CN109586433B - 模块化旋转直线磁通切换永磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了模块化旋转直线磁通切换永磁电机，该电机包括旋转定子、直线定子和动子；所述的动子置于旋转定子与直线定子接合形成的圆柱形空间内，旋转定子与直线定子呈扇环形，旋转定子的圆周角度与直线定子的圆周角度之和等于或小于360度。所述动子轴向与周向同时开槽，形成阵列排布的动子齿。本发明的旋转定子与直线定子对动子径向的磁拉力相互抵消，降低轴承的磨损；将两个定子分开布置，主磁场不存在磁场耦合，只有端部漏磁场存在耦合，降低了磁场耦合强度。动子为实心结构，结构强度高，应力特性好。同时，定子铁芯硅钢片均采用模块化加工，提高了材料的利用率。

Description

模块化旋转直线磁通切换永磁电机
技术领域
本发明属于电机设计领域，尤其涉及一种模块化旋转直线磁通切换永磁电机。
背景技术
生产加工行业使用的螺旋钻床、塑料挤出机、螺旋泵等装置的驱动设备，传统的驱动设备的驱动方案通过直线电机与旋转电机的机械性结合，实现驱动轴进行直线、旋转与螺旋运动。传统技术需要体积庞大的机械传动装置，效率低，控制精度难以提高。因此，能够直接输出直线、旋转与螺旋运动的设备就显得尤为重要，同时也是当前多自由度驱动机构研究中的一个重要方面。
中国专利201510282204.3公开的“一种采用交错极结构的直线旋转永磁作动器”，包括定子、动子以及转轴。该发明采用单定子结构，在做螺旋运动时，其输出旋转运动的磁场与输出直线运动的磁场是强耦合的，增加了该电机的控制难度。其次，由于该电机动子长于定子，电机工作时总有一部分动子永磁体处于定子外，一定程度上造成永磁体的浪费与成本的增加。
中国专利2010010030162.1公开的“一种多自由度直线弧形电机”，主要由旋转运动弧形定子、直线运动弧形定子和运动轴组成，运动轴设置于旋转弧形定子与直线弧形定子扣合的空间内。所述的“一种多自由度直线弧形电机”能够实现旋转、直线与螺旋运动，但采用的是异步感应电机，在做旋转或直线运动时电机内部存在较大的径向力难以消除。此外，异步感应电机功率密度低、机械特性软、涡流损耗大，而且难以实现高精确位置控制，限制了该电机的应用。
发明内容
发明目的：本发明提供一种具有结构紧凑、材料利用率高、磁场耦合弱、功率密度高的模块化旋转直线磁通切换永磁电机。
技术方案：所述的模块化旋转直线磁通切换永磁电机，该电机包括旋转定子、直线定子和动子；所述的动子置于旋转定子与直线定子接合形成的圆柱形空间内，旋转定子与直线定子呈扇环形，旋转定子的圆周角度与直线定子的圆周角度之和等于或小于360度。
进一步，所述的旋转定子包括旋转定子永磁体、旋转定子铁芯以及旋转定子绕组，旋转定子铁芯包括第一旋转定子铁芯和第二旋转定子铁芯；旋转定子由旋转定子永磁体与第一旋转定子铁芯沿周向依次交替装配，在旋转定子周向两端为第二旋转定子铁芯，旋转定子绕组缠绕在由旋转定子铁芯侧边与旋转定子永磁体构成的旋转定子齿上。
进一步，所述的第一旋转定子铁芯为底边为圆弧型，侧边为矩形的“U”形的硅钢叠片；第二旋转定子铁芯为第一旋转定子铁芯沿对称轴切开的一半。
进一步，所述的旋转定子永磁体与第一旋转定子铁芯的侧边尺寸相同。
进一步，所述的直线定子包括直线定子永磁体、直线定子铁芯以及直线定子绕组，直线定子铁芯包括第一直线定子铁芯和第二直线定子铁芯；直线定子由直线定子永磁体与第一直线定子铁芯沿轴向依次交替排列安装，在直线定子两端为第二直线定子铁芯，直线定子绕组缠绕在由直线定子铁芯侧边与直线定子永磁体构成的直线定子齿上。
进一步，所述的第一直线定子铁芯为侧边为扇环形的半环形槽的硅钢叠片，第二直线定子铁芯为沿第一直线定子铁芯的对称抽切开的一半。
进一步，所述的直线定子永磁体与第一直线定子铁芯的侧边尺寸相同。
进一步，所述动子采用实心结构，沿动子外表面轴向和周向同时开槽，使动子齿呈阵列式分布。
进一步，所述的旋转定子的内外径与直线定子的内外径相等。
有益效果：本发明将永磁体设置于定子侧，旋转定子与直线定子对动子径向的磁拉力相互抵消，降低轴承的磨损；同时相比于永磁体设置与动子侧的产品，永磁体用量明显降低，有助于降低成本。同时，定子铁芯硅钢片均采用模块化加工，提高了材料的利用率。将两个定子分开布置，主磁场基本不存在磁场耦合，只有端部漏磁场存在耦合，降低了磁场耦合强度。动子为实心结构，结构强度高，应力特性好。
附图说明
图1为本发明的模块化旋转直线磁通切换永磁电机的立体结构示意图；
图2为本发明的旋转定子的整体示意图；
图3为本发明的旋转定子铁芯与旋转定子永磁体装配示意图；
图4为本发明的直线定子的整体示意图；
图5为本发明的旋转定子铁芯与旋转定子永磁体装配示意图；
图6为本发明的动子的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明给出一种模块化旋转直线磁通切换永磁电机，如图1所示，该永磁电机包括旋转定子、直线定子和动子，所述动子置于旋转定子与直线定子接合形成的圆柱形空腔内。旋转定子与直线定子呈扇环形结构且等内外径，两定子扇环形所占圆周角度之和等于或小于360度。图1中两定子扇环形所占圆周角度分别为180度。旋转定子或直线定子的扇环形所占圆周角度越大，该部分可以输出的电磁力越大。因此，应根据工作负载的要求可合理设计旋转定子与直线定子的扇环形所占圆周角度。
其中，所述的旋转定子包括旋转定子永磁体1、旋转定子铁芯2以及旋转定子绕组3，如图2-图3所示，旋转定子铁芯2包括第一旋转定子铁芯21和第二旋转定子铁芯22；第一旋转定子铁芯21为底边为圆弧型，侧边为矩形的“U”型结构的硅钢叠片；第二旋转定子铁芯22为第一旋转定子铁芯21沿对称轴切开的一半，旋转定子永磁体1与第一旋转定子铁芯21的侧边尺寸相同。旋转定子由旋转定子永磁体1与第一旋转定子铁芯21沿周向依次交替装配，并旋转定子周向两端为第二旋转定子铁芯22，旋转定子绕组3缠绕在由旋转定子铁芯2侧边与旋转定子永磁体1构成的旋转定子齿上。
所述的直线定子包括直线定子永磁体4、直线定子铁芯5以及直线定子绕组6，如图4-图5所示，直线定子铁芯4包括第一直线定子铁芯41和第二直线定子铁芯42；第一直线定子铁芯41为侧边为半扇形的半环形槽结构的硅钢叠片，第二直线定子铁芯42为沿第一直线定子铁芯41的对称抽切开的一半。直线定子永磁体5与第一直线定子铁芯41的侧边尺寸相同。直线定子由直线定子永磁体4与第一直线定子铁芯51沿轴向依次交替排列安装，并直线定子两端为第二直线定子贴心52，直线定子绕组6缠绕在由直线定子铁芯5侧边与直线定子永磁体4构成的旋转定子齿上。
为降低动子惯量，所述动子采用实心结构，如图6所示，沿动子7外表面轴向和周向同时开槽，使动子齿8呈阵列式分布。旋转定子与直线定子周向端部相对接合，通过塑封等技术形成圆环柱形的电机定子，固定在未限定的电机外壳中。所述动子设置于旋转定子与直线定子之间的圆柱形空间内，并留有一定的气隙使动子能做旋转、直线或螺旋运动。
当旋转定子通入三相交流电后，产生旋转磁场与动子齿相互作用，驱动动子做旋转运动；直线定子通入三相交流电后，产生行波磁场与动子齿相互作用，驱动动子做直线运动；旋转定子与直线定子同时通入三相交流电后，产生旋转磁场和行波磁场同时与动子齿相互作用，驱动动子做螺旋运动。

Claims (7)

1.模块化旋转直线磁通切换永磁电机，其特征在于：该电机包括旋转定子、直线定子和动子；所述的动子置于旋转定子与直线定子接合形成的圆柱形空间内，旋转定子与直线定子呈扇环形，旋转定子的圆周角度与直线定子的圆周角度之和等于或小于360度；所述的旋转定子包括旋转定子永磁体(1)、旋转定子铁芯(2)以及旋转定子绕组(3)，旋转定子由旋转定子永磁体(1)与旋转定子铁芯(2)沿周向依次交替装配，所述的旋转定子铁芯(2)包括第一旋转定子铁芯(21)和第二旋转定子铁芯(22)；旋转定子由旋转定子永磁体(1)与第一旋转定子铁芯(21)沿周向依次交替装配，在旋转定子周向两端为第二旋转定子铁芯(22)；旋转定子绕组(3)缠绕在由旋转定子铁芯(2)侧边与旋转定子永磁体(1)构成的旋转定子齿上；所述的直线定子包括直线定子永磁体(4)、直线定子铁芯(5)以及直线定子绕组(6)，直线定子由直线定子永磁体(4)与直线定子铁芯(5)沿轴向依次交替排列安装，所述的直线定子铁芯(5)包括第一直线定子铁芯(51)和第二直线定子铁芯(52)；直线定子由直线定子永磁体(4)与第一直线定子铁芯(51)沿轴向依次交替排列安装，在直线定子两端为第二直线定子铁芯(52)；直线定子绕组(6)缠绕在由直线定子铁芯(5)侧边与直线定子永磁体(4)构成的直线定子齿上；所述动子(7)上设有呈阵列式分布的动子齿(8)。
2.根据权利要求1所述的模块化旋转直线磁通切换永磁电机，其特征在于：所述的第一旋转定子铁芯(21)为底边为圆弧型，侧边为矩形的“U”形的硅钢叠片；第二旋转定子铁芯(22)为第一旋转定子铁芯(21)沿对称轴切开的一半。
3.根据权利要求1所述的模块化旋转直线磁通切换永磁电机，其特征在于：所述的旋转定子永磁体(1)与第一旋转定子铁芯(21)的侧边尺寸相同。
4.根据权利要求1所述的模块化旋转直线磁通切换永磁电机，其特征在于：所述的第一直线定子铁芯(51)为侧边为扇环形的半环形槽的硅钢叠片，第二直线定子铁芯(52)为沿第一直线定子铁芯(51)的对称抽切开的一半。
5.根据权利要求1所述的模块化旋转直线磁通切换永磁电机，其特征在于：所述的直线定子永磁体(4)与第一直线定子铁芯(51)的侧边尺寸相同。
6.根据权利要求1中所述的模块化旋转直线磁通切换永磁电机，其特征在于：所述动子(7)采用实心结构，沿动子外表面轴向和周向同时开槽，使动子齿呈阵列式分布。
7.根据权利要求1中所述的模块化旋转直线磁通切换永磁电机，其特征在于：所述的旋转定子的内外径与直线定子的内外径相等。
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