CN111555474B - 直线旋转钻进电机 - Google Patents

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Abstract

为了满足钻孔机器人对直线旋转两自由度运动的需求，本发明提出了一种基于U型定子结构的径向磁路直线旋转钻进电机，该电机由定子部分和动子部分组成，定子部分由模块化U型定子(1)和环形绕组(2)组成，环形绕组嵌套在定子轭部，U型定子在轴向交错排列，提高了电机内空间利用率，动子部分由永磁N极(3)、永磁S极(4)、隔磁环(5)和动子(6)组成，永磁极表贴于动子表面，且交替排列，在轴向动子模块之间安装隔磁环，该电机采用同一二维径向磁路实现了直线旋转两自由度运动，将两种不同的工作原理应用到同一个电机结构中，基于电磁感应原理实现了旋转运动，基于横向磁通原理实现了直线运动，该电机具有高转矩/推力密度的特点。

Description

直线旋转钻进电机
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或旋转两自由度运动的电磁设备。
背景技术
钻孔机器人是典型的智能化、无人化技术装备，是我国智能制造行业发展的关键技术之一。广泛应用在矿山开采、煤矿开挖、巷道锚杆等钻孔工程中，然而，目前在钻孔操作时，难以精准地控制钻孔位置或者深度，造成钻孔精度低，严重影响工作效率和经济效益，是钻孔机器人技术研究面临的主要问题。钻孔机器人机械臂的末端驱动机构与两自由度直线旋转电机直接相连，不仅可以提高钻孔速度和精度，而且可以连续钻孔、节省工程时间，提高系统的效率和控制性能，因此，设计高功率密度的两自由度直线旋转电机及其控制系统是解决钻孔机器人设备钻进过程中对两自由度运动需求的关键。
为适应自动化生产的需要，专利“一种用于在线钻孔的装置”(CN 207547677U)是通过同步夹紧机构和同步旋转机构实现了在线钻孔。专利“一种压电冲击式直线旋转马达”(CN 104967358 A)由运动轴、压电驱动器、耦合器等组成，通过控制压电扭转驱动器轴向运动或者扭转运动及耦合器右侧内圆面通过卡环对运动轴施加预压力，实现运动轴的直线或者旋转运动。专利“基于直线电机驱动的可旋转的冲孔钻机”(CN 107503677 A)通过直线电机带动钻头做垂直运动，通过卷扬机的联合作用实现了钻头的旋转。专利“一种可旋转的直线电机驱动的手持电锤”(CN 107363790 A)通过直线电机与钻杆相连，实现了钻头的打孔。
本发明定子部分采用模块化U型定子铁芯和环形绕组结构，定子齿槽和环形绕组在空间上互相垂直，U型定子铁芯交错排列，提高了电机内部空间利用率，各U型定子铁芯间电路、磁路和物理上没有耦合，可以独立分析与控制，从结构上降低了解耦的难度，永磁体N、S极交错排列表贴于动子表面，动子模块之间安装隔磁环，降低了动子漏磁，该电机旋转和直线运动采用同一条二维径向磁路结构，将两种不同的工作原理应用于同一电机结构中，基于电磁感应原理实现旋转运动，主磁路与电机运动方向相同，基于横向磁通原理实现直线运动，但绕组并不切割气隙磁场，主磁路与电机运动方向垂直，环形绕组可在模块装配前进行绕制和安装，简化了加工制造与装配工艺，降低了电机成本。该电机转矩/推力密度高，转矩/推力脉动小，齿槽转矩/直线定位力幅值小，具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供了一种直线旋转钻进电机，该电机齿槽转矩/直线定位力小，转矩/推力密度高，控制简单，可以方便实现直线或旋转运动。
本发明实现发明目的采用如下技术方案：
直线旋转钻进电机，由定子和动子两部分构成，定子由18个U型定子铁芯(1)和环形绕组(2)构成，在周向排列3个U型定子铁芯(1)共同组成一个定子模块，在轴向上依次排列有6个上述定子模块，在轴向上的U型定子铁芯(1)交错排列，各U型定子铁芯(1)之间电路、磁路和物理上没有耦合，上述环形绕组(2)嵌套在上述U型定子铁芯(1)的定子轭部，实现独立分析与控制，定子槽和上述环形绕组(2)在空间上互相垂直，动子由永磁体、动子铁芯(6)和隔磁环(5)构成，永磁体S极(3)、永磁体N极(4)在周向和轴向均交替排列，表贴于动子铁芯(6)表面，轴向排列的永磁体之间安装有隔磁环(5)，该电机通过二维径向磁路结构实现了直线旋转两自由度运动，将两种不同的工作原理应用到同一个电机结构中，基于横向磁通原理实现直线运动，绕组并不切割气隙磁场，主磁路与电机运动方向垂直，基于电磁感应原理实现了旋转运动，主磁路与电机运动方向相同，旋转和直线运动主磁路为同一二维径向磁路结构。
有益效果：
本发明与现有技术相比，其有益效果体现在：电磁和运动解耦问题是实现直线旋转电机两自由度运动的难点，该电机从结构设计和控制两方面实现了两自由度电机的电磁和运动解耦，在结构设计方面，采用了模块化U型定子铁芯结构，各U型定子铁芯间电路、磁路和物理上没有耦合，可以独立分析与控制，从结构和控制的角度降低了解耦的难度，U型定子铁芯交错排列，环形绕组嵌套在定子轭部，提高了电机内部空间利用率，进一步提高了转矩/推力密度，N、S极交替排列的永磁体表贴于动子表面，动子模块之间安装隔磁环，降低了动子的轴向漏磁。
三维电机结构中漏磁问题较为严重，然而此电机采用二维径向磁路结构实现了直线旋转两自由度运动，将电磁感应原理和横向磁通原理应用到一个电机结构中，旋转和直线运动主磁路为同一二维径向磁路，降低了电机内部漏磁，旋转运动时主磁路与电机运动方向相同，直线运动时绕组并不切割气隙磁场，主磁路与电机运动方向垂直，充分利用了电磁感应和横向磁通原理的特点，定动子铁芯采用硅钢片轴向叠加，降低了电机内部的漏磁，各动子模块之间安装隔磁环，降低了动子的轴向漏磁，进一步提高了转矩/推力密度。
此电机结构应用于钻孔机器人领域，提高了系统的集成性，提升了系统的运行效率，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是直线旋转钻进电机结构图。
包含U型定子铁芯(1)、环形绕组(2)、永磁体S极(3)、永磁体N极(4)和隔磁环(5)。
图2是直线旋转钻进电机无绕组结构图。
包含U型定子铁芯(1)、永磁体S极(3)、永磁体N极(4)、隔磁环(5)和动子铁芯(6)。
图3是直线旋转钻进电机动子结构图。
包含永磁体S极(3)、永磁体N极(4)、隔磁环(5)和动子铁芯(6)。
具体实施方式
所述一种直线旋转钻进电机，如图1所示，该电机由U型定子铁芯(1)、环形绕组(2)、永磁体S极(3)、永磁体N极(4)和隔磁环(5)组成，其动子结构如图3所示，由永磁体S极(3)、永磁体N极(4)、隔磁环(5)和动子铁芯(6)组成。
该电机定子部分在周向有3个U型定子铁芯，旋转运动时绕组的控制形式为(A,B,C)(D,E,F)(G,H,I)，在轴向U型定子铁芯交错排列，直线运动时绕组的控制形式为(A,D,G)(B,E,H)(C,F,I)，其绕组排列形式如图2中所示。环形绕组可在模块装配前进行绕制和安装，简化了加工制造与装配工艺，降低了电机成本。在进行运动控制时，根据动子轴向位置的不同，首先确定绕组A的初始相位，然后在双dq动子坐标系下建立其运动方程，实现其九相控制。
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 (1)

1.直线旋转钻进电机，其特征在于：该电机由定子和动子两部分构成，定子由18个U型定子铁芯(1)和环形绕组(2)构成，在周向排列3个U型定子铁芯(1)共同组成一个定子模块，在轴向上依次排列有6个上述定子模块，在轴向上的U型定子铁芯(1)交错排列，各U型定子铁芯(1)之间电路、磁路和物理上没有耦合，上述环形绕组(2)嵌套在上述U型定子铁芯(1)的定子轭部，实现独立分析与控制，定子槽和上述环形绕组(2)在空间上互相垂直，动子由永磁体、动子铁芯(6)和隔磁环(5)构成，永磁体S极(3)、永磁体N极(4)在周向和轴向均交替排列，表贴于动子铁芯(6)表面，轴向排列的永磁体之间安装有隔磁环(5)，该电机通过二维径向磁路结构实现了直线旋转两自由度运动，将两种不同的工作原理应用到同一个电机结构中，基于横向磁通原理实现直线运动，绕组并不切割气隙磁场，主磁路与电机运动方向垂直，基于电磁感应原理实现了旋转运动，主磁路与电机运动方向相同，旋转和直线运动主磁路为同一二维径向磁路结构。
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