方波电流的控制技术均较为成熟，而传统螺旋电机的控制方式非常复杂。就此而言，本发明的实现难度低远低于传统螺旋电机。

4.传统螺旋电机的定动子结构复杂，加工难度高，而本发明的定子由定子功率铁心和定子环形铁心交替压叠而成，且电枢绕组易于安装在定子铁心上，因此本发明电机的定子可以采用传统加工手段制造，方法简单，工艺成熟，成本低。

5.本发明无电刷，动子上即无永磁体又无线圈，因此动子结构简单牢固，可靠性高。尤其对于螺旋电机而言，动子经常面临高温、振动和撞击的情况，工作环境恶劣，这本发明的动子对上述危险工况免疫，具有巨大的应用潜力。

6.本发明的动子导磁铁心由轴向硅钢片压叠而成，动子铁心内的旋转运动磁路和直线运动磁路均不存在磁障，电机出力大、效率高。

综合上述可知，本发明的电机采用正弦波供电，效率高、可靠性高、运动方式灵活、且有位置自锁功能，在螺旋运动领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的具有位置自锁功能的正弦波供电双自由度螺旋电机截面图，其中有：定子铁心1、电枢绕组2、动子不导磁基座3、动子铁心4、转轴5。

图2是本发明的轴向切面视图，其中有定子功率铁心10、定子环形铁心11、第一套电枢绕组20、第二套电枢绕组21、第三套电枢绕组22、第四套电枢绕组23、第五套电枢绕组24、第六套电枢绕组25、第七套电枢绕组26、动子导磁铁心4、转轴5。

图3是本发明的三维示意图，其中有：定子功率铁心10、定子环形铁心11、电枢绕组2、动子不导磁基座3、动子导磁铁心4。

图4是本发明的定子结构三维示意图，其中有：定子功率铁心10、定子环形铁心11、第一套电枢绕组的A相第一线圈20a、第一套电枢绕组的A相第二线圈20a’、第一套电枢绕组的B相第一线圈20b、第一套电枢绕组的B相第二线圈20b’、第一套电枢绕组的C相第一线圈20c、第一套电枢绕组的C相第二线圈20c’。

图5是本发明动子的三维结构示意图，其中有：动子不导磁基座3、动子导磁铁心4。

图6是本发明动子不导磁基座三维结构示意图。

图7是本发明动子导磁铁心的三维结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1和图2所示，本发明的具有位置自锁功能的正弦波供电双自由度螺旋电机包括定子铁心1、电枢绕组2、动子不导磁基座3、动子导磁铁心4、转轴5；定子铁心1由定子功率铁心10和定子环形铁心11组成，定子功率铁心10上放置有电枢绕组2；定子功率铁心10和定子环形铁心11沿轴向交替分布，紧密排列；动子导磁铁心4位于动子不导磁基座3上；动子不导磁基座3、动子导磁铁心4和转轴5共同构成动子。

如图3所示，动子在轴线方向上均呈现凸极结构；位于一个定子功率铁心上10的电枢绕组构成一套功率绕组，图3所示共有七套电枢绕组，分别是第一套电枢绕组20、第二套电枢绕组21、第三套电枢绕组22、第四套电枢绕组23、第五套电枢绕组24、第六套电枢绕组25、第七套电枢绕组26。任意两套功率绕组相互独立，可以单独开通或关断，任意一套功率绕组在开通状态下，可以单独控制该套功率绕组的电流幅值的大小。由图3所示，本发明电机在轴线方向上相当于一台开关磁阻电机。动子凸极结构配合各套电枢绕组的开关方式，可以实现动子沿轴线方向的直线运动，也可以实现动子在轴线方向上的位置锁定。

如图4所示，本发明的每一套电枢绕组位于一个定子功率铁心上，且由六个线圈组成。以第一套电枢绕组20为例，各组成线圈分别是A相第一线圈20a、A相第二线圈20a’、B相第一线圈20b、B相第二线圈20b’、C相第一线圈20c、C相第二线圈20c’。结合图1，本发明电机在截面上看相当于一台同步磁阻电机，因此，在一套功率绕组中通入三相对称正弦交流电，可以在空间形成旋转磁场，产生动子的旋转运动。在一套功率绕组中通入直流电，多套绕组通电顺序相配合，产生动子的旋转运动，此处的通电顺序指是否通电。在一套功率绕组中通入三相对称交流电，多套绕组通电顺序相配合，产生动子的螺旋运动，此处的通电顺序指是否通电。

如图5所示，本发明的动子具有旋转运动和沿轴线方向的直线运动两个运动自由度，旋转运动和直线运动相互解耦。动子有旋转运动、直线运动、螺旋运动三种运动形式，动子的旋转方向、旋转速度、直线运动方向、直线运动速度之间互不影响。

如图6所示，本发明动子不导磁基座3由铝、铜、树脂、陶瓷等不导磁材料构成。动子导磁铁心4由轴向叠片压叠而成，压叠方向为径向。动子导磁铁心也可以为整块的导磁材料构成。无论动子导磁铁心4由轴线叠片压叠而成，还是由整块导磁材料构成，动子铁心内的旋转运动磁路和直线运动磁路均不存在磁障，电机出力大、效率高。

此具有位置自锁功能的正弦波供电双自由度螺旋电机中，任意一套电枢绕组可以为集中式绕组或是分布式绕组。此具有位置自锁功能的正弦波供电双自由度螺旋电机中，任意一套电枢绕组是三相绕组或是多相绕组，为多相绕组时，其中通入相数相同的对称交流电。此具有位置自锁功能的正弦波供电双自由度螺旋电机中，一套电枢绕组中可通入三相对称正弦波电流或方波电流。

本发明中，通过巧妙的设计定子铁心、电枢排布、动子凸极形状等，非但实现了动子旋转运动和直线运动的解耦，而且动子上即无永磁体又无线圈，结构简单牢固，可靠性高。尤其对于螺旋电机而言，动子经常面临高温、振动和撞击的情况，工作环境恶劣，这本发明的动子对上述危险工况免疫，具有巨大的应用潜力。

Claims (9)

1.一种具有位置自锁功能的正弦波供电双自由度螺旋电机，其特征在于：包括定子铁心、电枢绕组、动子不导磁基座、动子导磁铁心和转轴，所述定子铁心的内壁设有若干凸台单元，每组凸台单元包含沿定子铁心内壁轴向均布的凸台，在凸台上设有电枢绕组，每组电枢绕组与一个开关连接，所述动子导磁铁心位于动子不导磁基座上，转轴位于动子不导磁基座上，动子不导磁基座、动子导磁铁心和转轴共同构成动子；所述动子在轴线方向上均呈现凸极结构；所述定子铁心由定子功率铁心和定子环形铁心组成，定子功率铁心和定子环形铁心沿轴向交替分布，凸台位于定子功率铁心的内壁上。

2.根据权利要求1所述的具有位置自锁功能的正弦波供电双自由度螺旋电机，其特征在于：所述动子导磁铁心由硅钢片轴线压叠而成。

3.根据权利要求1所述的具有位置自锁功能的正弦波供电双自由度螺旋电机，其特征在于：所述动子导磁铁心由整块导磁材料构成。

4.根据权利要求1所述的具有位置自锁功能的正弦波供电双自由度螺旋电机，其特征在于：所述动子不导磁基座的材料为铝、铜、树脂或陶瓷。

5.根据权利要求1所述的具有位置自锁功能的正弦波供电双自由度螺旋电机，其特征在于：所述电枢绕组为集中式绕组或分布式绕组。

6.根据权利要求1所述的具有位置自锁功能的正弦波供电双自由度螺旋电机，其特征在于：所述电枢绕组为三相绕组或多相绕组。

7.根据权利要求1所述的具有位置自锁功能的正弦波供电双自由度螺旋电机，其特征在于：所述动子的外壁设有若干圈圆环凸起。

8.根据权利要求1所述的具有位置自锁功能的正弦波供电双自由度螺旋电机，其特征在于：所述动子导磁铁心为2层、或3层或4层结构。

9.根据权利要求1所述的具有位置自锁功能的正弦波供电双自由度螺旋电机，其特征在于：所述动子导磁铁心的边缘为直线或弧线结构。

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