CN109450204A - 一种并列式双定子外动子结构直线旋转作动器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种并列式双定子外动子结构直线旋转作动器，该作动器由旋转运动单元和直线运动单元组成，旋转运动单元由外动子(1)、旋转运动永磁极(13)、铁极(14)、定子轭(3)、定子极(5)、定子齿(6)和旋转运动绕组(4)组成，采用磁通调制原理，大大提高作动器转矩密度，直线运动单元由外动子(1)、直线运动永磁极(10)、铁极(11)、定子轭(7)、定子极(8)和直线运动绕组(9)组成，通过支撑组件(12)将外动子与轴链接到一起，双定子并列排布，可以方便进行组合设计。直线运动定子采用轻量化的结构设计，降低了直线定位力幅值，大幅降低作动器的制作成本。绕组可单独进行绕制，提高了槽满率，简化了制造工艺。

Description

一种并列式双定子外动子结构直线旋转作动器

技术领域

本发明涉及永磁电机领域，具体是一种可以实现直线、旋转或螺旋两自由度运动的电磁设备。

背景技术

由于两自由度直线旋转作动器可以实现直线、旋转或螺旋运动，具有安装方便、便于维护、能适应复杂的工作环境的特点，已成为研究的热点，在航空航天、国防安全、医疗卫生、工业生产、勘探、数控机床、汽车生产线、办公自动化等领域，具有广泛的应用前景。随着电机制造工艺水平的提高、控制理论及电力电子技术的进步、电机理论的不断完善，国内多所高校及科研院所对两自由度直线旋转作动器开展了深入研究。

专利“双径向磁场反应式直线旋转步进电机”(CN101355290)定子磁极产生的是轴向和径向两个空间相交的磁场，转子磁路是径向磁通磁路，实现了步进电机直线、旋转或螺旋运动。专利“磁结合直线旋转驱动器”(CN 201398162Y)采用杆状和非接触的磁力驱动构造，实现了超高真空环境中的直线驱动和旋转驱动，驱动简单。但是此结构轴向尺寸长，对驱动器的加工精度要求高。专利“高动态动磁式的直线旋转一体式二自由度电机”(CN103986301 A)和专利“一种动磁式直线旋转二自由度电机”(CN 102497080)，分别提供了能够实现驱动动子单独作旋转运动，直线运动及直线和旋转复合运动的高动态动磁式的直线旋转一体式二自由度电机。专利“高频直线旋转电机”(CN 201830127)，机壳内安装有直线驱动和旋转驱动部件，直线驱动的移动线圈的一端与旋转驱动的侧面链接，旋转运动的输出轴通过联轴器与连接轴连接，连接轴的另一端与伸出轴连接。

专利“新型双自由度机构”(CN 203579294 U)提出了一种两自由度机构，采用直线电机和旋转电机组合的形式，省去了中间传动环节，相比于传统的结构，体积大大减少，提高了精度和效率，但是电机的体积缩小受到限制。专利“一种直线旋转电机”(CN 02798421U)利用一套机构同时完成旋转和平移运动。在齿轮齿条机构控制下能使转子在旋转和平移的过程中实现电磁场换向，完成机电能量转换。专利“直线旋转耦合输出型压电驱动装置”(CN 103219916)和专利“一种直线旋转耦合输出型压电驱动装置”(CN 203251241 U)，分别提出了直线旋转耦合输出型压电驱动装置，具有可作直线、旋转或螺旋运动，结构简单、位移和转角精度高的特点，但行程有限。

本发明采用外动子结构，动子轭部较薄，永磁体与铁极交替排列在动子内表面，永磁体径向充磁，旋转运动单元采用6个定子极、48动子极结构，单个定子极有三个定子齿，采用了磁通调制原理，提高了转矩密度，直线运动定子采用轻量化设计，降低了制作成本，旋转运动绕组采用集中绕组，直线运动绕组采用环形绕组，易于绕制，外动子通过支撑组件跟轴链接，此作动器具有旋转转矩大，齿槽转矩/直线定位力幅值小的特点，旋转运动单元和直线运动单元采用并列式排列，方便作动器进行组合设计，具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种并列式双定子外动子结构直线旋转作动器，该作动器齿槽转矩/直线定位力小，旋转运动转矩大，控制简单，可以方便实现直线、旋转或螺旋运动。

本发明实现发明目的采用如下技术方案：

一种并列式双定子外动子结构直线旋转作动器由旋转运动单元和直线运动单元组成，旋转运动单元由外动子、旋转运动永磁极、铁极、定子轭、定子极、定子齿和旋转运动绕组组成，直线运动单元由外动子、直线运动永磁极、铁极、定子轭、定子极和直线运动绕组组成，通过支撑组件将外动子与轴链接到一起，双定子并列排布，可以方便进行组合设计。直线运动定子采用轻量化的结构设计，降低了直线定位力幅值，大幅降低作动器的制作成本。绕组可单独进行绕制，提高了槽满率，简化了制造工艺，方便加工制造，并且控制简单。

作为优选，本发明提供的一种并列式双定子外动子结构直线旋转作动器，旋转运动单元采用了基于磁通调制原理的游标电机结构，大大提高了作动器的转矩密度；

作为优选，本发明提供的一种并列式双定子外动子结构直线旋转作动器，双定子并列排布，通过支撑组件将外动子与轴链接到一起，方便进行组合设计；

作为优选，本发明提供的一种并列式双定子外动子结构直线旋转作动器，直线运动单元采用了多定子极结构代替传统的圆盘型定子，降低了直线定位力幅值，轻量化的设计大幅降低了作动器的制作成本；

作为优选，本发明提供的一种并列式双定子外动子结构直线旋转作动器，绕组可在装配前单独进行绕制，提高了槽满率，简化了制造工艺，方便了加工制造，并且控制简单。

有益效果：

本发明与现有技术相比，其有益效果体现在：该作动器采用了外动子结构质量轻，转动惯量小，动态响应快，传动效率高，且铁心使用量比内动子少，制作成本降低。该作动器采用双定子并列排列，磁路结构独立，采用两套绕组控制，控制方法简单。旋转运动单元基于磁通调制原理，提高了转矩密度，可以满足旋转运动大转矩输出的要求，直线运动单元定子极采用轻量化设计，不仅降低了制作成本，而且减少了直线定位力幅值，降低了直线运动的控制难度，可以满足直线运动低速高精度控制的要求。此作动器实现了结构性部件的功能性集成，进一步提升系统的功率密度和运行效率。

附图说明

图1是并列式双定子外动子结构直线旋转作动器剖面图。

包含外动子(1)、旋转运动永磁极(13)、旋转运动铁极(14)、旋转运动定子轭(3)、旋转运动定子极(5)、旋转运动定子齿(6)、旋转运动绕组(4)、直线运动永磁极(10)、旋转运动铁极(11)、旋转运动定子轭(7)、旋转运动定子极(8)、直线运动绕组(9)、支撑组件(12)和轴(2)。

图2是并列式双定子外动子结构直线旋转作动器定子结构图。

包含旋转运动定子轭(3)、旋转运动定子极(5)、旋转运动定子齿(6)、旋转运动定子轭(7)和旋转运动定子极(8)。

图3是并列式双定子外动子结构直线旋转作动器运动部分结构图。

包含外动子(1)、旋转运动永磁极(13)、旋转运动铁极(14)、直线运动永磁极(10)、旋转运动铁极(11)、支撑组件(12)和轴(2)。

具体实施方式

所述一种并列式双定子外动子结构直线旋转作动器，如图1所示，该作动器由外动子(1)、旋转运动定子、直线运动定子、旋转运动永磁极(13)、旋转运动铁极(14)、直线运动永磁极(10)、直线运动铁极(11)、旋转运动绕组(4)、直线运动环形绕组(9)和轴(2)组成，其定子结构图如图2所示，由旋转运动定子轭(3)、旋转运动定子极(5)、旋转运动定子齿(6)、直线运动定子轭(7)、直线运动定子极(8)组成，其运动部分如图3所示，由外动子(1)、旋转运动永磁极(13)、旋转运动铁极(14)、直线运动永磁极(10)、直线运动铁极(11)、支撑组件(12)和轴(2)组成，永磁极采用径向充磁，与铁极交错排列，在没有降低作动器的性能的同时，降低了永磁体的用量，减少了制作成本。

旋转运动单元为游标电机结构，采用6个定子极，单个旋转运动定子极采用三个定子齿结构，动子采用48极结构，大大提高了转矩密度，直线运动单元为圆筒直线电机结构，采用轻量化设计，用定子极代替圆盘形定子结构，降低了直线定位力幅值，外动子通过支撑组件与轴链接，方便作动器单元的扩展。此作动器结构在磁路上是独立的，旋转运动单元定动子铁芯采用硅钢片轴向叠加，直线运动单元定动子铁芯采用硅钢片周向叠加。旋转运动绕组采用了集中绕组结构，直线运动绕组采用了环形绕组结构，易于安装，通过调节两套绕组中的电流，完成了直线、旋转或螺旋运动。

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)

1.一种并列式双定子外动子结构直线旋转作动器，其特征在于：由旋转运动单元和直线运动单元组成，旋转运动单元由外动子、旋转运动永磁极、铁极、定子轭、定子极、定子齿和旋转运动绕组组成，直线运动单元由外动子、直线运动永磁极、铁极、定子轭、定子极和直线运动绕组组成，通过支撑组件将外动子与轴链接到一起，双定子并列排布，可以方便进行组合设计。直线运动定子采用轻量化的结构设计，降低了直线定位力幅值，大幅降低作动器的制作成本。绕组可单独进行绕制，提高了槽满率，简化了制造工艺，方便加工制造，并且控制简单。

2.根据权利要求1所述的一种并列式双定子外动子结构直线旋转作动器，其特征在于：旋转运动单元采用了基于磁通调制原理的游标电机结构，大大提高了作动器的转矩密度。

3.根据权利要求1所述的一种并列式双定子外动子结构直线旋转作动器，其特征在于：双定子并列排布，通过支撑组件将外动子与轴链接到一起，方便进行组合设计。

4.根据权利要求1所述的一种并列式双定子外动子结构直线旋转作动器，其特征在于：直线运动单元采用了多定子极结构代替传统的圆盘型定子结构，降低了直线定位力幅值，轻量化的设计大幅降低了作动器的制作成本。

5.根据权利要求1所述的一种并列式双定子外动子结构直线旋转作动器，其特征在于：绕组可单独进行绕制，提高了槽满率，简化了制造工艺，方便了加工制造，并且控制简单。