CN114583918A - 定子永磁型环形绕组两自由度电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了定子永磁型环形绕组两自由度电机，涉及两自由度电机技术领域，包括旋转运动定子组件、动子和直线运动定子组件，直线运动定子组件外部套设有旋转运动定子组件，且位于直线运动定子组件与旋转运动定子组件的相对面安装有动子；本发明通过旋转运动永磁体产生的旋转磁场穿过外层气隙，经动子外侧的第一凸块闭合，同时直线运动永磁体产生的行波磁场则穿过内层气隙，经动子内侧的第二凸块构成闭合回路，通过该设置削弱了行波磁场与旋转磁场的耦合问题，进而改善电机输出特性，避免了旋转运动永磁体和直线运动永磁体统一固定在定子或者动子上，造成磁铁产生的磁场相互影响的问题。
Description
技术领域
本发明涉及两自由度电机技术领域，具体为定子永磁型环形绕组两自由度电机。
背景技术
两自由度直驱电机具有直接驱动的特点，即不需要中间传动机构即直接驱动负载作直线、旋转或螺旋运动，大大减小设备体积，显著提高效率，两自由度直驱电机在需要复杂运动的动力系统如数控机床、机器人、雕刻机、汽车生产线、搅拌机、球形阀等设备中，具有非常广阔的应用前景，受到学术界和工业界的广泛关注。
如公开号CN101789646发明专利中提到的一种多自由度直线弧形电机，该电机中旋转运动直线弧形电机和直线运动直线弧形电机桥弓形定子安装在一起，可实现旋转、直线或螺旋运动，但由于直线永磁体和旋转永磁体均位于定子上，造成直线运动永磁体与旋转运动永磁体的磁场耦合严重，磁场与磁场相互影响，解耦困难，影响电机输出特性。
同时考虑到外侧永磁体和内侧永磁体均固定在动子上，同样造成两磁场出现耦合现象；
为此，我们提出定子永磁型环形绕组两自由度电机。
发明内容
本发明的目的在于：通过旋转运动永磁体产生的旋转磁场穿过外层气隙，经动子外侧的凸极齿闭合，同时直线运动永磁体产生的行波磁场则穿过内层气隙，经动子内侧的凸极齿构成闭合回路，通过该设置削弱了行波磁场与旋转磁场的耦合问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
定子永磁型环形绕组两自由度电机，包括旋转运动定子组件、动子和直线运动定子组件，所述直线运动定子组件外部套设有旋转运动定子组件，且位于直线运动定子组件与旋转运动定子组件的相对面安装有动子，所述旋转运动定子组件包括第一U型铁芯、旋转运动永磁体、旋转运动励磁绕组和旋转运动电枢绕组，所述旋转运动定子组件的整体框架是由数个第一U型铁芯呈圆周向分布构成，两个相邻所述第一U型铁芯的相对面安装有旋转运动永磁体，两个所述旋转运动永磁体的一侧且位于第一U型铁芯轭部套设有旋转运动励磁绕组，两个相邻所述第一U型铁芯的槽部且位于旋转运动永磁体表面套设有旋转运动电枢绕组；
所述直线运动定子组件包括有第二U型铁芯、直线运动永磁体、直线运动励磁绕组和直线运动电枢绕组，所述直线运动定子组件整体框架是由数个第二U型铁芯和直线运动永磁体拼接构成，且相邻的两个第二U型铁芯相对面安装有直线运动永磁体，所述第二U型铁芯的槽内套设有直线运动励磁绕组，所述直线运动永磁体的外侧套设有直线运动电枢绕组。
进一步的，所述动子的外侧均匀圆周分布有第一凸块，且位于动子的内侧呈横向均匀分布有第二凸块。
进一步的，所述旋转运动电枢绕组与直线运动电枢绕组的三相磁链相位相差都为120°，两个相邻所述第一U型铁芯的充磁方向相反设置，两个相邻所述第二U型铁芯的充磁方向相反设置。
进一步的，所述第一U型铁芯与旋转运动永磁体组成运动电枢齿，且位于运动电枢齿的外侧套设有旋转运动电枢绕组。
进一步的，所述第一U型铁芯通过数个U型硅钢片呈轴向叠压构成，所述第二U型铁芯通过数个U型硅钢片呈圆周向叠压构成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中，通过旋转运动永磁体产生的旋转磁场穿过外层气隙，经动子外侧的第一凸块闭合，同时直线运动永磁体产生的行波磁场则穿过内层气隙，经动子内侧的第二凸块构成闭合回路，通过该设置削弱了行波磁场与旋转磁场的耦合问题，进而改善电机输出特性，避免了旋转运动永磁体和直线运动永磁体统一固定在定子或者动子上，造成磁铁产生的磁场相互影响的问题；
2、本发明中，通过穿插在两个定子之间的动子，削弱了行波磁场与旋转磁场耦合的同时，动子本身采用硅钢片，且动子上既没有安装有绕组也没有磁铁，使得动子本身易于实现磁场隔离；
3、本发明中，通过旋转运动电枢绕组和旋转运动永磁体相配合，形成旋转运动磁场；直线运动电枢绕组和直线运动永磁体相配合，形成直线运动磁场；旋转运动磁场和直线运动磁场单独作用或共同作用，可直接驱动动子做旋转、直线或螺旋运动，使得负载的运动形式多样化。
附图说明
图1为本发明的定子永磁型环形绕组两自由度电机侧视剖面结构示意图；
图2为本发明的动子与第一凸块、第二凸块连接结构示意图；
图3为本发明的第二U型铁与直线运动永磁体连接结构示意图；
图4为本发明的直线运动定子组件部分结构剖视示意图；
图5为本发明的旋转运动励磁绕组与旋转运动电枢绕组分布示意图；
图6为本发明的直线运动励磁绕组与直线运动电枢绕组分布示意图。
图中：1、旋转运动定子组件；101、第一U型铁芯；102、旋转运动永磁体；103、旋转运动励磁绕组；104、旋转运动电枢绕组；2、动子；3、直线运动定子组件；301、第二U型铁芯；302、直线运动永磁体；303、直线运动励磁绕组；304、直线运动电枢绕组；4、第一凸块；5、第二凸块；6、运动电枢齿。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：
实施例1：
如图1所示，旋转运动定子组件1、动子2和直线运动定子组件3为整个定子永磁型环形绕组两自由度电机的核心零部件，其中的旋转运动定子组件1包括第一U型铁芯101、旋转运动永磁体102、旋转运动励磁绕组103和旋转运动电枢绕组104，其中第一U型铁芯101和旋转运动永磁体102间隔旋转排列构成整个旋转运动定子组件1的壳体，同时将旋转运动励磁绕组103和旋转运动电枢绕组104缠绕在第一U型铁芯101和旋转运动永磁体102上，具体缠绕方式如图1所示，旋转运动励磁绕组103将两个旋转运动永磁体102和一组第一U型铁芯101的轭部作为缠绕基准，同时两组第一U型铁芯101的槽部和第一U型铁芯101组成运动电枢齿6，旋转运动电枢绕组104就缠绕在运动电枢齿6上，相邻的两块旋转运动永磁体102的充磁方向相反；
如图5所示，将第一U型铁芯101和旋转运动永磁体102上的旋转运动励磁绕组103和旋转运动电枢绕组104进行标记，旋转运动励磁绕组103标记序列号为21、22、23、24、25、26，每组旋转运动励磁绕组103顺向串联；
旋转运动电枢绕组104标记序列号为400、401、402、403、410、411、412、413、420、421、422、423，其中400号线圈和402号线圈径向相对设置，401号线圈和403号线圈径向相对设置，400号线圈和401号线圈空间角度相差90度，同时400号线圈和401号线圈顺向串联成一个线圈组，402和403顺向串联成一个线圈组，两个线圈组顺向串联成旋转运动电枢绕组104中的A相电枢绕组，同理可得410号线圈和411号线圈构成一个线圈组，412号线圈和413号线圈构成一个线圈组，两个线圈组顺向串联构成旋转运动电枢绕组104中的B相电枢绕组；420号线圈、421号线圈、422号线圈和423号线圈两个构成一个线圈组，两个线圈组顺向串联构成旋转运动电枢绕组104中的C相电枢绕组，三相电枢绕组之间空间位置相差60o，使三相磁链相位相差120o；
当动子2开始旋转时，旋转运动永磁体102产生的旋转磁场穿过外层气隙，经动子2外侧的第一凸块4闭合，当外部负载同时开始直线、旋转或螺旋运动时，经过动子2上的第一凸块4、第二凸块5和动子2本身材质的隔绝作用，削弱了行波磁场与旋转磁场的耦合问题。
实施例2：
如图3-4所示，直线运动定子组件3是由第二U型铁芯301、直线运动永磁体302、直线运动励磁绕组303和直线运动电枢绕组304组成，整个第二U型铁芯301是由数个U型硅钢片呈圆周向叠压构成，同时相邻的两个第二U型铁芯301之间夹有直线运动永磁体302，在第二U型铁芯301的槽部绕有直线运动电枢绕组304，如图6所示，将第二U型铁芯301的槽部的直线运动励磁绕组303进行标记，标号为201、202、203、204、211、212、213、214、221、222、223、224，其中201号线圈、202号线圈、203号线圈和204号线圈相邻的两个线圈之间隔有2个槽距，201号线圈和202号线圈顺向串联组成一个线圈组，203号线圈和204号线圈顺向串联组成一个线圈组，两个线圈组串联构成直线运动电枢绕组304的A相电枢绕组，同理可得，211号线圈和212号线圈组成一个线圈组，213号线圈和214号线圈组成一个线圈组，两个线圈组顺向串联构成直线运动电枢绕组304的B相电枢绕组，221号线圈和222号线圈组成一个线圈组，223号线圈和224号线圈组成一个线圈组，两个线圈组顺向串联构成直线运动电枢绕组304的C相电枢绕组，三相之间空间位置分别相差1个槽距，使三相磁链相位相差120o；
同时将套设在直线运动永磁体302上的直线运动励磁绕组303标记为30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40，其中的各个线圈组均为顺向串联；
上述的第一U型铁芯101、第二U型铁芯301以及动子2均为硅钢片等导磁材料制成；
上述旋转运动永磁体102和直线运动永磁体302均为钕铁硼、钐钴、铁氧体等永磁材料制成；
同时上述的励磁线圈和永磁铁形成的气隙磁场也是可以调节的，从而实现对电机特性的调节，通过增磁提高电机的转矩密度，通过弱磁实现扩大电机本身的恒功率调速范围，实现电机的在线效率优化。
本发明的工作原理：
旋转运动电枢绕组104和旋转运动永磁体102相配合，形成旋转运动磁场；直线运动电枢绕组304和直线运动永磁体302相配合，形成直线运动磁场，两个磁场在没有动子2隔离的作用下，磁场与磁场之间的耦合作用较强，导致电机对负载的输出效果大大降低，此时，旋转运动永磁体102产生的旋转磁场穿过外层气隙，经动子2外侧的第一凸块4，而直线运动永磁体302产生的行波磁场则穿过内层气隙，经动子2内侧的第二凸块5构成闭合回路，通过该设置削弱了行波磁场与旋转磁场的耦合，易于实现解耦控制，同时当旋转运动电枢绕组104和直线运动电枢绕组304单独通电时，电机驱动负载做旋转运动和轴向直线运动，当两个电枢绕组同时通电时，电机驱动负载同时做旋转运动和轴向直线运动，两者运动互不影响。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.定子永磁型环形绕组两自由度电机，包括旋转运动定子组件（1）、动子（2）和直线运动定子组件（3），所述直线运动定子组件（3）外部套设有旋转运动定子组件（1），且位于直线运动定子组件（3）与旋转运动定子组件（1）的相对面安装有动子（2），其特征在于：所述旋转运动定子组件（1）包括第一U型铁芯（101）、旋转运动永磁体（102）、旋转运动励磁绕组（103）和旋转运动电枢绕组（104），所述旋转运动定子组件（1）的整体框架是由数个第一U型铁芯（101）呈圆周向分布构成，两个相邻所述第一U型铁芯（101）的相对面安装有旋转运动永磁体（102），两个所述旋转运动永磁体（102）的一侧且位于第一U型铁芯（101）轭部套设有旋转运动励磁绕组（103），两个相邻所述第一U型铁芯（101）的槽部且位于旋转运动永磁体（102）表面套设有旋转运动电枢绕组（104）；
所述直线运动定子组件（3）包括有第二U型铁芯（301）、直线运动永磁体（302）、直线运动励磁绕组（303）和直线运动电枢绕组（304），所述直线运动定子组件（3）整体框架是由数个第二U型铁芯（301）和直线运动永磁体（302）拼接构成，且相邻的两个第二U型铁芯（301）相对面安装有直线运动永磁体（302），所述第二U型铁芯（301）的槽内套设有直线运动励磁绕组（303），所述直线运动永磁体（302）的外侧套设有直线运动电枢绕组（304）。
2.根据权利要求1所述的定子永磁型环形绕组两自由度电机，其特征在于：所述动子（2）的外侧均匀圆周分布有第一凸块（4），且位于动子（2）的内侧呈横向均匀分布有第二凸块（5）。
3.根据权利要求1所述的定子永磁型环形绕组两自由度电机，其特征在于：所述旋转运动电枢绕组（104）与直线运动电枢绕组（304）的三相磁链相位相差都为120°，两个相邻所述第一U型铁芯（101）的充磁方向相反设置，两个相邻所述第二U型铁芯（301）的充磁方向相反设置。
4.根据权利要求1所述的定子永磁型环形绕组两自由度电机，其特征在于：所述第一U型铁芯（101）与旋转运动永磁体（102）组成运动电枢齿（6），且位于运动电枢齿（6）的外侧套设有旋转运动电枢绕组（104）。
5.根据权利要求1所述的定子永磁型环形绕组两自由度电机，其特征在于：所述第一U型铁芯（101）通过数个U型硅钢片呈轴向叠压构成，所述第二U型铁芯（301）通过数个U型硅钢片呈圆周向叠压构成。
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