CN109742874B - 一种直线旋转两自由度磁通切换永磁电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直线旋转两自由度磁通切换永磁电机，包括定子和转子，具有以下特征，定子上设置有轴向和圆周向充磁的永磁体，直线运动绕组和旋转运动绕组均设置在定子上；动子为轴向和周向凸极结构。所述定子由若干个鱼叉型定子齿构成，所述鱼叉型定子齿分别与沿轴向充磁的永磁体和沿圆周方向充磁的永磁构成直线磁通切换电机单元和旋转磁通切换电机单元，进而实现直线、旋转和螺旋运动。本发明的一种直线旋转两自由度磁通切换永磁电机，实现单电机的直线和旋转磁场构建，反电动势正弦度高，适合交流正弦控制，电机功率密度高，效率高，结构简单，绕制嵌线容易，加工制造容易。
Description
技术领域
本发明涉及一种直线旋转两自由度永磁电机，尤其是一种直线旋转两自由度磁通切换永磁电机，适用于需要直线、旋转及螺旋运动驱动的应用场合，属于特种电机技术领域。
背景技术
随着工业驱动系统复杂性的增加和驱动精度要求的提高，两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、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两自由度驱动的要求越来越迫切，一维运动的单自由度电机无法满足驱动要求，需要大量两维运动的电机及其驱动机构。
直线旋转两自由度运动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，是两维运动电机的典型代表。经过了十几年的发展，直线旋转两自由度电机的研究取得了一定的成果。许多结构类型的直线旋转两自由度电机不断的被提出，如螺旋式结构、组合式结构和集成式结构等，并应用于各种场合。但是，现有的直线旋转两自由度电机结构和性能仍有诸多地方有待优化。
发明内容
本发明的目的是提供一种直线旋转两自由度磁通切换永磁电机，降低铁芯损耗及涡流损耗，提高功率密度，提高电机的工作性能，并简化加工工艺，提高电机可靠性。
本发明的技术方案为：一种直线旋转两自由度磁通切换永磁电机，包括动子(4)和定子，采用单定子和单动子结构；所述动子为轴向和周向凸极结构；所述定子由若干个分别沿着电机圆周方向排列和电机轴向排列的鱼叉型定子齿(1)构成，在电机圆周方向上，每两个鱼叉型定子齿(1)的内齿之间嵌有旋转运动永磁体(7)，且相邻两个鱼叉型定子齿(1)的内齿上绕有旋转运动绕组(6)；在电机轴向方向上，每两个相叠加的鱼叉型定子齿(1)之间有规律的嵌有导磁块(1-1)和直线运动永磁体(3)，且相隔两个鱼叉型定子齿(1)的外齿上有规律的绕有直线运动绕组(5)；
鱼叉型定子齿(1)分别与沿轴向充磁的直线运动永磁体(3)和沿圆周方向充磁的旋转运动永磁体(7)构成直线磁通切换电机单元和旋转磁通切换电机单元，进而实现电机的直线、旋转和螺旋运动。
进一步，沿圆周方向充磁的旋转运动永磁体(7)按N和S极交替排列。
进一步，沿圆周方向分布的鱼叉型定子齿(1)和旋转运动永磁体(7)构成一个旋转运动单元；沿电机轴向方向上，将旋转运动单元按照顺序(1，2)、(3，4)、……(i-1，i)、……、(N-1、N)进行分组，依次排列成的N个旋转运动单元，每组(i-1，i)构成一个直线运动模块，每组两个旋转运动单元之间设置有导磁块(1-1)；每两个直线运动模块沿轴向排列构成一个直线运动单元，且在两个直线运动模块中间设置有沿轴向方向充磁的直线运动永磁体(3)。
进一步，多个直线运动永磁体(3)充磁方向一致，在设置有直线运动永磁体(3)的直线运动模块上设置有直线运动绕组(5)，多个直线运动绕组(5)串联连接，多个直线运动单元沿轴向设置，串联的直线运动绕组(5)构成多相直线运动电枢绕组。
进一步，直线运动单元与直线运动单元之间用隔磁块(2)隔开。
进一步，旋转运动绕组(6)为集中式绕组，沿圆周方向构成多相旋转运动电枢绕组。
进一步，所述动子中，每两个动子凸极齿(4-1)之间设有动子导磁块(4-2)。
本发明的一种直线旋转两自由度磁通切换永磁电机，相比现有技术，具有以下有益效果：
1)采用鱼叉型定子模块结构，利用“磁通切换”原理，实现单电机的直线和旋转磁场构建，反电动势正弦度高，适合交流正弦控制，电机功率密度高，结构简单，加工制造容易。
2)采用两套集中式绕组结构，绕制嵌线容易，旋转和直线运动电枢磁场耦合小，控制方便。
3)直线和旋转运动单元磁路基本独立，损耗小，电机效率高。
4)采用定子和动子双凸极结构，转矩/推力-功率比高，动子上没有绕组和永磁体，适合高速运行，结构坚固，容错能力强。
附图说明
图1为直线旋转磁通切换永磁电机结构剖视图。
图2为一个轴向定子模块。
图3为鱼叉型定子齿。
图4为动子。
图5为动子凸极齿结构。
图6为实施例正视图。
图7为实施例侧剖视图。
图中：1为鱼叉型定子齿，1-1为导磁块，2为隔磁块，3为直线运动永磁体，4为动子，4-1为动子凸极齿，4-2为动子导磁块，5为直线运动绕组，6为旋转运动绕组，7为旋转运动永磁体。
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。
如图1-2所示，一种直线旋转两自由度磁通切换永磁电机，包括动子(4)和定子，采用单定子和单动子结构；所述定子由若干个分别沿着电机圆周方向排列和电机轴向排列的鱼叉型定子齿(1)构成(如图3所示)，在电机圆周方向上，每两个鱼叉型定子齿(1)的内齿之间嵌有旋转运动永磁体(7)，且相邻两个鱼叉型定子齿(1)的内齿上绕有旋转运动绕组(6)；在电机轴向方向上，每两个相叠加的鱼叉型定子齿(1)之间有规律的嵌有导磁块(1-1)和直线运动永磁体(3)，且相隔两个鱼叉型定子齿(1)的外齿上有规律的绕有直线运动绕组(5)；鱼叉型定子齿(1)分别与沿轴向充磁的直线运动永磁体(3)和沿圆周方向充磁的旋转运动永磁体(7)构成直线磁通切换电机单元和旋转磁通切换电机单元，进而实现电机的直线、旋转和螺旋运动。
所述动子为轴向和周向凸极结构(如图4-5所示),包括动子凸极齿4-1，动子导磁块4-2。
上述沿圆周方向充磁的旋转运动永磁体(7)按N和S极交替排列。
上述沿圆周方向分布的n个鱼叉型定子齿(1)和旋转运动永磁体(7)构成一个旋转运动单元；沿电机轴向方向上，将旋转运动单元按照顺序(1，2)、(3，4)、……(i-1，i)、……、(N-1、N)进行分组，依次排列成的N个旋转运动单元，每组(i-1，i)构成一个直线运动模块，每组两个旋转运动单元之间设置有导磁块(1-1)；每两个直线运动模块沿轴向排列构成一个直线运动单元，且在两个直线运动模块中间设置有沿轴向方向充磁的直线运动永磁体(3)。
如图2所示的实施例，鱼叉型定子齿(1)在圆周方向上均布为12个，在轴向方向上鱼叉型定子齿(1)叠加为4个，其中旋转运动单元中，第(1、2)组、以及第(3、4)组内均设置有导磁块；第(1、2)组与第(3、4)组之间设置有沿轴向方向充磁的直线运动永磁体3，第2和第3个旋转运动单元绕有直线运动绕组(5)。
上述多个直线运动永磁体(3)充磁方向一致，在设置有直线运动永磁体(3)的直线运动模块上设置有直线运动绕组(5)，多个直线运动绕组(5)串联连接，多个直线运动单元沿轴向设置，串联的直线运动绕组(5)构成多相直线运动电枢绕组。
上述直线运动单元与直线运动单元之间用隔磁块(2)隔开。
上述旋转运动绕组(6)为集中式绕组，沿圆周方向构成多相旋转运动电枢绕组。
如图6和图7所示，为本发明的一个实施例，该实施例旋转部分为10极12槽结构，直线运动部分为20极6槽结构。所述鱼叉型定子齿沿圆周方向分布，所述沿圆周方向充磁的旋转运动永磁体，按N和S极交替设置在两个所述鱼叉型定子齿的中间。沿圆周方向分布的12个鱼叉型定子齿和永磁体构成一个旋转运动单元。
两个所述旋转运动单元沿轴向排列，且在两者之间设置有导磁块，构成一个直线运动模块，两个所述直线运动模块沿轴向排列构成一个直线运动单元，且在所述两个直线运动模块中间设置有12个沿轴向方向充磁的直线运动永磁体，所述12个永磁体充磁方向一致；在设置有永磁体的直线运动模块上设置有12个直线运动绕组，所述12个直线运动绕组串联连接。6个直线运动单元沿轴向设置，所述串联的直线运动绕组构成三相直线运动电枢绕组。
在设置有所述永磁体的鱼叉型定子齿上绕制有集中式的旋转运动单元绕组。所述集中式绕组沿圆周方向构成三相旋转运动电枢绕组。
综上，本发明的一种直线旋转两自由度磁通切换永磁电机，包括定子和转子，具有以下特征，定子上设置有轴向和圆周向充磁的永磁体，直线运动绕组和旋转运动绕组均设置在定子上；动子为轴向和周向凸极结构。所述定子由若干个鱼叉型定子齿构成，所述鱼叉型定子齿分别与沿轴向充磁的永磁体和沿圆周方向充磁的永磁构成直线磁通切换电机单元和旋转磁通切换电机单元，进而实现直线、旋转和螺旋运动。本发明的一种直线旋转两自由度磁通切换永磁电机，实现单电机的直线和旋转磁场构建，反电动势正弦度高，适合交流正弦控制，电机功率密度高，效率高，结构简单，绕制嵌线容易，加工制造容易。
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 (7)
1.一种直线旋转两自由度磁通切换永磁电机，其特征在于，包括动子(4)和定子，采用单定子和单动子结构；
所述动子为轴向和周向凸极结构；
所述定子由若干个分别沿着电机圆周方向排列和电机轴向排列的鱼叉型定子齿(1)构成，在电机圆周方向上，每两个鱼叉型定子齿(1)的相邻内齿之间嵌有旋转运动永磁体(7)，且相邻两个鱼叉型定子齿(1)的内齿上绕有旋转运动绕组(6)；在电机轴向方向上，每两个相叠加的鱼叉型定子齿(1)之间有规律的嵌有导磁块(1-1)和直线运动永磁体(3)，且相隔两个鱼叉型定子齿(1)的外齿上有规律的绕有直线运动绕组(5)；
鱼叉型定子齿(1)分别与沿轴向充磁的直线运动永磁体(3)和沿圆周方向充磁的旋转运动永磁体(7)构成直线磁通切换电机单元和旋转磁通切换电机单元，进而实现电机的直线、旋转和螺旋运动。
2.根据权利要求1所述的一种直线旋转两自由度磁通切换永磁电机，其特征在于，沿圆周方向充磁的旋转运动永磁体(7)按N和S极交替排列。
3.根据权利要求1所述的一种直线旋转两自由度磁通切换永磁电机，其特征在于，沿圆周方向分布的鱼叉型定子齿(1)和旋转运动永磁体(7)构成一个旋转运动单元；沿电机轴向方向上，将旋转运动单元按照顺序(1，2)、(3，4)、……(i-1，i)、……、(N-1、N)进行分组，依次排列得到N组旋转运动单元，每组两个旋转运动单元(i-1，i)构成一个直线运动模块，每组两个旋转运动单元之间设置有导磁块(1-1)；每两个直线运动模块沿轴向排列构成一个直线运动单元，且在两个直线运动模块中间设置有沿轴向方向充磁的直线运动永磁体(3)。
4.根据权利要求3所述的一种直线旋转两自由度磁通切换永磁电机，其特征在于，多个直线运动永磁体(3)充磁方向一致，在设置有直线运动永磁体(3)的直线运动模块上设置有直线运动绕组(5)，多个直线运动绕组(5)串联连接，串联的直线运动绕组(5)构成多相直线运动电枢绕组。
5.根据权利要求3所述的一种直线旋转两自由度磁通切换永磁电机，其特征在于，多个直线运动单元沿轴向设置，直线运动单元与直线运动单元之间用隔磁块(2)隔开。
6.根据权利要求4所述的一种直线旋转两自由度磁通切换永磁电机，其特征在于，旋转运动绕组(6)为集中式绕组，沿圆周方向构成多相旋转运动电枢绕组。
7.根据权利要求1所述的一种直线旋转两自由度磁通切换永磁电机，其特征在于，所述动子中，每两个动子凸极齿(4-1)之间设有动子导磁块(4-2)。
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