CN114977705A - 初级、次级双永磁型两自由度磁通反向电机 - Google Patents

初级、次级双永磁型两自由度磁通反向电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种初级、次级双永磁型两自由度磁通反向电机，属于电机制造技术领域，包括旋转运动定子、动子和直线运动定子，且三者均为凸极永磁结构，采用初级、次级双永磁拓扑结构，在实现磁通反向工作原理的同时，有效增加了电机的转矩密度与推力密度。动子采用模块化三角结构，均固定于动子非导磁支撑件上，没有动子轭部，旋转永磁磁场与电枢磁场仅沿动子旋转模块闭合，且直线永磁磁场与电枢磁场仅沿动子直线模块闭合，有效抑制直线运动行波磁场与旋转运动旋转磁场间的耦合，减小两自由度运动工况下，磁场间的耦合影响，易于实现解耦控制，从而解决了现有电机的性能问题。

Description

初级、次级双永磁型两自由度磁通反向电机
技术领域
本发明属于电机制造技术领域，尤其是涉及一种能够驱动负载做旋转、直线或螺旋运动的初级、次级双永磁型两自由度磁通反向电机。
背景技术
在现实生活中工业驱动系统复杂性和驱动精度的要求都越来越高，例如，机器人关节、高档机床、舰船推进、螺旋泵等装置，都需要驱动轴做两自由度运动。传统两自由度驱动的实现方法之一是通过辅助机械传动装置对多台单自由度电机进行空间运动，这种实现两自由度运动的方式不仅控制方法复杂，而且需要价格昂贵，体积庞大的机械传动装置。这些组合式系统存在多个传动间隙，系统定位精度低，系统体积庞大，重量和成本大，系统可靠性低。但是，上述方法的缺陷可以通过两自由度电机来解决。
目前，两自由度电机主要分为感应型、开关磁阻型和永磁型，但是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。虽然目前许多结构类型的两自由度电机不断的被提出，但是现有的直线旋转两自由度电机结构和性能仍有诸多地方有待优化。公开号为CN109660100A的发明专利《一种直线旋转两自由度永磁电机》公开了一种直线旋转两自由度磁通切换电机，可直接实现旋转、直线或螺旋运动。然而，定子齿单元上设置由绕组，永磁体块仅设置在动子上，该电机的直线运动磁场与旋转运动磁场在定子铁心与转子铁心内耦合，相互影响，进而削弱电机两自由度运行特性。公开号为CN211063425U的发明专利《定子及模块化结构的旋转直线两自由度永磁电机》公开了一种直线旋转两自由度电机，定子采用模块化设计，旋转电枢绕组沿轴向绕置于定子齿且直线电枢绕组沿圆周绕置于相同定子齿，旋转电枢磁场与直线电枢磁场不可避免的在定子齿内产生耦合，进而造成磁场畸变，不利于实现直线运动与旋转运动的精确控制。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种能够驱动负载做旋转、直线或螺旋运动的定转子永磁型环形绕组两自由度电机，有效削弱直线运动行波磁场与旋转运动磁场间的磁场耦合，具有高转矩（功率）密度、易于解耦控制、便于加工装配等优点。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种初级、次级双永磁型两自由度磁通反向电机，包括旋转运动定子、动子和直线运动定子，所述旋转运动定子、动子和直线运动定子均为凸极结构；所述旋转运动定子位于外层，所述直线运动定子位于内层，该旋转运动定子和直线运动定子嵌套设置；所述动子为环形结构，位于旋转运动定子与直线运动定子之间，且构成双层气隙，
所述旋转运动定子包括旋转运动定子铁心、旋转运动电枢绕组和旋转运动定子永磁体；所述旋转运动定子永磁体表贴在旋转运动定子铁心齿部槽内，构成旋转运动电枢齿，旋转运动定子永磁体径向充磁，且旋转运动定子永磁体充磁方向相同，所述旋转运动电枢绕组采用集中绕组结构，绕置于旋转运动电枢齿上，
所述直线运动定子包括直线运动定子铁心、直线运动环形电枢绕组和直线运动定子永磁体；所述直线运动定子永磁体表贴于直线运动定子铁心齿部槽内，该直线运动定子永磁体沿径向充磁，且直线运动定子永磁体充磁方向相同，所述直线运动环形电枢绕组采用环形绕组结构，设置于直线运动定子铁心的槽内，
所述动子的内外两侧均具有凸极齿，外侧动子旋转凸极齿为三角型结构，沿圆周分布，动子旋转永磁体表贴于动子旋转凸极齿的槽内，径向充磁，且充磁方向与旋转运动定子永磁体充磁方向一致；内侧动子直线凸极齿也为三角型结构，沿轴向分布，动子直线永磁体表贴于动子直线凸极齿的槽内，径向充磁，且充磁方向与直线运动定子永磁体充磁方向一致，所述动子旋转凸极齿与动子直线凸极齿共同（嵌入）固定在非导磁支持件上。
优选地，所述动子的动子旋转凸极齿可以采用斜极结构。
优选地，所述旋转运动定子铁心、直线运动定子铁心、动子旋转凸极齿与动子直线凸极齿均为硅钢片等导磁材料。
优选地，所述旋转运动定子永磁体、动子旋转永磁体、直线运动定子永磁体和动子直线永磁体为钕铁硼、钐钴、铁氧体等永磁材料。
由于采用上述技术方案，本发明采用初级、次级双永磁拓扑结构，在实现磁通反向工作原理的同时，有效增加了电机的转矩密度与推力密度。动子采用模块化三角结构，均固定于动子非导磁支撑件上，没有动子轭部，旋转永磁磁场与电枢磁场仅沿动子旋转模块闭合，且直线永磁磁场与电枢磁场仅沿动子直线模块闭合，有效抑制直线运动行波磁场与旋转运动旋转磁场间的耦合，减小两自由度运动工况下，磁场间的耦合影响，易于实现解耦控制，从而解决了现有电机的性能问题。
附图说明
下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：
图1为本发明的剖视示意图
图2为本发明旋转运动定子的剖视示意图
图3为本发明直线运动定子的剖视示意图
图4为本发明旋转电枢绕组分布示意图
图5为本发明直线电枢绕组分布示意图
图中
1、旋转运动定子，2、动子，3、直线运动定子，4、旋转运动定子铁心5、旋转运动电枢绕组，6、旋转运动定子永磁体，7、直线运动定子铁心，8、直线运动环形电枢绕组，9、直线运动定子永磁体，10、动子直线永磁体，11、动子旋转永磁体，12、动子旋转凸极齿，13、动子直线凸极齿，14、非导磁支持件。
具体实施方式
如图1至图3所示，本发明一种初级、次级双永磁型两自由度磁通反向电机，包括旋转运动定子1、动子2和直线运动定子3，旋转运动定子1、动子2和直线运动定子3均为凸极结构；旋转运动定子1位于外层，直线运动定子3位于内层，该旋转运动定子1和直线运动定子3嵌套设置；动子2为环形结构，位于旋转运动定子1与直线运动定子3之间，且构成双层气隙；
旋转运动定子1包括旋转运动定子铁心4、旋转运动电枢绕组5和旋转运动定子永磁体6；旋转运动定子永磁体6表贴在旋转运动定子铁心4齿部槽内，构成旋转运动电枢齿，旋转运动定子永磁体6径向充磁，且旋转运动定子永磁体6充磁方向相同，旋转运动电枢绕组5采用集中绕组结构，绕置于旋转运动电枢齿上；
直线运动定子3包括直线运动定子铁心7、直线运动环形电枢绕组8和直线运动定子永磁体9；直线运动定子永磁体9表贴于直线运动定子铁心7齿部槽内，该直线运动定子永磁体9沿径向充磁，且直线运动定子永磁体9充磁方向相同，直线运动环形电枢绕组8采用环形绕组结构，设置于直线运动定子铁心7的槽内，
动子2的内外两侧均具有凸极齿，外侧动子旋转凸极齿12为三角型结构，沿圆周分布，动子旋转永磁体11表贴于动子旋转凸极齿12的槽内，径向充磁，且充磁方向与旋转运动定子永磁体6充磁方向一致；内侧动子直线凸极齿13也为三角型结构，沿轴向分布，动子直线永磁体10表贴于动子直线凸极齿13的槽内，径向充磁，且充磁方向与直线运动定子永磁体9充磁方向一致，动子旋转凸极齿12与动子直线凸极齿13共同固定（嵌入）在非导磁支持件14上。
动子2的动子旋转凸极齿12采用斜极结构；旋转运动定子铁心4、直线运动定子铁心7、动子旋转凸极齿12与动子直线凸极齿13均为导磁材料硅钢片；旋转运动定子永磁体6、动子旋转永磁体11、直线运动定子永磁体9和动子直线永磁体10为永磁材料钕铁硼、钐钴、铁氧体。
本发明采用两组电枢绕组，当只有旋转运动电枢绕组5通电时，可以驱动负载做旋转运动；当只有直线运动电枢绕组8通电时，可以驱动负载做轴向直线运动；当两者同时通电时，产生的驱动旋转运动的电磁转矩与产生的驱动直线运动的电磁推力共同作用，实现两自由度电机动子的螺旋运动。
本发明采用初级、次级双永磁拓扑结构，在实现磁通反向工作原理的同时，有效增加了电机的转矩密度与推力密度。动子采用模块化三角结构，均固定于动子非导磁支撑件上，没有动子轭部，旋转永磁磁场与电枢磁场仅沿动子旋转模块闭合，且直线永磁磁场与电枢磁场仅沿动子直线模块闭合，有效抑制直线运动行波磁场与旋转运动旋转磁场间的耦合，减小两自由度运动工况下，磁场间的耦合影响，易于实现解耦控制，从而解决了现有电机的性能问题。
如图4和图5所示，本实施例旋转电枢绕组分布和直线电枢绕组分布如下：
旋转运动电枢绕组5，A相电枢绕组的511号线圈与513号线圈径向相对，512号线圈与514号线圈径向相对，511号线圈与512号线圈在空间位置上相差90°，A相下的511号线圈与512号线圈顺向串联组成一个线圈组，同理，513号线圈与514号线圈顺向串联组成另一个线圈组，两个线圈组顺向串联，构成A相电枢绕组；B相（521号线圈、523号线圈、522号线圈与524号线）与C相（531号线圈、533号线圈、532号线圈与534号线圈）下的各线圈空间位置的设置与A相相同，三相电枢绕组之间空间位置相差60°，使三相磁链相位相差120°。
直线运动电枢绕组8，A相电枢绕组的811、812、813、814号线圈在空间位置上分别相差两个槽距，且A相下的811号线圈与812号线圈组成一个线圈组，813号线圈与814号线圈顺向串联组成另一个线圈组，两个线圈组顺向串联，构成A相电枢绕组；B相（821、822、823、824号线圈）与C相下（831、832、833、834号线圈）的各线圈的设置与A相相同，且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120°。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (4)

1.一种初级、次级双永磁型两自由度磁通反向电机，其特征在于：包括旋转运动定子（1）、动子（2）和直线运动定子（3），所述旋转运动定子（1）、动子（2）和直线运动定子（3）均为凸极结构；所述旋转运动定子（1）位于外层，所述直线运动定子（3）位于内层，该旋转运动定子（1）和直线运动定子（3）嵌套设置；所述动子（2）为环形结构，位于旋转运动定子（1）与直线运动定子（3）之间，且构成双层气隙，所述旋转运动定子（1）包括旋转运动定子铁心（4）、旋转运动电枢绕组（5）和旋转运动定子永磁体（6）；所述旋转运动定子永磁体（6）表贴在旋转运动定子铁心（4）齿部槽内，构成旋转运动电枢齿，旋转运动定子永磁体（6）径向充磁，且旋转运动定子永磁体（6）充磁方向相同，所述旋转运动电枢绕组（5）采用集中绕组结构，绕置于旋转运动电枢齿上，所述直线运动定子（3）包括直线运动定子铁心（7）、直线运动环形电枢绕组（8）和直线运动定子永磁体（9）；所述直线运动定子永磁体（9）表贴于直线运动定子铁心（7）齿部槽内，该直线运动定子永磁体（9）沿径向充磁，且直线运动定子永磁体（9）充磁方向相同，所述直线运动环形电枢绕组（8）采用环形绕组结构，设置于直线运动定子铁心（7）的槽内，所述动子（2）的内外两侧均具有凸极齿，外侧动子旋转凸极齿（12）为三角型结构，沿圆周分布，动子旋转永磁体（11）表贴于动子旋转凸极齿（12）的槽内，径向充磁，且充磁方向与旋转运动定子永磁体（6）充磁方向一致；内侧动子直线凸极齿（13）也为三角型结构，沿轴向分布，动子直线永磁体（10）表贴于动子直线凸极齿（13）的槽内，径向充磁，且充磁方向与直线运动定子永磁体（9）充磁方向一致，所述动子旋转凸极齿（12）与动子直线凸极齿（13）共同固定在非导磁支持件（14）上。
2.根据权利要求1所述的初级、次级双永磁型两自由度磁通反向电机，其特征在于：所述动子（2）的动子旋转凸极齿（12）采用斜极结构。
3.根据权利要求1所述的初级、次级双永磁型两自由度磁通反向电机，其特征在于：所述旋转运动定子铁心（4）、直线运动定子铁心（7）、动子旋转凸极齿（12）与动子直线凸极齿（13）均为导磁材料硅钢片。
4.根据权利要求1所述的初级、次级双永磁型两自由度磁通反向电机，其特征在于：所述旋转运动定子永磁体（6）、动子旋转永磁体（11）、直线运动定子永磁体（9）和动子直线永磁体（10）为永磁材料钕铁硼、钐钴、铁氧体。
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