CN109600015B - 一种定子励磁型直线旋转电机结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定子励磁型直线旋转电机结构，包括定子和转子，具有以下特征，定子由m个定子模块沿轴向组合而成，所述定子模块之间设置有隔磁环；动子由n个动子模块沿轴向组合而成。所述定子模块由i个定子单元沿圆周方向组合而成；所述定子单元由四个T型齿沿轴向依次排列组合而成，在两个中间T型齿的中间设置有永磁体和隔磁块；在所述的T型齿上设置有集中式绕组。本发明的一种定子励磁型直线旋转电机结构，实现了直线、旋转和螺旋三维运动；采用双凸极结构，推力/转矩‑功率密度高，可靠性高，结构简单，加工制造方便；SMC软磁材料的定子和动子损耗低，效率高。

Description

一种定子励磁型直线旋转电机结构

技术领域

本发明涉及一种直线旋转两自由度电机，特别是一种定子励磁型直线旋转两自由度电机，适用于需要直线、旋转及螺旋驱动的应用场合，属于特种电机技术领域。

背景技术

自工业革命以来，以解放双手为目标的自动化产业得到了突飞猛进的发展。电动机作为许多现代自动化产品的驱动和执行元件，在工业、国防及生活领域中有着举足轻重的作用。随着现代驱动系统复杂性的增加和驱动精度要求的提高，多自由度驱动的应用越来越广泛，如人类关节、机器手臂、高档机床、舰船推进、火炮转台、办公自动化、多坐标加工、卫星跟踪天线、电动陀螺仪等，尤其是一些精密装置对多自由度驱动的要求越来越迫切。直线旋转两自由度运动永磁电机是一种能够实现直线、旋转和螺旋运动的两自由度电机，在机械加工、数控机床、机器手臂等领域有着广泛的应用前景。

实现直线旋转运动的方法之一是多台单自由度电机通过机械传动机构进行空间运动的组合，这类组合机构虽然可以实现两自由度驱动，但存在明显的不足：多个传动间隙降低了系统的定位精度；多个机械部件增加了系统的体积和重量。研制能够实现两自由度运动的新型电机是解决上述问题的有效途径。与单自由度电机相比，两自由度电机不仅具有多维运动的特性，还具有较高的机械集成度，较高的材料利用率以及灵活的控制特性等。作为一种新结构电机，带来了一种全新的驱动理念，大幅提升了运动控制系统的整体性能。目前，两自由度直线旋转电机的研究大多处于实验室研究阶段，距离真正的工业化应用还有较大差距。对已有两自由度直线旋转电机本体结构和控制系统进行优化和改进，以及开发新型结构的两自由度直线旋转电机，依然是各国研究者所面临的长期而艰巨任务。综合现有直线旋转两自由度电机仍然暴露出一些有待解决的问题，主要体现在以下几个方面：1)螺旋式结构只能在轴向方向上作螺进运动，螺距固定，用途有限；2)串联双绕组结构为轴向串联，电机呈现细长结构；3)部分结构中存在旋转磁场和行波磁场的交叉耦合，不利于电机的优化设计；4)集成式结构往往采用集中绕组，绕组相数较多，控制难度较大，控制策略复杂；5)定子和动子结构特殊，电机制造工艺复杂，加工困难；6)直线旋转两自由度电机的控制理论与技术有待完善。因此，研制新型结构的直线旋转两自由度电机具有重要的理论意义和实用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种定子励磁型直线旋转电机结构，该电机可以实现直线、旋转和螺旋驱动，具有结构简单、转矩/推力-功率高，加工容易等特点。

本发明的技术方案为：

一种定子励磁型直线旋转电机结构，包括定子1-1和动子1-2，定子由m个定子模块沿轴向组合而成，所述定子模块之间设置有隔磁环1-3，定子齿上设置绕组；动子1-2由n个动子模块沿轴向组合而成；所述动子模块为沿圆周方向分布的若干个凸极齿1-4构成；所述若干个凸极齿1-4设置在动子轭1-5上。

进一步，所述定子模块由i个定子单元沿圆周方向组合而成；所述定子单元所占圆周角度为360°/i；所述定子单元由T型齿一3-1、T型齿二3-2、T型齿三3-3和T型齿四3-4沿轴向依次排列组合而成，在T型齿一3-1和T型齿二3-2之间设置有导磁块3-10，在T型齿三3-3和T型齿四3-4之间设置有导磁块3-10；在T型齿二3-2和T型齿三3-3轭部设置有隔磁块3-9，且齿部中间设置有永磁体3-8；在所述的T型齿二3-2和T型齿三3-3上设置有集中式绕组一3-5，在所述T型齿一3-1和所述T型齿四3-4上分别有集中式绕组二3-6和集中式绕组三3-7。

进一步，所述永磁体3-8为沿轴向充磁，相邻的所述定子模块中永磁体充磁方向相反，在同一个定子模块中的所述定子单元的永磁充磁方向相同。

进一步，所述隔磁块和隔磁环均为非导磁材料制成。

进一步，所述定子和动子均为SMC软磁材料压制而成。

进一步，所述集中式绕组二3-6和集中式绕组三3-7串联连接为绕组四，且i个定子单元的绕组四在圆周方向上按照多相绕组方式连接构成旋转绕组，该多相绕组可以为3、5、6相等等。

进一步，所述i个定子单元的集中式绕组一3-5在圆周方向串联连接为绕组五，m个定子模块的绕组五在轴向方向上按照多相绕组方式连接构成直线绕组。该多相绕组可以为3、5、6相等等。

本发明的一种定子励磁型直线旋转电机结构，相比现有技术，具有以下有益效果：

1)采用模块化径、轴向双凸极定子和动子结构，结构简单、坚固，易于加工、制造、成本低，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境。

2)采用永磁体和绕组均在定子上，电机易于冷却，转子无永磁体，可允许有较高的温升。

3)采用集中式直线和旋转电枢绕组结构，定子线圈绕制容易，端部短而牢固，易于实现直线和旋转运动的解耦控制。

4)旋转运动部分采用开关磁阻电机结构，输出转矩大，调速范围宽，控制简单，过载能力强，可靠性高，起动转矩大，低速性能好，容错性能好。

5)直线运动部分采用磁通切换永磁电机结构，聚磁作用强，气隙磁密高，反电动势正弦度高，功率密度高，输出推力大，容错性能好。

6)定子和动子均采用SMC软磁材料压铸而成，损耗小。

7)直线和旋转运动磁路结构基本独立，运行磁场耦合程度小，控制简单。

8)采用单定子和单动子结构，安装直线和旋转位置检测器方便，能够通过定子嵌霍尔传感器的方式实现，减小位置检测装置体积。

附图说明

图1为定子励磁型直线旋转电机三维剖视图。

图2定子模块三维剖视图。

图3为定子单元三维结构图。

图4为动子结构示意图。

图5为动子模块结构示意图。

图6为本发明的一个实施例结构示意图；(a)为电机主视图；(b)为电机剖视图。

图中：1-1为定子，1-2为动子，1-3为隔磁环，1-4为凸极齿，1-5为动子轭，3-1为T型齿一，3-2为T型齿二，3-3为T型齿三，3-4为T型齿四，3-5为集中式绕组一，3-6为集中式绕组二，3-7为集中式绕组三，3-8为永磁体，3-9为隔磁块，3-10为导磁块。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步阐述。

本发明所采用的技术方案是利用“磁阻最小原理”和“磁通切换”原理构建直线旋转两自由度驱动，将永磁体和绕组均设置在定子上，电机为径、轴向双凸极结构。本发明的一种定子励磁型直线旋转电机结构，具有以下特征，定子由m个定子模块沿轴向组合而成，所述定子模块之间设置有隔磁环；动子由n个动子模块沿轴向组合而成；所述动子模块两两之间设置有圆环。

所述定子模块由i个定子单元沿圆周方向组合而成；所述定子单元所占圆周角度为360°/i；所述定子单元由T型齿一3-1、T型齿二3-2、T型齿三3-3和T型齿四3-4沿轴向依次排列组合而成，在T型齿一和T型齿二之间设置有导磁块3-10，在T型齿三和T型齿四之间设置有导磁块3-10；在T型齿二3-2和T型齿三3-3轭部设置有隔磁块3-9，且齿部中间设置有永磁体3-8，且在所述的T型齿二3-2和T型齿三3-3上设置有集中式绕组一3-5，在所述T型齿一和所述T型齿四上分别有集中式的绕组二3-6和集中式绕组三3-7。

所述动子模块为沿圆周方向分布的j个凸极齿构成，所述j个凸极齿设置在动子轭上。

所述定子和动子均为SMC软磁材料压制而成。

所述永磁为沿轴向充磁，相邻的所述定子模块中永磁体充磁方向相反，在同一个定子模块中的所述定子单元的永磁充磁方向相同。

所述集中式绕组二和集中式绕组三串联连接为绕组四，且i个定子单元的绕组四在圆周方向上按照k相绕组方式连接构成旋转绕组。

所述i个定子单元的绕组一在圆周方向串联连接为绕组五，m个定子模块的绕组五在轴向方向上按照g相绕组方式连接构成直线绕组。

如图6所示，为本发明的一个实施例，定子由3个定子模块沿轴向组合而成，所述定子模块之间设置有隔磁环；动子由6个动子模块沿轴向组合而成。

所述定子模块由12个定子单元沿圆周方向组合而成；所述定子单元所占圆周角度为30°，定子单元由T型齿一、T型齿二、T型齿三和T型齿四沿轴向依次排列组合而成，在T型齿一和T型齿二之间设置有导磁块，在T型齿三3-3和T型齿四之间设置有导磁块；在T型齿二和T型齿三中间设置有永磁体和隔磁块，且在所述的T型齿二和T型齿三上设置有集中式绕组一，在所述T型齿一和所述T型齿四上分别有集中式的绕组二和集中式绕组三。

所述动子模块为沿圆周方向分布的11个凸极齿构成。

综上，本发明的一种定子励磁型直线旋转电机结构，包括定子和转子，具有以下特征，定子由m个定子模块沿轴向组合而成，所述定子模块之间设置有隔磁环；动子由n个动子模块沿轴向组合而成。所述定子模块由i个定子单元沿圆周方向组合而成；所述定子单元由四个T型齿沿轴向依次排列组合而成，在两个中间T型齿的中间设置有永磁体和隔磁块；在所述的T型齿上设置有集中式绕组。本发明的一种定子励磁型直线旋转电机结构，实现了直线、旋转和螺旋三维运动；采用双凸极结构，推力/转矩-功率密度高，可靠性高，结构简单，加工制造方便；SMC软磁材料的定子和动子损耗低，效率高。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种定子励磁型直线旋转电机结构，其特征在于，包括定子(1-1)和动子(1-2)，定子由m个定子模块沿轴向组合而成，所述定子模块之间设置有隔磁环(1-3)，定子齿上设置绕组；动子(1-2)由n个动子模块沿轴向组合而成；所述动子模块为沿圆周方向分布的若干个凸极齿(1-4)构成；所述若干个凸极齿(1-4)设置在动子轭(1-5)上；

所述定子模块由i个定子单元沿圆周方向组合而成；所述定子单元所占圆周角度为360°/i；所述定子单元由T型齿1(3-1)、T型齿2(3-2)、T型齿3(3-3)和T型齿4(3-4)沿轴向依次排列组合而成，在T型齿1(3-1)的轭部和T型齿2(3-2)的轭部之间设置有导磁块(3-10)，在T型齿3(3-3)的轭部和T型齿4(3-4)的轭部之间设置有导磁块(3-10)；在T型齿2(3-2)的轭部和T型齿3(3-3)的轭部之间设置有隔磁块(3-9)，且在T型齿2(3-2)和T型齿3(3-3)的齿部之间设置有永磁体(3-8)；在所述的T型齿2(3-2)和T型齿3(3-3)上设置有集中式绕组1(3-5)，在所述T型齿1(3-1)和所述T型齿4(3-4)上分别设置有集中式绕组2(3-6)和集中式绕组3(3-7)。

2.根据权利要求1所述的一种定子励磁型直线旋转电机结构，其特征在于：所述永磁体(3-8)为沿轴向充磁，相邻的所述定子模块中永磁体充磁方向相反，在同一个定子模块中的所述定子单元的永磁充磁方向相同。

3.根据权利要求1所述的一种定子励磁型直线旋转电机结构，其特征在于：所述隔磁块和隔磁环均为非导磁材料制成。

4.根据权利要求1所述的一种定子励磁型直线旋转电机结构，其特征在于：所述定子和动子均为SMC软磁材料压制而成。

5.根据权利要求1所述的一种定子励磁型直线旋转电机结构，其特征在于：所述集中式绕组2(3-6)和集中式绕组3(3-7)串联连接为绕组4，且i个定子单元的绕组4在圆周方向上按照多相绕组方式连接构成旋转绕组。

6.根据权利要求1所述的一种定子励磁型直线旋转电机结构，其特征在于：所述i个定子单元的集中式绕组1(3-5)在圆周方向串联连接为绕组5，m个定子模块的绕组5在轴向方向上按照多相绕组方式连接构成直线绕组。

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