CN114583880B - 定子永磁型绕组混合励磁两自由度电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及两自由度电机技术，用于解决两自由度电机无法实现锁轴以及维持单一运动状态时抗干扰能力差的问题，具体为定子永磁型绕组混合励磁两自由度电机；本发明中在使用混合励磁两自由度电机时，可以根据所需要的运动状态，控制旋转锁轴机构与直线锁轴机构的启闭，来对电机中心轴的某一方向上的运动进行锁定，避免电机以及电机输出轴在运行时受到惯性、摩擦等影响发生意外运动，提高了电机运行稳定性与准确性，同时锁轴机构中的卡块均是通过电磁铁进行控制，卡块响应速度块，保证了混合励磁两自由度电机的运动状态切换速度，使得混合励磁两自由度电机能够具有更灵活的使用场景。

Description

定子永磁型绕组混合励磁两自由度电机

技术领域

本发明涉及两自由度电机技术，具体为定子永磁型绕组混合励磁两自由度电机。

背景技术

在现实生活中两自由度运动装置随处可见，例如，螺旋钻床、螺旋压缩机等装置，都需要驱动轴做两自由度运动，现有两自由度运动装置主要采用多台电机配合的方式，这种方式存在控制方法复杂、机械传动装置价格昂贵、机械磨损严重等缺点，目前，两自由度电机主要分为感应型、开关磁阻型和永磁型，与感应型和开关磁阻型两自由度电机相比，永磁型两自由度电机具有功率密度高的优点，引起了众多学者的研究；

两自由度电机在使用过程中往往都是适用于复杂的运动控制装置上，而现有的两自由度电机为了保持电机主轴的灵活性，往往没有高强度的自锁功能，从而使得两自由度电机在处于某一个运动方向时，无法保证主轴在另一方向不发生运动，也就无法实现对运动的精确控制，限制了两自由度电机的使用范围，降低了使用效果，同时若在主轴外部增加其他锁轴机构，又增加了装置体积，与两自由度运动装置的初衷相悖，不利于使用；

针对上述技术问题，本申请提出一种解决方案。

发明内容

本发明在使用混合励磁两自由度电机时，可以根据所需要的运动状态，控制旋转锁轴机构与直线锁轴机构的启闭，来对电机中心轴的某一方向上的运动进行锁定，避免电机以及电机输出轴在运行时受到惯性、摩擦等影响发生意外运动，提高了电机运行稳定性与准确性，同时锁轴机构中的卡块均是通过电磁铁进行控制，卡块响应速度块，保证了混合励磁两自由度电机的运动状态切换速度，使得混合励磁两自由度电机能够具有更灵活的使用场景，解决了两自由度电机无法实现锁轴以及维持单一运动状态时抗干扰能力差的问题，而提出定子永磁型绕组混合励磁两自由度电机。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

定子永磁型绕组混合励磁两自由度电机，包括外壳，所述外壳内部固定连接有旋转定子铁芯，所述外壳中心处固定连接有直线定子铁芯，所述直线定子铁芯外壁开设有多组凹槽，所述直线定子铁芯与旋转定子铁芯之间活动设置有中心轴，所述中心轴一端贯穿外壳前端，所述外壳前端设置有旋转锁轴机构；

所述旋转锁轴机构包括有旋转锁轴壳、旋转电磁铁、旋转磁体、旋转卡块和旋转弹簧，所述旋转锁轴壳一端固定连接在外壳内部，所述旋转锁轴壳内部靠近外壳的一端固定安装有旋转电磁铁，所述旋转电磁铁外壁设置有绝缘层，所述旋转锁轴壳顶端滑动连接有旋转卡块，所述旋转卡块底部固定连接有旋转磁体，所述旋转磁体与旋转电磁铁之间设置有旋转弹簧，所述旋转弹簧两端分别连接在旋转磁体下表面与旋转电磁铁上表面，所述中心轴外壁开设有滑槽，所述旋转锁轴机构在外壳内部呈环形分布，所述滑槽与旋转锁轴机构一一对应。

作为本发明的一种优选实施方式，所述外壳尾端设置有直线锁轴机构，所述直线锁轴机构包括有直线弹簧、直线电磁铁、直线卡块、直线磁铁和直线锁轴壳，所述直线锁轴壳底部固定连接在外壳内壁，所述直线电磁铁固定连接在直线锁轴壳内部，所述直线锁轴壳前端滑动连接有直线卡块，所述直线卡块底端固定连接有直线磁铁，所述直线弹簧两端连接在直线电磁铁与直线磁铁之间，所述中心轴靠近直线锁轴机构的一端固定连接有连接轴，所述连接轴中部开设有凹槽，所述直线卡块滑动连接在凹槽内部。

作为本发明的一种优选实施方式，所述外壳靠近滑槽的一端转动连接有轴承座，所述中心轴转动连接在轴承座内部，所述轴承座外侧固定安装有卡环，所述中心轴外壁套接有密封座，所述密封座靠近轴承座的一侧开设有转动槽，所述转动槽卡合连接在卡环外部。

作为本发明的一种优选实施方式，所述中心轴外部设置有多组直线形凸起，该凸起沿中心轴轴向设置，所述中心轴内壁设置有多组环形凸起，该凸起位于直线定子铁芯中凹槽的外侧。

作为本发明的一种优选实施方式，所述旋转卡块横截面呈梯形，所述旋转锁轴壳前端出口直径收缩，且旋转锁轴壳最前端内径小于旋转卡块最底端直径。

作为本发明的一种优选实施方式，所述直线卡块横截面呈弧状结构，所述直线卡块贴合在中心轴外壁，两组所述直线锁轴机构对称设置在中心轴两侧。

作为本发明的一种优选实施方式，所述密封座内部固定安装有凸块，该凸块与滑槽数量相同，且该凸块滑动连接在滑槽内部，所述卡环呈环状，且卡环顶部两侧向外凸出。

作为本发明的一种优选实施方式，所述混合励磁两自由度电机使用方法包括如下步骤：

步骤一：混合励磁两自由度电机在转动时，通过旋转定子铁芯来控制中心轴的旋转运动，通过直线定子铁芯来控制中心轴的直线运动；

步骤二：当混合励磁两自由度电机在仅直线运动时，旋转锁轴机构中的旋转卡块伸出，卡入滑槽中，限制中心轴的旋转，同时直线卡块收缩回直线锁轴壳中，实现对中心轴的锁定，使得中心轴仅能做直线运动；

步骤三：当混合励磁两自由度电机在仅旋转运动时，直线锁轴机构中的直线卡块伸出，卡接在连接轴上的凹槽中，同时旋转卡块收缩进旋转锁轴壳中，使得中心轴仅能进行旋转运动；

步骤四：当混合励磁两自由度电机做螺旋运动时，直线锁轴机构中的直线卡块与旋转锁轴机构中的旋转卡块同时收缩，使得混合励磁两自由度电机的中心轴可以同时进行旋转与直线运动，实现中心轴的螺旋运动；

步骤五：在混合励磁两自由度电机停止工作时，直线卡块与旋转卡块同时收缩回直线锁轴壳及旋转锁轴壳中，实现中心轴的固定，避免中心轴意外转动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中，在使用混合励磁两自由度电机时，可以根据所需要的运动状态，控制旋转锁轴机构与直线锁轴机构的启闭，来对电机中心轴的某一方向上的运动进行锁定，避免电机以及电机输出轴在运行时受到惯性、摩擦等影响发生意外运动，保证了电机在直线运动时不会发生转动，而在转动时不会发生直线运动，提高了电机运行稳定性与准确性。

2、本发明中，锁轴机构中的卡块均是通过电磁铁进行控制，卡块响应速度块，作用准确，能够加快电机中心轴运动状态改变所需要的时间，使得混合励磁两自由度电机能够具有更灵活的使用场景，保证了混合励磁两自由度电机的运动状态切换速度。

3、本发明中，中心轴外有轴承座与密封座的复合结构，既保证了中心轴在运动时能够受到较小的摩擦力，又能够有效地防止灰尘从滑槽中进入电机内部，减少了混合励磁两自由度电机的维护检修次数，增加电机的使用寿命。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的结构主视示意图；

图2为本发明的剖视图结构示意图；

图3为本发明的尾端结构示意图；

图4为本发明的直线锁轴机构结构示意图；

图5为本发明的侧视结构示意图；

图6为本发明图5中A处放大结构示意图；

图7为本发明的密封座结构示意图；

图8为本发明的密封座与轴承座连接结构示意图；

图9为本发明的卡环结构示意图。

图中：1、外壳；2、中心轴；3、旋转定子铁芯；4、直线定子铁芯；5、滑槽；6、旋转锁轴机构；601、旋转锁轴壳；7、旋转电磁铁；8、旋转磁体；9、旋转卡块；10、旋转弹簧；11、直线锁轴机构；12、直线弹簧；13、直线电磁铁；14、连接轴；15、直线卡块；16、直线磁铁；17、密封座；18、轴承座；19、卡环；20、转动槽；21、直线锁轴壳。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

请参阅图1－图3所示，定子永磁型绕组混合励磁两自由度电机，包括外壳1，外壳1内部固定连接有旋转定子铁芯3，中心轴2外部设置有多组直线形凸起，该凸起沿中心轴2轴向设置，旋转定子铁芯3能够产生旋转磁场，经过中心轴2外部的凸起闭合，外壳1中心处固定连接有直线定子铁芯4，中心轴2内壁设置有多组环形凸起，该凸起位于直线定子铁芯4中凹槽的外侧，直线定子铁芯4能够产生行波磁场，行波磁场经过中心轴2内侧的凸起形成闭合回路，直线定子铁芯4外壁开设有多组凹槽，直线定子铁芯4与旋转定子铁芯3之间活动设置有中心轴2，中心轴2一端贯穿外壳1前端，用作电机输出端，外壳1前端设置有旋转锁轴机构6；

旋转锁轴机构6包括有旋转锁轴壳601、旋转电磁铁7、旋转磁体8、旋转卡块9和旋转弹簧10，旋转锁轴壳601一端固定连接在外壳1内部，旋转锁轴壳601内部靠近外壳1的一端固定安装有旋转电磁铁7，旋转电磁铁7可以通电启动，旋转电磁铁7上表面通过改变电流方向来获得与旋转磁体8下表面相同或相异的磁极，从而实现对旋转磁体8吸引或排斥，旋转电磁铁7外壁设置有绝缘层，减少旋转电磁铁7对旋转弹簧10的影响，旋转锁轴壳601顶端滑动连接有旋转卡块9，旋转卡块9底部固定连接有旋转磁体8，旋转磁体8与旋转电磁铁7之间设置有旋转弹簧10，旋转弹簧10两端分别连接在旋转磁体8下表面与旋转电磁铁7上表面，当旋转磁体8受到吸引时，旋转磁体8会挤压旋转弹簧10，从而使得旋转磁体8带动旋转卡块9缩回旋转锁轴壳601内部，当旋转磁体8受到排斥时，旋转磁体8会在磁力与旋转弹簧10的共同作用下，带动旋转卡块9从旋转锁轴壳601中伸出，中心轴2外壁开设有滑槽5，当旋转卡块9收缩时，旋转卡块9从滑槽5中脱离，失去对中心轴2旋转运动的限制，当旋转卡块9伸出时，旋转卡块9前端卡合进入滑槽5中，实现对中心轴2旋转运动的限制，旋转锁轴机构6在外壳1内部呈环形分布，通过提高旋转锁轴机构6的数量来增加旋转锁轴的精确性，滑槽5与旋转锁轴机构6一一对应，提高旋转锁轴的稳定性，旋转卡块9横截面呈梯形，旋转锁轴壳601前端出口直径收缩，且旋转锁轴壳601最前端内径小于旋转卡块9最底端直径，避免旋转卡块9从旋转锁轴壳601中脱落，增加旋转锁轴机构6使用的稳定性。

实施例二：

请参阅图4－图6所示，外壳1尾端设置有直线锁轴机构11，直线锁轴机构11包括有直线弹簧12、直线电磁铁13、直线卡块15、直线磁铁16和直线锁轴壳21，直线锁轴壳21底部固定连接在外壳1内壁，直线电磁铁13固定连接在直线锁轴壳21内部，直线电磁铁13通电启动，直线电磁铁13上表面通过改变电流方向来获得与直线磁铁16下表面相同或相异的磁极，直线锁轴壳21前端滑动连接有直线卡块15，直线卡块15底端固定连接有直线磁铁16，通过直线电磁铁13的磁极方向改变来实现对直线磁铁16吸引或排斥，直线弹簧12两端连接在直线电磁铁13与直线磁铁16之间，当直线磁铁16受到吸引时，直线磁铁16会挤压直线弹簧12，从而使得直线磁铁16带动直线卡块15缩回直线锁轴壳21内部，当直线磁铁16受到排斥时，直线磁铁16会在磁力与直线弹簧12的共同作用下，带动直线卡块15从直线锁轴壳21中伸出，中心轴2靠近直线锁轴机构11的一端固定连接有连接轴14，连接轴14中部开设有凹槽，直线卡块15缩回直线锁轴壳21内部时，直线卡块15会从连接轴14的凹槽中脱离，失去对中心轴2直线运动的限制，直线卡块15滑动连接在凹槽内部，直线卡块15横截面呈弧状结构，直线卡块15从直线锁轴壳21中伸出时，直线卡块15前端卡合进入凹槽中，实现对中心轴2直线运动的限制，直线卡块15贴合在中心轴2外壁，两组直线锁轴机构11对称设置在中心轴2两侧，保证中心轴2的受力均匀，提高运行稳定性。

实施例三：

请参阅图7－图9所示，外壳1靠近滑槽5的一端转动连接有轴承座18，中心轴2转动连接在轴承座18内部，保证了中心轴2在运动时能够受到较小的摩擦力，轴承座18外侧固定安装有卡环19，中心轴2外壁套接有密封座17，密封座17内部固定安装有凸块，该凸块与滑槽5数量相同，且该凸块滑动连接在滑槽5内部，凸块可以在滑槽5内滑动保证了中心轴2可以在密封座17余轴承座18中直线滑动，而中心轴2转动时，轴承座18仍保持固定但密封座17随中心轴2共同转动，能够有效地防止灰尘从滑槽5中进入电机内部，减少了混合励磁两自由度电机的维护检修次数，增加电机的使用寿命，密封座17靠近轴承座18的一侧开设有转动槽20，转动槽20卡合连接在卡环19外部，卡环19呈环状，且卡环19顶部两侧向外凸出，使得密封座17可以始终紧贴轴承座18。

实施例四：

请参阅图1－图9所示，混合励磁两自由度电机使用方法包括如下步骤：

步骤一：混合励磁两自由度电机在转动时，通过旋转定子铁芯3来控制中心轴2的旋转运动，通过直线定子铁芯4来控制中心轴2的直线运动；

步骤二：当混合励磁两自由度电机在仅直线运动时，旋转锁轴机构6中的旋转电磁铁7启动，旋转电磁铁7上表面获得与旋转磁体8下表面相同的磁极，旋转电磁铁7与旋转磁体8相互排斥，旋转磁体8向外伸出，带动旋转卡块9伸出，卡入滑槽5中，限制中心轴2的旋转，同时直线卡块15收缩回直线锁轴壳21中，实现对中心轴2的锁定，使得中心轴2仅能做直线运动；

步骤三：当混合励磁两自由度电机在仅旋转运动时，直线锁轴机构11中的直线卡块15在直线电磁铁13与直线磁铁16的作用下伸出，卡接在连接轴14上的凹槽中，同时旋转卡块9收缩进旋转锁轴壳601中，使得旋转卡块9从滑槽5中脱离，使得中心轴2仅能进行旋转运动；

步骤四：当混合励磁两自由度电机做螺旋运动时，直线锁轴机构11中的直线卡块15与旋转锁轴机构6中的旋转卡块9同时收缩，使得混合励磁两自由度电机的中心轴2可以同时进行旋转与直线运动，实现中心轴2的螺旋运动；

步骤五：在混合励磁两自由度电机停止工作时，直线卡块15与旋转卡块9同时收缩回直线锁轴壳21及旋转锁轴壳601中，实现中心轴2的固定，避免中心轴2意外转动，保证了混合励磁两自由度电机运行稳定性与准确性。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”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。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.定子永磁型绕组混合励磁两自由度电机，包括外壳(1)，其特征在于，所述外壳(1)内部固定连接有旋转定子铁芯(3)，所述外壳(1)中心处固定连接有直线定子铁芯(4)，所述直线定子铁芯(4)外壁开设有多组凹槽，所述直线定子铁芯(4)与旋转定子铁芯(3)之间活动设置有中心轴(2)，所述中心轴(2)一端贯穿外壳(1)前端，所述外壳(1)前端设置有旋转锁轴机构(6)；

所述旋转锁轴机构(6)包括有旋转锁轴壳(601)、旋转电磁铁(7)、旋转磁体(8)、旋转卡块(9)和旋转弹簧(10)，所述旋转锁轴壳(601)一端固定连接在外壳(1)内部，所述旋转锁轴壳(601)内部靠近外壳(1)的一端固定安装有旋转电磁铁(7)，所述旋转电磁铁(7)外壁设置有绝缘层，所述旋转锁轴壳(601)顶端滑动连接有旋转卡块(9)，所述旋转卡块(9)底部固定连接有旋转磁体(8)，所述旋转磁体(8)与旋转电磁铁(7)之间设置有旋转弹簧(10)，所述旋转弹簧(10)两端分别连接在旋转磁体(8)下表面与旋转电磁铁(7)上表面，所述中心轴(2)外壁开设有滑槽(5)，所述旋转锁轴机构(6)在外壳(1)内部呈环形分布，所述滑槽(5)与旋转锁轴机构(6)一一对应；

所述外壳(1)尾端设置有直线锁轴机构(11)，所述直线锁轴机构(11)包括有直线弹簧(12)、直线电磁铁(13)、直线卡块(15)、直线磁铁(16)和直线锁轴壳(21)，所述直线锁轴壳(21)底部固定连接在外壳(1)内壁，所述直线电磁铁(13)固定连接在直线锁轴壳(21)内部，所述直线锁轴壳(21)前端滑动连接有直线卡块(15)，所述直线卡块(15)底端固定连接有直线磁铁(16)，所述直线弹簧(12)两端连接在直线电磁铁(13)与直线磁铁(16)之间，所述中心轴(2)靠近直线锁轴机构(11)的一端固定连接有连接轴(14)，所述连接轴(14)中部开设有凹槽，所述直线卡块(15)滑动连接在凹槽内部，所述直线卡块(15)横截面呈弧状结构，所述直线卡块(15)贴合在中心轴(2)外壁，两组所述直线锁轴机构(11)对称设置在中心轴(2)两侧。

2.根据权利要求1所述的定子永磁型绕组混合励磁两自由度电机，其特征在于，所述外壳(1)靠近滑槽(5)的一端转动连接有轴承座(18)，所述中心轴(2)转动连接在轴承座(18)内部，所述轴承座(18)外侧固定安装有卡环(19)，所述中心轴(2)外壁套接有密封座(17)，所述密封座(17)靠近轴承座(18)的一侧开设有转动槽(20)，所述转动槽(20)卡合连接在卡环(19)外部。

3.根据权利要求1所述的定子永磁型绕组混合励磁两自由度电机，其特征在于，所述中心轴(2)外部设置有多组直线形凸起，该凸起沿中心轴(2)轴向设置，所述中心轴(2)内壁设置有多组环形凸起，该凸起位于直线定子铁芯(4)中凹槽的外侧。

4.根据权利要求1所述的定子永磁型绕组混合励磁两自由度电机，其特征在于，所述旋转卡块(9)横截面呈梯形，所述旋转锁轴壳(601)前端出口直径收缩，且旋转锁轴壳(601)最前端内径小于旋转卡块(9)最底端直径。

5.根据权利要求2所述的定子永磁型绕组混合励磁两自由度电机，其特征在于，所述密封座(17)内部固定安装有凸块，该凸块与滑槽(5)数量相同，且该凸块滑动连接在滑槽(5)内部，所述卡环(19)呈环状，且卡环(19)顶部两侧向外凸出。