CN111082551A - 定子及模块化结构的旋转直线两自由度永磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种定子及模块化结构的旋转直线两自由度永磁电机。其中，模块化结构的旋转直线两自由度永磁电机，包括定子和动子，所述定子包括定子铁心、旋转运动绕组和直线运动绕组；所述定子铁心在圆周上由若干个相同的模块化铁心单元以三相形式构成；沿定子铁心内表面的轴向和周向均同时开设有定子槽，使定子齿呈阵列式分布且均布于各个模块化铁心单元上；所述旋转运动绕组沿直线运动方向缠绕在沿定子铁心内表面轴向排列的定子齿上，构成驱动旋转运动的相组集中式绕组；所述直线运动绕组沿圆周方向绕制在沿定子铁心内表面周向排列的定子齿上，构成驱动直线运动的相组集中式绕组。其结构简单，易于制造，提高了材料的利用率。

Description

定子及模块化结构的旋转直线两自由度永磁电机
技术领域
本发明属于电机设计制造领域，尤其涉及一种定子及模块化结构的旋转直线两自由度永磁电机。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着材料及装备制造技术的进一步发展，工业界对于多维驱动的要求越来越迫切，其中两自由度驱动的电机有着非常广泛的应用前景，例如机器人关节、多维机械加工平台、船舶电推进系统、火炮转台、海上波浪发电、电动陀螺仪、螺旋泵、自动化办公平台等。
传统的两自由度驱动的实现方法之一是通过辅助机械传动装置对多台单自由度电机进行空间运动组合。然而这些组合式系统存在多个传动间隙，系统定位精度低，系统体积庞大，重量和成本大，系统可靠性低。旋转直线两自由度永磁电机可以有效解决以上问题。
发明人发现，现阶段旋转直线两自由度永磁电机仍处于实验室研发阶段，存在以下几方面问题：1)同轴式旋转直线两自由度电机由于采用轴向串联结构，电机整体细长，直线运动的行程受限；2)异轴式旋转直线两自由度电机仍然采用了辅助传动装置，集成度不高，辅助传动装置结构复杂，系统的可靠性低；3)螺旋式旋转直线两自由度电机由于只能在轴向作螺旋运动，且螺距固定，用途有限；4)磁耦合式旋转直线两自由度电机通常采用磁阻式电机结构，存在转矩/推力密度低，而且在部分结构中存在旋转磁场和行波磁场的交叉耦合，不利于独立控制单一自由度运动。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种定子，其结构简单，易于制造，采用相组集中式绕组，提高电机绕组系数并减少端部绕组，反电动势正弦度高，显著提高转矩/推力密度，线圈绕制容易并利于实现模块化设计，易于实现直线运动和旋转运动解耦控制。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种定子，包括定子铁心、旋转运动绕组和直线运动绕组；
所述定子铁心在圆周上由若干个相同的模块化铁心单元以三相形式构成；
沿定子铁心内表面的轴向和周向均同时开设有定子槽，使定子齿呈阵列式分布且均布于各个模块化铁心单元上；
所述旋转运动绕组沿直线运动方向缠绕在沿定子铁心内表面轴向排列的定子齿上，构成驱动旋转运动的相组集中式绕组；所述直线运动绕组沿圆周方向绕制在沿定子铁心内表面周向排列的定子齿上，构成驱动直线运动的相组集中式绕组。
作为一种实施方式，沿定子铁心内表面的周向开设的定子槽分为周向相内定子槽和周向相间定子槽，所述周向相间定子槽以间隔若干个周向相内定子槽的规律分布。
上述技术方案的优点在于，能够提高电机绕组系数并减少端部绕组，使得旋转运动绕组构成的驱动旋转运动的相组集中式绕组的线圈绕制容易并利于实现模块化设计。
作为一种实施方式，定子齿周向宽度与周向相内定子槽宽相等，且均等于周向相间定子槽宽的3/5倍。
上述技术方案的优点在于，能够在物理结构上以三相形式将定子铁心划分成单一相组模块，实现模块化设计。
作为一种实施方式，沿定子铁心内表面的轴向开设的定子槽分为轴向相内定子槽和轴向相间定子槽，所述轴向相间定子槽以间隔若干个轴向相内定子槽的规律分布。
上述技术方案的优点在于，能够提高电机绕组系数并减少端部绕组，使得直线运动绕组构成的驱动旋转运动的相组集中式绕组的线圈绕制容易并利于实现模块化设计。
作为一种实施方式，定子齿轴向宽度与轴向相内定子槽宽相等，且均等于轴向相间定子槽宽的3/5倍。
上述技术方案的优点在于，能够在物理结构上以三相形式将定子铁心划分成单一相组模块，实现模块化设计。
为了解决上述问题，本发明提供一种模块化结构的旋转直线两自由度永磁电机，其结构简单，易于制造，采用相组集中式绕组，提高电机绕组系数并减少端部绕组，反电动势正弦度高，显著提高转矩/推力密度，线圈绕制容易并利于实现模块化设计，易于实现直线运动和旋转运动解耦控制。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种模块化结构的旋转直线两自由度永磁电机，包括：
如上述所述的定子；
动子。
作为一种实施方式，所述动子包括若干个第一永磁块环、第二永磁块环和动子铁轭环；所述第一永磁块环、第二永磁块环和动子铁轭环沿轴向依次交替装配；
所述第一永磁块环和第二永磁块环均由轴向充磁的永磁体块和径向充磁的永磁体块沿圆周依次交替装配而成；所述第一永磁块环上的轴向充磁的永磁体块和第二永磁块环上的轴向充磁的永磁体块的充磁方向相反。
上述技术方案的优点在于，第一永磁块环上的轴向充磁的永磁体块和第二永磁块环上的轴向充磁的永磁体块的充磁方向相反，从而在动子铁轭环上实现了磁通聚合，提高了气隙磁通密度。
作为一种实施方式，所述第一永磁块环的内外径、第二永磁块环的内外径和动子铁轭环的内外径相同；第一永磁块环的轴向长度、第二永磁块环的轴向长度、动子铁轭环的轴向长度、定子齿轴向长度和轴向相内定子槽宽相同。
上述技术方案的优点在于，第一永磁体块环、第二永磁体块环与动子铁轭环结构与轴向定子槽宽相互配合，提高电机绕组系数并减少端部绕组并利于实现模块化设计。
作为一种实施方式，定子齿周向宽度、周向相内定子槽宽与轴向充磁的永磁体块和径向充磁的永磁体块的周向宽度相等。
上述技术方案的优点在于，动子上的永磁体块周向宽度与周向定子槽宽相互配合，提高电机绕组系数并减少端部绕组并利于实现模块化设计。
作为一种实施方式，定子齿轴向宽度、轴向相内定子槽宽与动子铁轭环轴向宽度相等。
本发明的有益效果是：
(1)定子铁心由多个模块化定子铁心单元组成，从而实现模块化结构设计，结构简单，易于制造，提高了材料的利用率。
(2)定子采用相组集中式绕组，提高电机绕组系数并减少端部绕组，反电动势正弦度高，显著提高转矩/推力密度，线圈绕制容易并利于实现模块化设计，易于实现直线运动和旋转运动解耦控制；
(3)直线运动部分采用了轮辐式聚磁永磁电机结构，聚磁作用强，气隙磁通密度大，输出推力大，同时可以采用铁氧体永磁材料，成本低，容错性能好。
(4)旋转部分采用径向内置式永磁电机结构，转矩密度大，控制简单，容错性能好。
(5)旋转运动磁路和直线运动磁路基本独立，磁场耦合程度小，易于独立控制。
(6)动子采用若干永磁块环和铁轭环交替装配组成，结构简单，易于制造。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的模块化结构的旋转直线两自由度永磁电机三维剖视图。
图2是本发明实施例的模块化结构的旋转直线两自由度永磁电机的动子的结构示意图。
图3是本发明实施例的模块化结构的旋转直线两自由度永磁电机的圆周驱动部分示意图。
图4是本发明实施例的模块化结构的旋转直线两自由度永磁电机的直线驱动部分示意图。
图5是本发明实施例的定子铁心模块单元结构示意图。
图6是本发明实施例的定子铁心结构装配的爆炸展示图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
实施例一
本实施例的一种定子，包括定子铁心、旋转运动绕组和直线运动绕组；
所述定子铁心在圆周上由若干个相同的模块化铁心单元以三相形式构成；
沿定子铁心内表面的轴向和周向均同时开设有定子槽，使定子齿呈阵列式分布且均布于各个模块化铁心单元上；
所述旋转运动绕组沿直线运动方向缠绕在沿定子铁心内表面轴向排列的定子齿上，构成驱动旋转运动的相组集中式绕组；所述直线运动绕组沿圆周方向绕制在沿定子铁心内表面周向排列的定子齿上，构成驱动直线运动的相组集中式绕组。
如图3所示，定子铁心1在圆周上由铁心模块单元A、铁心模块单元B、铁心模块单元C、铁心模块单元a、铁心模块单元b、铁心模块单元c以三相形式构成。每个铁心单元模块结构尺寸完全相同，均含有4个定子齿部。旋转运动绕组2采用相组集中式绕组，其中每个线圈分别包绕在铁心模块单元的齿部。包绕于铁心模块单元A上的线圈与包绕于铁心模块单元a上的线圈在电路上串联连接，构成U相-相组线圈；包绕于铁心模块单元B上的线圈与包绕于铁心模块单元b上的线圈在电路上串联连接，构成V相-相组线圈；包绕于铁心模块单元C上的线圈与包绕于铁心模块单元c上的线圈在电路上串联连接，构成W相-相组线圈。所述U、V、W相组线圈构成了驱动旋转运动的相组集中式绕组，减少了端部长度，提高了转矩密度。所述定子铁心1沿周向开的定子槽分为周向相内定子槽和周向相间定子槽。所述周向相间定子槽以间隔若干个周向相内定子槽的规律分布。
如图4所示，定子铁心1在轴向上由铁心模块单元X、铁心模块单元Y、铁心模块单元Z、铁心模块单元x、铁心模块单元y、铁心模块单元z以三相形式构成。每个铁心单元模块结构尺寸完全相同，均含有3个定子齿部。直线运动绕组3采用相组集中式绕组，其中每个线圈分别包绕在各个铁心模块单元的齿部。包绕于铁心模块单元X上的线圈与包绕于铁心模块单元x上的线圈在电路上串联连接，构成U相-相组线圈；包绕于铁心模块单元Y上的线圈与包绕于铁心模块单元y上的线圈在电路上串联连接，构成V相-相组线圈；包绕于铁心模块单元Z上的线圈与包绕于铁心模块单元z上的线圈在电路上串联连接，构成W相-相组线圈。所述U、V、W相组线圈构成了驱动直线运动的相组集中式绕组。所述定子铁心1沿轴向开的定子槽分为轴向相内定子槽和轴向相间定子槽。所述轴向相间定子槽以间隔若干个轴向相内定子槽的规律分布。
本实施例的定子铁心由多个模块化定子铁心单元组成，从而实现模块化结构设计，结构简单，易于制造，提高了材料的利用率；定子采用相组集中式绕组，提高电机绕组系数并减少端部绕组，反电动势正弦度高，显著提高转矩/推力密度，线圈绕制容易并利于实现模块化设计，易于实现直线运动和旋转运动解耦控制；直线运动部分采用了轮辐式聚磁永磁电机结构，聚磁作用强，气隙磁通密度大，输出推力大，同时可以采用铁氧体永磁材料，成本低，容错性能好；旋转部分采用径向内置式永磁电机结构，转矩密度大，控制简单，容错性能好。
实施例二
如图1所示，本实施例的一种模块化结构的旋转直线两自由度永磁电机，包括：
如实施例一所述的定子；
动子。
在具体实施中，定子和动子的铁心部分均可采用SMC软磁材料压铸而成，铁心损耗小。
例如：定子包括定子铁心1、旋转运动绕组2、直线运动绕组3，所述旋转运动绕组和直线运动绕组均采用相组集中式绕组；所述定子铁心1由36块定子铁心模块单元1.1构成。所述定子铁心模块单元1.1如图5所示。
如图4所示，动子上第一永磁块环4、动子铁轭环5和第二永磁块环6在轴向上依次交替装配，通过永磁块环阵列中轮辐式结构的聚磁作用使动子铁轭环5呈现不同极性，提高了气隙磁通密度，从而提高转矩密度。
所述第一永磁块环和第二永磁块环均由52块相同尺寸的永磁体块组合而成。所述动子由第一永磁块环、动子铁轭环和第二永磁块环沿着轴向依次交替装配而成。
具体地，如图2所示，动子的第一永磁块环4分别由径向充磁永磁块7、第一轴向充磁永磁块8、径向充磁永磁块9沿周向依次装配而成。第二永磁块环6与第一永磁块环4区别仅在于第一永磁块环4的第一轴向充磁永磁块8与第二永磁块环6的第二轴向充磁永磁块10的轴向充磁方向相反。第一轴向充磁永磁块8与第二轴向充磁永磁块10充磁方向相反，从而在动子铁轭环5上实现了磁通聚合，提高了气隙磁通密度。
在具体实施中，定子齿周向宽度α、周向相内定子槽宽β、周向相间定子槽宽γ和动子永磁块周向宽度θ满足
Figure BDA0002373984960000091
所述相组集中式绕组与所述铁心模块单元相结合，降低了三相间电磁耦合程度，从而实现磁路的模块化，并提高了绕组系数，提高了转矩密度。动子上的径向充磁永磁块以N-S-N在动子圆周上交替装配，从而实现了构成圆周运动的转子极。定子齿轴向宽度w2、轴向相内定子槽宽w1、轴向相间定子槽宽w3和动子铁轭环轴向宽度w4满足
Figure BDA0002373984960000101
本实施例的旋转运动磁路和直线运动磁路基本独立，磁场耦合程度小，易于独立控制；动子采用若干永磁块环和铁轭环交替装配组成，结构简单，易于制造。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种定子，其特征在于，包括定子铁心、旋转运动绕组和直线运动绕组；
所述定子铁心在圆周上由若干个相同的模块化铁心单元以三相形式构成；
沿定子铁心内表面的轴向和周向均同时开设有定子槽，使定子齿呈阵列式分布且均布于各个模块化铁心单元上；
所述旋转运动绕组沿直线运动方向缠绕在沿定子铁心内表面轴向排列的定子齿上，构成驱动旋转运动的相组集中式绕组；所述直线运动绕组沿圆周方向绕制在沿定子铁心内表面周向排列的定子齿上，构成驱动直线运动的相组集中式绕组。
2.如权利要求1所述的定子，其特征在于，沿定子铁心内表面的周向开设的定子槽分为周向相内定子槽和周向相间定子槽，所述周向相间定子槽以间隔若干个周向相内定子槽的规律分布。
3.如权利要求2所述的定子，其特征在于，定子齿周向宽度与周向相内定子槽宽相等，且均等于周向相间定子槽宽的3/5倍。
4.如权利要求1所述的定子，其特征在于，沿定子铁心内表面的轴向开设的定子槽分为轴向相内定子槽和轴向相间定子槽，所述轴向相间定子槽以间隔若干个轴向相内定子槽的规律分布。
5.如权利要求4所述的定子，其特征在于，定子齿轴向宽度与轴向相内定子槽宽相等，且均等于轴向相间定子槽宽的3/5倍。
6.一种模块化结构的旋转直线两自由度永磁电机，其特征在于，包括：
如权利要求1-5中任一项所述的定子；
动子。
7.如权利要求6所述的模块化结构的旋转直线两自由度永磁电机，其特征在于，所述动子包括若干个第一永磁块环、第二永磁块环和动子铁轭环；所述第一永磁块环、第二永磁块环和动子铁轭环沿轴向依次交替装配；
所述第一永磁块环和第二永磁块环均由轴向充磁的永磁体块和径向充磁的永磁体块沿圆周依次交替装配而成；所述第一永磁块环上的轴向充磁的永磁体块和第二永磁块环上的轴向充磁的永磁体块的充磁方向相反。
8.如权利要求7所述的模块化结构的旋转直线两自由度永磁电机，其特征在于，所述第一永磁块环、第二永磁块环和动子铁轭环的尺寸均相同。
9.如权利要求7所述的模块化结构的旋转直线两自由度永磁电机，其特征在于，定子齿周向宽度、周向相内定子槽宽与轴向充磁的永磁体块和径向充磁的永磁体块的周向宽度相等。
10.如权利要求7所述的模块化结构的旋转直线两自由度永磁电机，其特征在于，定子齿轴向宽度、轴向相内定子槽宽与动子铁轭环轴向宽度相等。
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