CN115580098B - 一种直线运动轴线与旋转运动轴线垂直的直线旋转永磁电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直线运动轴线与旋转运动轴线垂直的直线旋转永磁电机，包括定子机构和动子机构，所述定子机构包括两个侧边线圈、两个侧边铁芯、一个中部线圈、一个中部铁芯和两个连接铁轭，所述侧边线圈绕设在侧边铁芯上，两个所述连接铁轭和两个所述侧边铁芯围成一个环形结构，所述连接铁轭与侧边铁芯交错设置，本发明与常规直线旋转电机不同，该电机的直线运动轴线与旋转运动轴线垂直，用以满足多维精密复杂运动平台的特殊需求，动子质量轻、运动过程不拖动电缆，动态响应速度快，电机结构简洁，结构简单，适用于多维精密运动系统，电机解耦控制方便，极大地提高了电机运行中直线运动和旋转运动的精度。
Description
技术领域
本发明涉及永磁电机技术领域，具体为一种直线运动轴线与旋转运动轴线垂直的直线旋转永磁电机。
背景技术
永磁电机是指以永磁体励磁生成电机主磁场的电机，其可为交流电机也可为直流电机。对旋转型永磁电机而言，通常定子是线圈，转子是永磁体；对直线型永磁电机而言，定、动子结构可有多种选择。永磁体充磁后，制成电机次级，不需外界能量即可维持其主极磁场。近年来，采用稀土材料制作永磁体，使得永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，因而应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业和产和日常生活的各个领域。
经检索，申请号为202210496564.3的专利公开了一种直线旋转永磁电机，包括用于安装转轴以及磁铁的电机转子组件，所述磁铁沿所述转轴的径向同极等间距间隔分布，所述磁铁沿所述转轴的轴向相邻异极等间距间隔分布，还包括由叠压固定在电机壳体内壁的直线运动绕组以及旋转运动绕组的电机定子组件，所述直线运动绕组位于所述旋转运动绕组的外部呈等间距间隔分布。该直线旋转永磁电机，在跳出传统机械拼凑或者集成的方式，通过交错分布的磁路形式，让电机产生直线和旋转方向上的动力。该发明结构紧凑、体积小；轻量化的转子让电机具有更小的惯量，从而具备更大的运动速度；结构简单，制造成本低。
上述方案中的直线旋转永磁电机属于常规的直线运动轴线与旋转运动轴线平行的直线旋转电机，不能满足多维精密复杂运动平台末端执行器对推力/扭矩的平稳度、电机动子的高响应速度、直线运动轴线与旋转运动轴线相对位置多样性等特殊需求，且电机运行中直线运动和旋转运动的精度低，因此我们需要提出一种直线运动轴线与旋转运动轴线垂直的直线旋转永磁电机。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直线运动轴线与旋转运动轴线垂直的直线旋转永磁电机，与常规直线旋转电机不同，该电机的直线运动轴线与旋转运动轴线垂直，用以满足多维精密复杂运动平台的特殊需求，动子质量轻、运动过程不拖动电缆，动态响应速度快，电机结构简洁，结构简单，适用于多维精密运动系统，电机解耦控制方便，极大地提高了电机运行中直线运动和旋转运动的精度，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种直线运动轴线与旋转运动轴线垂直的直线旋转永磁电机，包括定子机构和动子机构，所述定子机构包括两个侧边线圈、两个侧边铁芯、一个中部线圈、一个中部铁芯和两个连接铁轭，所述侧边线圈绕设在侧边铁芯上，两个所述连接铁轭和两个所述侧边铁芯围成一个环形结构，所述连接铁轭与侧边铁芯交错设置，所述中部铁芯连接在两个所述连接铁轭之间，所述中部线圈绕设在中部铁芯上；所述动子机构包括两块侧边永磁体、一块中部永磁体和一个动子支架，所述动子支架活动安装在定子机构的上端，两块所述侧边永磁体安装在动子支架的两端，所述中部永磁体安装在动子支架的中部。
优选的，两个所述连接铁轭的侧部均连接有滑轨支架，两个所述滑轨支架上连接有直线滑轨，所述动子支架可沿着直线滑轨滑动。
优选的，所述直线滑轨的下端安装有直线滑块，所述动子支架通过转动轴承转动安装在直线滑块的下端。
优选的，所述转动轴承嵌设在直线滑块上，所述转动轴承的内圈插接有运动输出终端，所述运动输出终端的端部连接在动子支架上。
两块所述侧边永磁体的尺寸相同，两个所述侧边线圈的匝数和结构尺寸均相同。
优选的，在定子机构和动子机构的配合下，可实现直线运动、旋转运动以及直线旋转运动三种运动方式。
优选的，直线运动时，所述中部线圈通直流电，根据洛伦兹力原理F=BIL，由于力的作用是相互的，中部永磁体受到持续的作用力，以生成直线运动；
两个所述侧边线圈可根据实际需求确认通电方向或是否通电，若两个侧边永磁体充磁方向相同，两个侧边线圈通入相同方向直流电机，则两个侧边永磁体受到相同方向电磁力进而生成直线运动；若两个侧边永磁体充磁方向相反，两个侧边线圈通入相反方向直流电机，则两个侧边永磁体受到相同方向电磁力进而生成直线运动；若实际工况对直线推力要求不高，两个侧边线圈可不通电，由中部线圈和中部永磁体提供直线推力。
优选的，旋转运动时，若需生成单独的旋转运动，中部线圈不通电，两个侧边线圈可根据实际需求选择通电方向，若两个侧边永磁体充磁方向相同，两个侧边线圈通入相反方向直流电机，则两个侧边永磁体受到相反方向电磁力进而生成有效的旋转转矩，以产生旋转运动；若两个侧边永磁体充磁方向相反，两个侧边线圈通入相同方向直流电机，则两个侧边永磁体受到相反方向电磁力进而生成有效的旋转转矩。
优选的，直线旋转运动时，中部线圈通直流电，根据根据根据洛伦兹力原理F=BIL，由于力的作用是相互的，中部永磁体受到持续的作用力，以生成直线运动；
如两个侧边永磁体充磁方向相同，两个侧边线圈通入相反方向直流电机，则两个侧边永磁体受到相反方向电磁力进而生成有效的旋转转矩，以产生旋转运动；若两个侧边永磁体充磁方向相反，两个侧边线圈通入相同方向直流电机，则两个侧边永磁体受到相反方向电磁力进而生成有效的旋转转矩，以产生旋转运动。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用动磁型结构，可实现直线运动、旋转运动以及直线旋转运动三种运动模式，与常规直线旋转电机不同，该电机的直线运动轴线与旋转运动轴线垂直，用以满足多维精密复杂运动平台的特殊需求；
2、本发明动子仅为两块侧边永磁体、一块中部永磁体、一个动子支架组成，并与直线滑块和旋转轴承相连，动子质量轻、运动过程不拖动电缆，动态响应速度快，电机结构简洁；
3、本发明定子由两个侧边线圈、两个侧边铁心、一个中部线圈、一个中部铁心、两个连接铁轭组成，结构简单，适用于多维精密运动系统；
4、本发明中部线圈、中部铁芯与中部永磁体配合生成直线推力；侧边线圈1、侧边铁芯与侧边永磁体配合生成直线推力或旋转转矩，电机解耦控制方便，极大地提高了电机运行中直线运动和旋转运动的精度。
附图说明
图1给出了直线运动轴线与旋转运动轴线垂直的直线旋转永磁电机三维结构示意图；
图2给出了直线旋转永磁电机定子三维结构示意图；
图3给出了直线旋转永磁电机定子内侧边线圈及侧边铁芯结构示意图；
图4给出了直线旋转永磁电机定子内中部线圈及中部铁芯结构示意图；
图5给出了直线旋转永磁电机动子三维结构示意图；
图6给出了直线旋转永磁电机动子及旋转轴承的三维连接示意图。
图中：1、侧边线圈；2、滑轨支架；3、直线滑轨；4、中部铁芯；5、中部线圈；6、侧边永磁体；7、动子支架；8、转动轴承；9、直线滑块；10、中部永磁体；11、侧边铁芯；12、连接铁轭；13、运动输出终端。
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。
在不同附图中以相同标号来标示相同或类似组件；另外请了解文中诸如“第一”、“第二”、“第三”、“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”、“端”、“部”、“段”、“宽度”、“厚度”、“区”等等及类似用语仅便于看图者参考图中构造以及仅用于帮助描述本发明而已，并非是对本发明的限定。
请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：一种直线运动轴线与旋转运动轴线垂直的直线旋转永磁电机，该直线旋转永磁电机呈圆盘形，包括定子机构和动子机构，定子机构包括两个侧边线圈1、两个侧边铁芯11、一个中部线圈5、一个中部铁芯4和两个连接铁轭12，侧边线圈1绕设在侧边铁芯11上，两个连接铁轭12和两个侧边铁芯11围成一个环形结构，连接铁轭12与侧边铁芯11交错设置，中部铁芯4连接在两个连接铁轭12之间，中部线圈5绕设在中部铁芯4上；定子机构的结构简单，适用于多维精密运动系统。
动子机构包括两块侧边永磁体6、一块中部永磁体10和一个动子支架7，动子支架7活动安装在定子机构的上端，两块侧边永磁体6安装在动子支架7的两端，中部永磁体10安装在动子支架7的中部。动子机构质量轻、运动过程不拖动电缆，动态响应速度快，电机结构简洁。
两个连接铁轭12的侧部均连接有滑轨支架2，两个滑轨支架2上连接有直线滑轨3，动子支架7可沿着直线滑轨3滑动。
直线滑轨3的下端安装有直线滑块9，动子支架7通过转动轴承8转动安装在直线滑块9的下端。
转动轴承8嵌设在直线滑块9上，转动轴承8的内圈插接有运动输出终端13，运动输出终端13的端部连接在动子支架7上。
两块侧边永磁体6的尺寸相同，两个侧边线圈1的匝数和结构尺寸均相同。
通过低摩擦的直线滑轨3、直线滑块9以及旋转轴承8以保证直线或旋转运动的顺滑，其中，直线旋转永磁电机利用洛伦兹力驱动电机动子运动。
在定子机构和动子机构的配合下，可实现直线运动、旋转运动以及直线旋转运动三种运动方式。与常规直线旋转电机不同，该电机的直线运动轴线与旋转运动轴线垂直，用以满足多维精密复杂运动平台的特殊需求。
直线运动时，中部线圈5通直流电，根据洛伦兹力原理F=BIL，由于力的作用是相互的，中部永磁体10受到持续的作用力，以生成直线运动。
两个侧边线圈1可根据实际需求确认通电方向或是否通电，若两个侧边永磁体6充磁方向相同，两个侧边线圈1通入相同方向直流电机，则两个侧边永磁体6受到相同方向电磁力进而生成直线运动；若两个侧边永磁体6充磁方向相反，两个侧边线圈1通入相反方向直流电机，则两个侧边永磁体6受到相同方向电磁力进而生成直线运动；若实际工况对直线推力要求不高，两个侧边线圈1可不通电，由中部线圈5和中部永磁体10提供直线推力。
旋转运动时，若需生成单独的旋转运动，中部线圈5不通电，两个侧边线圈1可根据实际需求选择通电方向，若两个侧边永磁体6充磁方向相同，两个侧边线圈1通入相反方向直流电机，则两个侧边永磁体6受到相反方向电磁力进而生成有效的旋转转矩，以产生旋转运动；若两个侧边永磁体6充磁方向相反，两个侧边线圈1通入相同方向直流电机，则两个侧边永磁体6受到相反方向电磁力进而生成有效的旋转转矩。
直线旋转运动时，中部线圈5通直流电，根据根据根据洛伦兹力原理F=BIL，由于力的作用是相互的，中部永磁体10受到持续的作用力，以生成直线运动。
如两个侧边永磁体6充磁方向相同，两个侧边线圈1通入相反方向直流电机，则两个侧边永磁体受到相反方向电磁力进而生成有效的旋转转矩，以产生旋转运动；若两个侧边永磁体6充磁方向相反，两个侧边线圈1通入相同方向直流电机，则两个侧边永磁体6受到相反方向电磁力进而生成有效的旋转转矩，以产生旋转运动。
直线旋转运动时，电机解耦控制方便，极大地提高了电机运行中直线运动和旋转运动的精度。
该直线旋转永磁电机采用精密直线滑轨3和旋转轴承8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。
综上所述，本发明与常规直线旋转电机不同，该电机的直线运动轴线与旋转运动轴线垂直，用以满足多维精密复杂运动平台的特殊需求，动子质量轻、运动过程不拖动电缆，动态响应速度快，电机结构简洁，结构简单，适用于多维精密运动系统，电机解耦控制方便，极大地提高了电机运行中直线运动和旋转运动的精度。
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 (9)
1.一种直线运动轴线与旋转运动轴线垂直的直线旋转永磁电机，包括定子机构和动子机构，其特征在于：所述定子机构包括两个侧边线圈（1）、两个侧边铁芯（11）、一个中部线圈（5）、一个中部铁芯（4）和两个连接铁轭（12），所述侧边线圈（1）绕设在侧边铁芯（11）上，两个所述连接铁轭（12）和两个所述侧边铁芯（11）围成一个环形结构，所述连接铁轭（12）与侧边铁芯（11）交错设置，所述中部铁芯（4）连接在两个所述连接铁轭（12）之间，所述中部线圈（5）绕设在中部铁芯（4）上；所述动子机构包括两块侧边永磁体（6）、一块中部永磁体（10）和一个动子支架（7），所述动子支架（7）活动安装在定子机构的上端，两块所述侧边永磁体（6）安装在动子支架（7）的两端，所述中部永磁体（10）安装在动子支架（7）的中部。
2.根据权利要求1所述的一种直线运动轴线与旋转运动轴线垂直的直线旋转永磁电机，其特征在于：两个所述连接铁轭（12）的侧部均连接有滑轨支架（2），两个所述滑轨支架（2）上连接有直线滑轨（3），所述动子支架（7）可沿着直线滑轨（3）滑动。
3.根据权利要求2所述的一种直线运动轴线与旋转运动轴线垂直的直线旋转永磁电机，其特征在于：所述直线滑轨（3）的下端安装有直线滑块（9），所述动子支架（7）通过转动轴承（8）转动安装在直线滑块（9）的下端。
4.根据权利要求3所述的一种直线运动轴线与旋转运动轴线垂直的直线旋转永磁电机，其特征在于：所述转动轴承（8）嵌设在直线滑块（9）上，所述转动轴承（8）的内圈插接有运动输出终端（13），所述运动输出终端（13）的端部连接在动子支架（7）上。
5.根据权利要求1所述的一种直线运动轴线与旋转运动轴线垂直的直线旋转永磁电机，其特征在于：两块所述侧边永磁体（6）的尺寸相同，两个所述侧边线圈（1）的匝数和结构尺寸均相同。
6.根据权利要求1所述的一种直线运动轴线与旋转运动轴线垂直的直线旋转永磁电机，其特征在于：在定子机构和动子机构的配合下，可实现直线运动、旋转运动以及直线旋转运动三种运动方式。
7.根据权利要求6所述的一种直线运动轴线与旋转运动轴线垂直的直线旋转永磁电机，其特征在于：直线运动时，所述中部线圈（5）通直流电，根据洛伦兹力原理F=BIL，由于力的作用是相互的，中部永磁体（10）受到持续的作用力，以生成直线运动；
两个所述侧边线圈（1）可根据实际需求确认通电方向或是否通电，若两个侧边永磁体（6）充磁方向相同，两个侧边线圈（1）通入相同方向直流电机，则两个侧边永磁体（6）受到相同方向电磁力进而生成直线运动；若两个侧边永磁体（6）充磁方向相反，两个侧边线圈（1）通入相反方向直流电机，则两个侧边永磁体（6）受到相同方向电磁力进而生成直线运动；若实际工况对直线推力要求不高，两个侧边线圈（1）可不通电，由中部线圈（5）和中部永磁体（10）提供直线推力。
8.根据权利要求6所述的一种直线运动轴线与旋转运动轴线垂直的直线旋转永磁电机，其特征在于：旋转运动时，若需生成单独的旋转运动，中部线圈（5）不通电，两个侧边线圈（1）可根据实际需求选择通电方向，若两个侧边永磁体（6）充磁方向相同，两个侧边线圈（1）通入相反方向直流电机，则两个侧边永磁体（6）受到相反方向电磁力进而生成有效的旋转转矩，以产生旋转运动；若两个侧边永磁体（6）充磁方向相反，两个侧边线圈（1）通入相同方向直流电机，则两个侧边永磁体（6）受到相反方向电磁力进而生成有效的旋转转矩。
9.根据权利要求6所述的一种直线运动轴线与旋转运动轴线垂直的直线旋转永磁电机，其特征在于：直线旋转运动时，中部线圈（5）通直流电，根据洛伦兹力原理F=BIL，由于力的作用是相互的，中部永磁体（10）受到持续的作用力，以生成直线运动；
如两个侧边永磁体（6）充磁方向相同，两个侧边线圈（1）通入相反方向直流电机，则两个侧边永磁体受到相反方向电磁力进而生成有效的旋转转矩，以产生旋转运动；若两个侧边永磁体（6）充磁方向相反，两个侧边线圈（1）通入相同方向直流电机，则两个侧边永磁体（6）受到相反方向电磁力进而生成有效的旋转转矩，以产生旋转运动。
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