CN111786528B - 一种直线旋转音圈电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直线旋转音圈电机，包括机壳、设置在所述机壳内部的定子和动子，定子包括安装于机壳的内壁的直线运动绕组、旋转运动绕组以及铁轭，动子包括支架轴、套设在支架轴上的非导磁橡胶环以及安装在所述非导磁橡胶环上的永磁体，支架轴的轴线方向的两端分别伸出机壳并分别可转动地安装于所述机壳，直线运动绕组、旋转运动绕组以及铁轭各自环设于动子，旋转运动绕组包括绕在所述铁轭上的多匝第一线圈，直线运动绕组包括绕成圆筒形结构的多匝第二线圈。该直线旋转音圈电机旨在解决现有技术中电机难以兼顾两自由度运动且易损坏、易漏磁的技术问题。

Description

一种直线旋转音圈电机
技术领域
本发明属于电机领域，尤其涉及一种直线旋转音圈电机。
背景技术
电机主要包括定子和动子(或动子)，现有技术中多为独立的直线电机或旋转电机，少有能够兼顾着两种运动的电机，而且电机中也易出现漏磁现象，电机中的动子也不能得到很好的保护。因此，随着电机技术的发展，对于其性能更加优越方面的探索和研究，势在必行。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于此，本发明提出了一种直线旋转音圈电机，该直线旋转音圈电机旨在解决现有技术中电机难以兼顾两自由度运动且易损坏、易漏磁的技术问题。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提出了一种直线旋转音圈电机，所述直线旋转音圈电机包括机壳、设置在所述机壳内部的定子和动子，所述定子包括安装于所述机壳的内壁的直线运动绕组、旋转运动绕组以及铁轭，所述动子包括支架轴、套设在所述支架轴上的非导磁橡胶环以及安装在所述非导磁橡胶环上的永磁体，所述支架轴的轴线方向的两端分别伸出所述机壳并分别可转动地安装于所述机壳，所述直线运动绕组、旋转运动绕组以及铁轭各自环设于所述动子，所述旋转运动绕组包括绕在所述铁轭上的多匝第一线圈，每一匝第一线圈所在的平面与所述支架轴的轴线重合，所述直线运动绕组包括绕成圆筒形结构的多匝第二线圈，每一匝第二线圈所在的平面与所述支架轴的轴线垂直。
优选地，所述非导磁橡胶环上具有以180°间隔设置的第一瓦形卡槽和第二瓦形卡槽，所述永磁体包括形状匹配地安装在所述第一瓦形卡槽中的第一瓦形永磁体和形状匹配地安装在所述第二瓦形卡槽中的第二瓦形永磁体。
优选地，所述直线运动绕组在所述旋转运动绕组内侧。
优选地，所述铁轭为两个半圆筒状铁轭组成的圆筒结构。
优选地，所述机壳的一端连接有端盖，所述支架轴的一端可转动地安装于所述端盖并突出于所述端盖作为合成运动输出端。
优选地，所述支架轴的轴线方向的两端分别通过轴承安装于所述机壳。
优选地，所述铁轭沿所述支架轴的轴线方向的一端设置有导磁环。
优选地，所述机壳的内壁设置有用于固定所述直线运动绕组、旋转运动绕组以及铁轭的卡槽。
(三)有益效果
本发明与现有技术对比，本发明直线旋转音圈电机的有益效果包括：
如需电机同时完成直线和旋转运动，则需同时对直线运动绕组和旋转运动绕组通电即可，这两个绕组的通电方向相互垂直、互不干扰，该直线旋转音圈电机可同时实现直线往复运动和360度旋转运动，即可实现两自由度运动。非导磁橡胶环，作为动子防撞环使用，起到隔磁防漏磁和永磁体固定的作用。
本发明未在此处介绍的有益效果将下文合适位置说明。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明实施方式的直线旋转音圈电机的立体图；
图2为本发明实施方式的直线旋转音圈电机的立体剖视图；
图3为本发明实施方式的直线运动绕组的立体图；
图4为本发明实施方式的旋转运动绕组的立体图；
图5为本发明实施方式的动子的立体图；
图6为本发明实施方式的非导磁橡胶环的立体图。
附图标记说明：
1-机壳、2-铁轭、3-支架轴、4-非导磁橡胶环、5-第一线圈、6-第二线圈、7-第一瓦形永磁体、8-第二瓦形永磁体、9-端盖、10-轴承、11-导磁环、31-输出端、41-第一瓦形卡槽、42-第二瓦形卡槽。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，也可以是“传动连接”，即通过带传动、齿轮传动或链轮传动等各种合适的方式进行动力连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参见图1至图6，本发明提供一种直线旋转音圈电机，直线旋转音圈电机包括机壳1、设置在机壳1内部的定子和动子，定子包括安装于机壳1的内壁的直线运动绕组、旋转运动绕组以及铁轭2，动子包括支架轴3、套设在支架轴3上的非导磁橡胶环4以及安装在非导磁橡胶环4上的永磁体，支架轴3的轴线方向的两端分别伸出机壳1并分别可转动地安装于机壳1，直线运动绕组、旋转运动绕组以及铁轭2各自环设于动子，旋转运动绕组包括绕在铁轭2上的多匝第一线圈5，每一匝第一线圈5所在的平面与支架轴3的轴线重合，直线运动绕组包括绕成圆筒形结构的多匝第二线圈6，每一匝第二线圈6所在的平面与支架轴3的轴线垂直，支架轴3优选采用铁磁材料，起到支撑永磁体和辅助磁力线闭合的作用，但本发明不限于此。
该直线旋转音圈电机为动磁钢型，运动过程中无电缆拖动，避免了因电缆缠绕问题而导致的无法360度旋转的问题，同时从根本上解决了由于电缆拖动带来的精度损失和可靠性问题，适用于多维精密运动平台。直线运动与旋转运动共用同一磁场，却又可完全解耦，避免了电机运行中直线运动磁场和旋转运动磁场的相互影响。
根据本发明的具体实施方式，非导磁橡胶环4上具有以180°间隔设置的第一瓦形卡槽41和第二瓦形卡槽42，永磁体包括形状匹配地安装在第一瓦形卡槽41中的第一瓦形永磁体7和形状匹配地安装在第二瓦形卡槽42中的第二瓦形永磁体8，形状匹配是指瓦形永磁体安装于瓦形卡槽时，二者弧形朝向一致，两块瓦形永磁体励磁方向相同，暂设为由动子指向定子的方向为充磁方向，为电机的励磁源，这里虽然给出的是以180°间隔设置的第一瓦形卡槽41和第二瓦形卡槽42并匹配两个永磁体的具体方案，但是本发明并不限于这种方案，如有需要，适当地调整永磁体的数量也是可以的，各种合适的变化方案都将落入本发明的保护范围。
根据本发明的具体实施方式，直线运动绕组在旋转运动绕组内侧。铁轭2为两个半圆筒状铁轭组成的圆筒结构(图4仅显示了一个半圆筒状铁轭)。机壳1的内壁设置有用于固定直线运动绕组、旋转运动绕组以及铁轭2的卡槽(未图示，但很好理解)，当然，采用其他合适的连接方式将直线运动绕组、旋转运动绕组以及铁轭2固定于机壳1的内壁也是可以的。机壳1的一端连接有端盖9，支架轴3的一端可转动地安装于端盖9并突出于端盖9作为合成运动输出端31。支架轴3的轴线方向的两端分别通过轴承10安装于机壳1。当然，这些特定结构设计可以根据需要进行酌情变化，合理的变化方案都将落入本发明的保护范围。
根据本发明的优选实施方式，铁轭2沿支架轴3的轴线方向的一端设置有导磁环11，该电机的磁力线通过该导磁环11闭合，使得电机内磁场分布均匀。
该直线旋转音圈电机具体工作原理如下：
首先，直线运动的生成：动子中布置了两块永磁体，这两块永磁体极性相同，暂设为由动子指向定子的方向为充磁方向。如图3所示，直线运动绕组内的单匝导线成圆圈状，当通入顺时针方向的直流电流时，根据洛伦兹力原理F＝BIL可知，通电导线受到垂直纸面向外的力。由于直线运动绕组是固定在机壳1上的，而力的作用是相互的，故动子(次级永磁体侧)受到垂直纸面向内的力，在该力的作用下，动子进行直线运动。
直线运动的行进与定位，是通过控制直线运动线圈内电流的通断与方向来实现的。电机次级永磁体励磁磁场垂直于绕组内电流方向，根据右手螺旋定则，磁场与直流电流相互作用所产生的洛伦兹力既垂直于磁力线又垂直于直线绕组有效边。当绕组内通入一定量的直流电流时，直线运动绕组受到一个恒定的洛伦兹力；当绕组内通入的直流电流大小变化时，直线运动绕组所受洛伦兹力变化；当绕组内通入的直流电流方向改变时，直线运动绕组所受洛伦兹力的方向改变，则绕组向相反方向运动；当绕组内不通电时，直线运动绕组不受力，其静止不动。
然后，旋转运动的生成。整个旋转绕组由两个图4所示旋转线圈及其铁轭2组成，其铁轭2中的导磁环起到引导磁力线闭合的作用。旋转运动绕组的每一匝线圈均只有一个线圈边处于次级永磁体励磁产生的磁场中，而绕到铁心外侧的线圈边仅起到导线闭合作用。假设旋转运动绕组通入垂直纸面向内的直流电流，而永磁体励磁方向依然是由动子指向定子的方向，根据洛伦兹力原理F＝BIL可知，每匝处于铁心内侧的线圈边均受到一个顺时针方向的力。由于旋转运动绕组是固定在机壳1上的，而力的作用是相互的，故动子(次级永磁体侧)受到逆时针的力，在该力的作用下，动子进行旋转运动。
旋转运动的行进与定位，是通过控制旋转运动线圈内电流的通断与方向来实现的。电机次级永磁体励磁磁场垂直于绕组内电流方向，根据右手螺旋定则，磁场与直流电流相互作用所产生的洛伦兹力既垂直于磁力线又垂直于旋转运动绕组有效边。当绕组内通入一定量的直流电流时，旋转运动绕组受到一个恒定的洛伦兹力；当绕组内通入的直流电流大小变化时，旋转运动绕组所受洛伦兹力变化；当绕组内通入的直流电流方向改变时，旋转运动绕组所受洛伦兹力的方向改变，则绕组向相反方向转动；当绕组内不通电时，旋转运动绕组不受力，其静止不动。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (7)

1.一种直线旋转音圈电机，其特征在于，所述直线旋转音圈电机包括机壳、设置在所述机壳内部的定子和动子，所述定子包括安装于所述机壳的内壁的直线运动绕组、旋转运动绕组以及铁轭，所述动子包括支架轴、套设在所述支架轴上的非导磁橡胶环以及安装在所述非导磁橡胶环上的永磁体，所述支架轴的轴线方向的两端分别伸出所述机壳并分别可转动地安装于所述机壳，所述直线运动绕组、旋转运动绕组以及铁轭各自环设于所述动子，所述旋转运动绕组包括绕在所述铁轭上的多匝第一线圈，每一匝第一线圈所在的平面与所述支架轴的轴线重合，所述直线运动绕组包括绕成圆筒形结构的多匝第二线圈，每一匝第二线圈所在的平面与所述支架轴的轴线垂直；所述非导磁橡胶环上具有以180°间隔设置的第一瓦形卡槽和第二瓦形卡槽，所述永磁体包括形状匹配地安装在所述第一瓦形卡槽中的第一瓦形永磁体和形状匹配地安装在所述第二瓦形卡槽中的第二瓦形永磁体。
2.根据权利要求1所述的直线旋转音圈电机，其特征在于，所述直线运动绕组在所述旋转运动绕组内侧。
3.根据权利要求1所述的直线旋转音圈电机，其特征在于，所述铁轭为两个半圆筒状铁轭组成的圆筒结构。
4.根据权利要求1所述的直线旋转音圈电机，其特征在于，所述机壳的一端连接有端盖，所述支架轴的一端可转动地安装于所述端盖并突出于所述端盖作为合成运动输出端。
5.根据权利要求1所述的直线旋转音圈电机，其特征在于，所述支架轴的轴线方向的两端分别通过轴承安装于所述机壳。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的直线旋转音圈电机，其特征在于，所述铁轭沿所述支架轴的轴线方向的一端设置有导磁环。
7.根据权利要求1至5中任意一项所述的直线旋转音圈电机，其特征在于，所述机壳的内壁设置有用于固定所述直线运动绕组、旋转运动绕组以及铁轭的卡槽。
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