CN113794347B - 一种直线摆动电机 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种直线摆动电机，包括：定子和动子，其中，所述定子包括：磁轭和两个电枢线圈，其中，所述两个电枢线圈的缠绕方向相互垂直；所述动子包括：法向充磁的永磁体，所述永磁体的空间位置在所述两个电枢线圈之间；其中，所述动子的运动情况由所述两个电枢线圈中的直流电的属性确定，所述运动情况包括：进行直线运动的情况和进行摆动运动的情况。通过本申请解决了现有技术中直线摆动电机结构比较复杂或者控制难度大的问题，从而提供了一种结构相对简单并且容易控制的直线摆动电机。

Description

一种直线摆动电机
技术领域
本申请涉及到电机领域，具体而言，涉及一种直线摆动电机。
背景技术
在现有技术中，电机分为直线电机和摆动电机，这两种电机分别用于进行直线运动和摆动运动。随着需求的发展，需要一个电机能够进行直线运动也能够进行摆动运动。在这种情况下，就出现了直线摆动电机，现有技术中的直线摆动电机的结构比较复杂，并且难以控制。
发明内容
本申请实施例提供了一种直线摆动电机，以至少解决现有技术中直线摆动电机结构比较复杂或者控制难度大的问题。
根据本申请的一个方面，提供了一种直线摆动电机，包括：定子和动子，其中，所述定子包括：磁轭和两个电枢线圈，其中，所述两个电枢线圈的缠绕方向相互垂直；所述动子包括：法向充磁的永磁体，所述永磁体的空间位置在所述两个电枢线圈之间；其中，所述动子的运动情况由所述两个电枢线圈中的直流电的属性确定，所述运动情况包括：进行直线运动的情况和进行摆动运动的情况。
进一步地，所述磁轭包括上板和下板，所述上板所在的平面和所述下板所在的平面相互平行，所述两个电枢线圈中的一个缠绕在所述上板上，所述两个电枢线圈中的另一个缠绕在所述下板上，所述上板和所述下板之间存在空间，所述永磁体设置在所述上板和所述下板之间的所述空间中。
进一步地，所述上板和所述下板中的至少一个部分是连接的。
进一步地，所述上板和所述下板的连接部分相对于所述上板和所述下板所在的平面成预定角度倾斜。
进一步地，所述磁轭为非晶磁轭，所述磁轭的所述上板、所述下板以及所述连接部分为一个整体。
进一步地，所述非晶磁轭的磁通导向性为预先设置的，所述磁通导向性的路径的形状与所述上板、所述下板和所述连接部构成的整体的形状相对应。
进一步地，还包括：动子支架，所述动子支架的一端设置有所述动子，所述动子支架的另一端为运动输出端。
进一步地，所述运动输出端与转接板通过轴承连接，所述运动输出端通过所述轴承在所述转接板上进行摆动运动。
进一步地，所述转接板与直线滑块连接，所述转接板在所述运动输出端的带动下，带动所述直线滑块在直线滑轨上做直线运动。
进一步地，所述动子支架还包括动子支架臂，其中，所述动子支架臂一端连接所述动子，另一个端连接所述运动输出端。
在本申请实施例中，采用了定子和动子，其中，所述定子包括：磁轭和两个电枢线圈，其中，所述两个电枢线圈的缠绕方向相互垂直；所述动子包括：法向充磁的永磁体，所述永磁体的空间位置在所述两个电枢线圈之间；其中，所述动子的运动情况由所述两个电枢线圈中的直流电的属性确定，所述运动情况包括：进行直线运动的情况和进行摆动运动的情况。通过本申请解决了现有技术中直线摆动电机结构比较复杂或者控制难度大的问题，从而提供了一种结构相对简单并且容易控制的直线摆动电机。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1a是根据本申请实施例的采用软磁非晶材料为定子磁轭的直线摆动电机三维结构示意图一；
图1b是根据本申请实施例的采用软磁非晶材料为定子磁轭的直线摆动电机三维结构示意图二；
图2是根据本申请实施例的采用软磁非晶材料为定子磁轭的直线摆动电机定子三维结构示意图；
图3是根据本申请实施例的采用软磁非晶材料为定子磁轭的直线摆动电机定子磁轭及磁力线路径示意图；
图4是根据本申请实施例的采用软磁非晶材料为定子磁轭的直线摆动电机动子三维结构示意图；
图5是根据本申请实施例的动子支架结构示意图；
图6是根据本申请实施例的电机底座三维结构示意图。
附图标号如下：1非晶磁轭、2电枢线圈、3电机底座、4动子支架、5直线摆动运动输出端、6轴承/滑块转接板、7直线滑块、8直线导轨、9永磁体、10精密轴承、11防撞胶条、12动子/轴承连接杆、13动子支架臂。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
在本实施例中提供了一种直线摆动电机，包括：定子和动子，其中，所述定子包括：磁轭和两个电枢线圈，其中，所述两个电枢线圈的缠绕方向相互垂直；所述动子包括：法向充磁的永磁体，所述永磁体的空间位置在所述两个电枢线圈之间；其中，所述动子的运动情况由所述两个电枢线圈中的直流电的属性确定，所述运动情况包括：进行直线运动的情况和进行摆动运动的情况。
电枢线圈可以设置在磁轭上，在一个可选的实施方式中，所述磁轭可以包括上板和下板，所述上板所在的平面和所述下板所在的平面相互平行，所述两个电枢线圈中的一个缠绕在所述上板上，所述两个电枢线圈中的另一个缠绕在所述下板上，所述上板和所述下板之间存在空间，所述永磁体设置在所述上板和所述下板之间的所述空间中。在一个可选的方式中，可以使相互垂直的磁力线有效连接，此时，所述上板和所述下板中的至少一个部分是连接的。例如，所述上板和所述下板的连接部分相对于所述上板和所述下板所在的平面成预定角度倾斜。
磁轭的类型可以由很多种，在一个比较优的方式中，所述磁轭可以为非晶磁轭，所述磁轭的所述上板、所述下板以及所述连接部分为一个整体。该可选实施方式中，利用了所述非晶磁轭的磁通导向性可以预先设置的特性，例如，所述磁通导向性的路径的形状与所述上板、所述下板和所述连接部构成的整体的形状相对应。
为了更好的进行运动输出，在一个可选的方式中，还可以包括：动子支架，所述动子支架的一端设置有所述动子，所述动子支架的另一端为运动输出端。实现摆动运动时，可以采用如下结构：所述运动输出端与转接板通过轴承连接，所述运动输出端通过所述轴承在所述转接板上进行摆动运动。实现直线运动时，可以采用如下结构：所述转接板与直线滑块连接，所述转接板在所述运动输出端的带动下，带动所述直线滑块在直线滑轨上做直线运动。在另一个实施方式中，所述动子支架还可以包括动子支架臂，其中，所述动子支架臂一端连接所述动子，另一个端连接所述运动输出端。
下面结合附图对一个可选实施例进行说明。图1a是根据本申请实施例的采用软磁非晶材料为定子磁轭的直线摆动电机三维结构示意图一，图1b是根据本申请实施例的采用软磁非晶材料为定子磁轭的直线摆动电机三维结构示意图二，图2是根据本申请实施例的采用软磁非晶材料为定子磁轭的直线摆动电机定子三维结构示意图，图3是根据本申请实施例的采用软磁非晶材料为定子磁轭的直线摆动电机定子磁轭及磁力线路径示意图，图4是根据本申请实施例的采用软磁非晶材料为定子磁轭的直线摆动电机动子三维结构示意图，图5是根据本申请实施例的动子支架结构示意图，图6是根据本申请实施例的电机底座三维结构示意图。如图1至6所示，本实施例包括：非晶磁轭1、电枢线圈2、电机底座3、动子支架4、直线摆动运动输出端5、轴承/滑块转接板6、直线滑块7、直线导轨8、永磁体9、精密轴承10、防撞胶条11、动子/轴承连接杆12、动子支架臂13。电机底座用于支撑电机定子、电机动子、动子支架以及动子轴承和直线导轨。直线摆动电机的定子由非晶磁轭和两个电枢线圈组成，并固定在电机底座上。直线摆动电机的动子由一块永磁体、动子支架及防撞胶条组成，通过低摩擦的精密轴承固定在精密直线滑块上以保证直线/摆动运动的顺滑，直线导轨规定在电机底座上。电机利用洛伦兹力驱动电机动子运动，整个直线摆动运动的合成输出端设置在电机动子支架一端，与精密轴承轴心位置一致。
下面对本实施例涉及到的原理进行说明。
直线运动的生成。定子磁轭的上板和下板各缠绕两个方向相互垂直的电枢线圈，动子中设置了一块法向充磁(图1a中的y方向)的永磁体。当两个线圈内通入相匹配的直流电流时，根据洛伦兹力原理F＝BIL可知，两个线圈收到相应的电磁力，由于线圈固定而根据牛顿第三定律“力的作用是相互的”，设有永磁体的电机动子将受到这两个力的反作用力。由于两个线圈电流是相匹配的，该两个反作用力的合成力方向正好沿直线导轨方向，在该合成力的作用下，动子进行直线运动。
直线运动的行进与定位，是通过控制两个电枢线圈内直流电的通断、幅值和方向来实现的。电机次级永磁体励磁磁场垂直于线圈导线内电流方向，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线圈导线有效边。假设动子中的法向充磁(图1a中的y方向)的永磁体的充磁方向为y轴正方向，以图1a所示情况为例，当磁轭上板所绕线圈含有N1匝导线，且通入幅值为I1的顺时针直流电路(在x-y截面上沿z轴正方向看过去)，根据洛伦兹力定律，该线圈所受洛伦兹力方向为z轴正方向，由于线圈固定，根据牛顿第三定律，永磁受到的反作用力F1方向为z轴反方向。当磁轭下板所绕线圈含有N2匝导线，且通入幅值为I2的顺时针直流电路(在z-y截面上沿x轴正方向看过去)，根据洛伦兹力定律，该线圈所受洛伦兹力方向为x轴反方向，由于线圈固定，根据牛顿第三定律，永磁受到的反作用力F2方向为x轴正方向。当N1I1，N2I2以及永磁体的x轴长度和z轴长度想匹配时，作用在永磁体上的F1和F2的合力即可为沿直线导轨向左的方向，在该合力作用下，电机动子将做沿直线导轨向左的直线运动。当绕组内通入的直流电流大小变化时，作用在在永磁体上的F1、F2及其合力大小变化，进而使得动子的直线运动加速度和速度变化。当绕组内通入的直流电流方向改变时，作用在在永磁体上的F1、F2及其合力方向改变，进而使得动子的直线运动方向改变。当绕组内不通电时，作用在在永磁体上的F1、F2及其合力为0，动子静止不动。
然后，摆动运动的生成同样是由定子磁轭的上板和下板各缠绕两个方向相互垂直的电枢线圈通电而完成的。当两个线圈内通入相匹配的直流电流时，根据洛伦兹力原理F＝BIL可知，两个线圈收到相应的电磁力，由于线圈固定而根据牛顿第三定律“力的作用是相互的”，设有永磁体的电机动子将受到这两个力的反作用力。由于两个线圈电流是相匹配的，该两个反作用力的合成力方向正好是垂直动子支架臂(图5中的13)的方向。动子支架(图1中的4)经由设置在动子支架上的动子/轴承连接杆(图5中的12)与精密轴承(图4中的10)相连，而精密轴承经由轴承/滑块转接板(图1中的6)固定在直线滑块(图1中的7)上。因此，在该垂直动子支架臂(图5中的13)的合成力的作用下，动子进行摆动运动。
摆动运动的行进与定位，是通过控制两个电枢线圈内直流电的通断、幅值和方向来实现的。电机次级永磁体励磁磁场垂直于线圈导线内电流方向，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线圈导线有效边。假设动子中的法向充磁(图1a中的y方向)的永磁体的充磁方向为y轴正方向，以图1a所示情况为例，当磁轭上板所绕线圈含有N1匝导线，且通入幅值为I1的顺时针直流电路(在x-y截面上沿z轴正方向看过去)，根据洛伦兹力定律，该线圈所受洛伦兹力方向为z轴正方向，由于线圈固定，根据牛顿第三定律，永磁受到的反作用力F1方向为z轴反方向。当磁轭下板所绕线圈含有N2匝导线，且通入幅值为I2的逆时针直流电路(在z-y截面上沿x轴正方向看过去)，根据洛伦兹力定律，该线圈所受洛伦兹力方向为x轴正方向，由于线圈固定，根据牛顿第三定律，永磁受到的反作用力F2方向为x轴反方向。当N1I1，N2I2以及永磁体的x轴长度和z轴长度想匹配时，作用在永磁体上的F1和F2的合力即可为垂直动子支架臂且指向纸面外的方向，在该合力作用下，电机动子将做沿垂直动子支架臂且指向纸面外的摆动运动。当绕组内通入的直流电流大小变化时，作用在在永磁体上的F1、F2及其合力大小变化，进而使得动子的摆动运动加速度和速度变化。当绕组内通入的直流电流方向改变时，作用在在永磁体上的F1、F2及其合力方向改变，进而使得动子的摆动运动方向改变。当绕组内不通电时，作用在在永磁体上的F1、F2及其合力为0，动子静止不动。
电机定子由非晶磁轭和两个电枢线圈组成。非晶材料在加工过程中可根据电机磁路要求设置磁通导向性，当采用图3所示的磁轭结构且根据图3中虚线所示路径设置非晶材料的磁通导向性时，将极大地降低该电机的损害，提高电机工作效率。
电机动子由三钟部件组成：一块永磁体、动子支架及防撞胶条。动子支架采用非导磁的轻质金属材料，起到支撑固定永磁体的作用。防撞胶条采用非导磁的橡胶材质，作为动子防撞环使用。
如需电机同时完成直线和摆动运动，则需通过计算，对两个电枢线圈内直流电的大小和方向同时进行调整和控制，即可生成直线摆动运动。这两个电枢线圈的通电方向相互垂直、互不干扰。
在本实施例中，该直线摆动电机采用软磁非晶材料为电机电枢磁轭，非晶材料在加工过程中可根据电机磁路要求设置磁通导向性，降低损耗，进而达到节能省电的效果。该直线摆动电机提出了一种新型的非晶磁轭结构。磁轭上板和下板缠绕线圈的方向是相互垂直的，即上板和下板中磁力线方向是相互垂直的。上板和下板间的连接部分是斜的，实现了上下板中相互垂直的磁力线的有效连接。整个非晶磁轭是一个整体，该结构实现了直线摆动电机磁路一体化。该直线摆动电机动子仅由一块永磁体(法向充磁，图1a中的y方向)和轻质不导磁支架构成，运动惯量小，结构简单，适用于多维精密运动系统；大多数直线摆动电机，只能单独直线运动或单独旋转运动，本实施例中的直线摆动电机可实现直线运动与摆动运动同时进行；直线运动与摆动运动共用同一磁场，两种运动过程中两个线圈均需通电，仅通电幅值不同，解耦控制方便，极大地提高了电机运行中直线运动和摆动运动的精度；该电机采用精密轴承和直线导轨相结合的方式为电机动子提供支撑，同时也可采用磁浮或气浮方式提供支撑。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种直线摆动电机，其特征在于，包括：定子和动子，其中，
所述定子包括：磁轭和两个电枢线圈，其中，所述两个电枢线圈的缠绕方向相互垂直；
所述动子包括：法向充磁的永磁体，所述永磁体的空间位置在所述两个电枢线圈之间；其中，所述动子的运动情况由所述两个电枢线圈中的直流电的属性确定，所述运动情况包括：进行直线运动的情况和进行摆动运动的情况；
所述磁轭包括上板和下板，所述上板所在的平面和所述下板所在的平面相互平行，所述两个电枢线圈中的一个缠绕在所述上板上，所述两个电枢线圈中的另一个缠绕在所述下板上，所述上板和所述下板之间存在空间，所述永磁体设置在所述上板和所述下板之间的所述空间中；
所述上板和所述下板中的至少一个部分是连接的；
所述上板和所述下板的连接部分相对于所述上板和所述下板所在的平面成预定角度倾斜；其中，所述磁轭的上板和下板缠绕线圈的方向是相互垂直的，上板和下板间的连接部分是斜的，实现了上板和下板中相互垂直的磁力线的有效连接。
2.根据权利要求1所述的直线摆动电机，其特征在于，所述磁轭为非晶磁轭，所述磁轭的所述上板、所述下板以及所述连接部分为一个整体。
3.根据权利要求2所述的直线摆动电机，其特征在于，所述非晶磁轭的磁通导向性为预先设置的，所述磁通导向性的路径的形状与所述上板、所述下板和所述连接部构成的整体的形状相对应。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的直线摆动电机，其特征在于，还包括：
动子支架，所述动子支架的一端设置有所述动子，所述动子支架的另一端为运动输出端。
5.根据权利要求4所述的直线摆动电机，其特征在于，所述运动输出端与转接板通过轴承连接，所述运动输出端通过所述轴承在所述转接板上进行摆动运动。
6.根据权利要求5所述的直线摆动电机，其特征在于，所述转接板与直线滑块连接，所述转接板在所述运动输出端的带动下，带动所述直线滑块在直线滑轨上做直线运动。
7.根据权利要求4所述的直线摆动电机，其特征在于，所述动子支架还包括动子支架臂，其中，所述动子支架臂一端连接所述动子，另一个端连接所述运动输出端。
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