CN109412370A - 磁通切换式直线旋转永磁作动器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种磁通切换式直线旋转永磁作动器，该作动器由机壳(1)、定子、动子、绕组和动子轴组成，其定子在圆周方向上有6个定子极，由定子轭(2)、定子极(5)、切向充磁永磁体(6)、U型轴向充磁永磁体(8)以及集中绕组(4)组成，轴向上有3个相同的定子，安装在铝制机壳(1)上，定子铁心之间通过非导磁材料相连，动子轴通过直线轴承和旋转轴承的套接与机壳(1)相连，永磁体嵌入在定子内部，动子包含动子铁心(3)和动子凸极(7)，动子凸极在轴向错开22.5度，与定子结构构成了双层磁通切换式结构，提升了转矩/推力密度，此结构切向充磁和轴向充磁永磁体充磁方向互补，大大提高了气隙磁密，进一步提高了转矩/推力密度。

Description

磁通切换式直线旋转永磁作动器
技术领域
本发明属于永磁电机领域，是一种应用于工业生产领域的可以实现直线、旋转或螺旋运动的电磁设备。
背景技术
传统电机只能实现单一的旋转或直线运动，然而在工业生产、半导体封装、航空、雷达等领域对多自由度复合运动的需求越来越多，要求越来越高。两自由度运动便是多自由度运动中应用较为广泛的一种，传统获得直线旋转二自由度运动的方式是通过直线和旋转运动组合得到的，直线运动通常由做旋转运动的伺服电机通过中间机构转换而成，由另一台电机完成旋转运动。此类结构使得两自由度驱动机构具有较大的体积和重量，并导致较大的系统误差和较低的定位精度。由于两自由度直线旋转作动器不存在机械齿轮间的机械误差，简化机械系统的结构，减小体积和重量，具有较高的机械集成度、动态性能和可靠性，大大提高了提高材料和驱动控制系统元件的利用率的特点，因此，越来越多的研究机构开展了对两自由度作动器的研究。
专利“一种直线旋转开关磁阻电机及其控制方法”(CN 107104566 A)提出了一种并列式式双定子单转子铁心的直线旋转开关磁阻电机，转矩绕组横跨于2个定子的齿极上,推力绕组先与转矩绕组同向绕设在其中一个定子的齿极上,然后再反向绕设在另一个定子的齿极上，转矩绕组上的电流单方向流通,推力绕组上的电流双向流通。专利“一种动圈式单极性永磁体旋转直线电机”(CN 108736675 A)提出了一种内外双定子结构的直线旋转电机，包含内外定子、旋转转子以及直线运动次级，旋转转子与直线运动次级固定在同一个伸出轴上，实现直线、旋转和螺旋运动。专利“直线旋转永磁作动器”(CN 101997389 A)提出了一种直线旋转永磁作动器，其运动部件表面的永磁体在周向和轴向均互相交错排列，定子采用硅钢片叠加，采用了集中绕组，结构简单，易于制造。专利“一种双定子直线旋转哈尔巴赫永磁作动器”(CN 103280939 A)和专利“一种直线旋转两自由度哈尔巴赫永磁作动器”(CN 102013739 A)，提出的直线旋转作动器的永磁体采用了哈尔巴赫阵列，作动器结构简单紧凑，可靠性好。专利“一种直线旋转两自由度磁悬浮无轴承永磁作动器”(CN 102843015A)提出了一种两自由度磁悬浮无轴承永磁作动器，包含定子铁心、驱动绕组、悬浮绕组、动子铁心及交错极排列的表贴永磁阵列构成，每个定子齿均绕有分别用于控制定子悬浮和产生定子运动的两套集中绕组。
本发明在周向和轴向上均采用的是双层磁通切换式结构，动子凸极结构交错排列，定子极内周向充磁、轴向充磁永磁体及定子轭部轴向充磁永磁体充磁方向互补，大大提高了气隙磁密，提高了转矩/推力密度，永磁体采用铁氧体材料，与钕铁硼材料相比，在没有降低作动器电磁特性的同时，降低了齿槽转矩、直线定位力幅值，降低了制作成本，具有广泛的应用前景。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提出一种磁通切换式直线旋转永磁作动器，该作动器具有结构简单，低齿槽转矩、直线定位力幅值，高转矩/推力密度的特点。
技术方案：本发明实现发明目的采用如下技术方案：
一种磁通切换式直线旋转永磁作动器，该作动器由机壳、定子、动子、绕组和动子轴组成，其定子部分由定子轭、定子极、切向充磁永磁体、轴向充磁永磁体以及集中绕组组成，作动器轴向上有3个相同的定子，定子在圆周方向上有6个定子极，安装在铝制机壳上，定子铁心之间通过非导磁材料相连，动子轴通过直线轴承和旋转轴承的套接与机壳相连，永磁体嵌入在定子内部，动子包含动子铁心和动子凸极，动子凸极在轴向错开22.5度，与定子结构构成了双层磁通切换式结构，提升了转矩/推力密度，此结构切向充磁和轴向充磁永磁体充磁方向互补，大大提高了气隙磁密，进一步提高了转矩/推力密度，永磁体采用了铁氧体材料，降低了轴向直线定位力的幅值。
作为优选，本发明提供的一种磁通切换式直线旋转永磁作动器，其特征在于：定子采用双层磁通切换式结构，动子凸极在轴向错开22.5度，使得双层结构产生的磁通互补，大大提高了转矩/推力密度。
作为优选，本发明提供的一种磁通切换式直线旋转永磁作动器，其特征在于：轴向充磁永磁体采用了U型结构，嵌入在定子极和定子轭内部，切向充磁和轴向充磁永磁体充磁方向互补，大大提高了气隙磁密，提高了转矩/推力密度。
作为优选，本发明提供的一种磁通切换式直线旋转永磁作动器，其特征在于：切向充磁和轴向充磁永磁体均采用了铁氧体材料，降低了齿槽转矩、轴向直线定位力的幅值及转矩/推力脉动，减少了制作成本。
作为优选，本发明提供的一种磁通切换式直线旋转永磁作动器，其特征在于：定子铁芯和动子铁芯采用了复合软磁材料(Somaloy 700)，降低了涡流损耗。
有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果体现在：该作动器定子铁心和动子铁心都是采用复合软磁材料(Somaloy 700)，大大降低了涡流损耗，从而可以提高作动器的功率因数，永磁体采用铁氧体材料，周向充磁永磁体嵌入在定子极铁心内部，轴向充磁永磁体采用U型结构，嵌入在定子极和定子轭内，周向充磁与轴向充磁永磁体互补，具有较好的聚磁效应，大大提高了转矩/推力密度，而且铁氧体永磁体材料的价格低，便于大量生产，因此有广泛的应用前景。
附图说明
图1是磁通切换式直线旋转永磁作动器剖面图。
包含机壳(1)、定子轭(2)、动子铁心(3)、定子极(5)、绕组(4)、径向充磁永磁体(6)、动子凸极(7)和轴向充磁永磁体(8)。
图2是磁通切换式直线旋转永磁作动器定子结构图。
包含定子轭(2)、定子极(5)、径向充磁永磁体(6)和轴向充磁永磁体(8)。
图3是磁通切换式直线旋转永磁作动器永磁体的排列及永磁体的充磁方向。
包含径向充磁永磁体(6)、轴向充磁永磁体(8)、径向充磁永磁体(6)的充磁方向(9)和轴向充磁永磁体(8)的充磁方向(10)。
图4是磁通切换式直线旋转永磁作动器动子结构图。
包含动子铁心(3)和动子凸极(7)。
图5是磁通切换式直线旋转永磁作动器绕组排列图。
包含绕组(5)。
具体实施方式
所述一种磁通切换式直线旋转永磁作动器，如图1所示，该作动器由机壳(1)、定子、动子、绕组和动子轴组成，其定子部分如图2所示，由定子轭(2)、定子极(5)、切向充磁永磁体(6)、轴向充磁永磁体(8)以及集中绕组(4)组成。作动器永磁体的排列方式如图3所示，切向充磁永磁体(6)嵌入在定子极内部，相邻切向充磁永磁体充磁方向相反，轴向充磁永磁体(8)采用了U型结构，嵌入在定子极和定子轭内部，相邻轴向充磁永磁体充磁方向相反，切向充磁方向(9)和轴向充磁永磁体充磁方向(10)互补，具有较强的聚磁效果，大大提高了气隙磁密，提高了转矩/推力密度。
作动器定子在圆周方向上有6个定子极，轴向上有3个相同的定子模块，安装在铝制机壳(1)上，定子铁心之间通过非导磁材料相连，动子轴通过直线轴承和旋转轴承的套接与机壳(1)相连。作动器动子结构图如图4所示，动子包含动子铁心(3)和动子凸极(7)，动子凸极在轴向错开22.5度，与定子构成了双层磁通切换式结构，动子结构更紧凑，可靠性更好，并且产生的磁通互补，大大提高了转矩/推力密度。
定子铁芯和动子铁芯采用了复合软磁材料(Somaloy 700)，降低了涡流损耗。切向充磁和轴向充磁永磁体均采用了铁氧体材料，与钕铁硼永磁体相比，在没有降低作动器电磁特性的同时，降低了齿槽转矩、轴向直线定位力的幅值及转矩/推力脉动，减少了制作成本。绕组的排列方式如图5所示，线圈由铜导线绕制，易于安装。通过调节绕组中电枢磁动势，完成了直线、旋转和螺旋运动。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种磁通切换式直线旋转永磁作动器，由机壳、定子、动子、绕组和动子轴组成，其定子部分由定子轭、定子极、切向充磁永磁体、轴向充磁永磁体以及集中绕组组成，作动器轴向上有3个相同的定子，定子在圆周方向上有6个定子极，安装在铝制机壳上，定子铁心之间通过非导磁材料相连，动子轴通过直线轴承和旋转轴承的套接与机壳相连，永磁体嵌入在定子内部，动子包含动子铁心和动子凸极，动子凸极在轴向错开22.5度，与定子结构构成了双层磁通切换式结构。
2.根据权利要求1所述的一种磁通切换式直线旋转永磁作动器，其特征在于：定子采用双层磁通切换式结构，动子凸极在轴向错开22.5度，使得双层结构产生的磁通互补，大大提高了转矩/推力密度。
3.根据权利要求1所述的一种磁通切换式直线旋转永磁作动器，其特征在于：轴向充磁永磁体采用了U型结构，嵌入在定子极和定子轭内部，切向充磁和轴向充磁永磁体充磁方向互补，大大提高了气隙磁密，提高了转矩/推力密度。
4.根据权利要求1所述的一种磁通切换式直线旋转永磁作动器，其特征在于：切向充磁和轴向充磁永磁体均采用了铁氧体材料，降低了齿槽转矩、轴向直线定位力的幅值及转矩/推力脉动，减少了制作成本。
5.根据权利要求1所述的一种磁通切换式直线旋转永磁作动器，其特征在于：定子铁芯和动子铁芯采用了复合软磁材料(Somaloy 700)，降低了涡流损耗。
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