CN116345830A - 一种直线与旋转复合运动电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直线与旋转复合运动电机，包括直线电机模块、旋转电机模块和电机轴；所述直线电机模块的定子部分和旋转电机模块的定子部分固定连接，所述直线电机模块的动子部分和旋转电机模块的动子部分同轴设置并分别与电机轴装配；所述直线电机模块的动子部分与电机轴之间通过转动轴承实现轴向固定且周向转动装配，所述旋转电机模块的动子部分与电机轴之间通过滑套组件周向固定且轴向滑动装配。本发明的一种直线与旋转复合运动电机结构紧凑，可以同时实现包含直线运动和旋转运动给的复合运动，通过对直线和旋转运动的惯性进行解耦，显著地改善电机动态性能，可以用于需要同时满足直线运动和旋转运动的复合应用场合。

Description

一种直线与旋转复合运动电机

技术领域

本发明涉及一种直线与旋转复合运动电机，属于特种电机技术领域。

背景技术

直线电机也称线性电机，是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置，主要用于一些对系统动态特性非常高以及特殊环境的场合，比如，半导体生产线等。由于直线电机基于近乎理想的进给传动方式，直线电机渐渐取代了传统的旋转电机驱动的进给装置，以先驱之姿超越了其他伺服电机而广泛应用于多个领域中并得到了快速的发展。

但是随着工业发展越来越精细化，越来越多的工业加工机械臂设备需要同时具备多种自由度的应用场合，这其中就包括了需要同时满足直线运动和旋转运动的直线与旋转复合运动。分别采用直线电机和旋转电机可以实现加工设备的旋转和直线进给，两种不同电机的结合使用不仅仅是简单的结构叠加，还需要对设备其他工业结构和控制方式进行适应设计，这无疑使设备结构设计更复杂，并且增加设备的设计成本。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对采用多电机实现直线与旋转复合运动存在的结构复杂、成本高的问题，提供一种直线与旋转复合运动电机。

本发明采用如下技术方案实现：

一种直线与旋转复合运动电机，包括直线电机模块10、旋转电机模块20和电机轴30；

所述直线电机模块10的定子部分和旋转电机模块20的定子部分固定连接，所述直线电机模块10的动子部分和旋转电机模块20的动子部分同轴设置并分别与电机轴30装配；

所述直线电机模块10的动子部分与电机轴30之间通过转动轴承33实现轴向固定且周向转动装配，所述旋转电机模块20的动子部分与电机轴30之间通过滑套组件34周向固定且轴向滑动装配。

在本发明的一种直线与旋转复合运动电机中，具体的，所述直线电机模块10为筒型永磁直线同步电机，其中，直线电机初级绕组12通过直线电机初级铁芯11固定绕装在直线电机定子外筒17内壁，并通过直线电机定子内筒16封装形成容纳直线电机动子轴向滑动的筒型空间，直线电机动子基座14滑动装配在直线电机定子内筒16内，其外周壁上绕装有直线电机次级永磁体13，所述电机轴30通过转动轴承33与直线电机动子基座14装配。

在本发明的一种直线与旋转复合运动电机中，具体的，所述直线电机动子基座14为圆筒结构，所述电机轴30通过转动轴承33转动装配于圆筒内壁，所述直线电机次级永磁体13沿圆筒外周壁采用N-S磁极排列顺序交替排布，或采用Hallbach排布方式，所述直线电机动子基座14的圆筒外周壁两端部设有与直线电机定子内筒16滑动装配的直线电机动子端滑套15。

在本发明的一种直线与旋转复合运动电机中，进一步的，所述直线电机模块10内设有对电机轴30的直线移动位置进行监测的直线位置检测编码器18，所述直线位置检测编码器18为霍尔位置检测编码器、磁栅尺或光栅尺。

在本发明的一种直线与旋转复合运动电机中，具体的，所述旋转电机模块20为永磁旋转同步电机，其中，旋转电机定子绕组22通过旋转电机定子铁芯21固定绕装在旋转电机定子外筒23内壁，旋转电机转子基座25转动装配在旋转电机定子绕组形成的旋转磁场内，其外周壁上绕装有旋转电机转子永磁体24，所述电机轴30通过滑套组件34与旋转电机转子基座25装配。

在本发明的一种直线与旋转复合运动电机中，优选的，所述滑套组件34采用花键套341，所述花键套341与旋转电机转子基座25同轴固定连接，对应旋转电机模块区域的电机轴30为插装在花键套341内的花键轴段。

在本发明的一种直线与旋转复合运动电机中，优选的，所述滑套组件34采用滚珠导套342，所述滚珠导套342与旋转电机转子基座25同轴固定连接，对应旋转电机模块区域的电机轴30插装在滚珠导套342内，所述滚珠导套342内壁沿圆周方向设有若干部分嵌入导套内壁的滚珠343，所述电机轴30外壁沿轴向设有对应滚珠343其余部分嵌入的导槽。

在本发明的一种直线与旋转复合运动电机中，进一步的，所述旋转电机模块20内设有对电机轴30的旋转角度进行监测的旋转位置检测编码器26，所述旋转位置检测编码器26为光栅编码器、磁栅编码器或霍尔旋转位置编码器。

在本发明的一种直线与旋转复合运动电机中，具体的，所述直线电机模块10位于电机轴30的输出端远端，所述旋转电机模块20靠近电机轴输出端设置，电机模块内部动子部分采用用于电机轴穿过的圆筒结构。

在本发明的一种直线与旋转复合运动电机中，具体的，所述电机轴30整体为空心轴，包括直线轴段31和旋转轴段32，所述直线轴段31对应直线电机模块所在区域设置，所述旋转轴段32对应旋转电机模块所在区域设置，两段轴段同轴固定连接。

本发明具有如下有益效果：

（1）本发明将直线电机、旋转电机组合成一个复合运动电机，同时通过机械结构解耦实现直线运动和旋转运动的独立控制，结合直线/旋转位置检测传感器、电机伺服驱动器，采用矢量控制方式实现直线运动与旋转运动的力矩、速度、位置的精确控制，从而满足直线旋转运动的高精密应用需求。

（2）本发明的复合运动电机在直线电机模块中通过转动轴承实现旋转解耦来输出旋转运动，优选采用轴向推力轴承与电机轴装配，再连接于直线电机动子基座，从而减小动子质量提高动态性能；在旋转电机模块通过滑套组件实现直线解耦来输出直线运动，解耦结构简单，电机内部尺寸空间小。

（3）本发明的复合运动电机在布置旋转电机模块和直线电机模块时，旋转电机模块相比直线电机模块更靠近电机轴的输出端，大幅减小复合运动电机旋转部分的转动惯量，提高系统运行动态性能。

（4）本发明的复合运动电机的电机轴采用中空结构，可使空气在轴中流通，优化需要布置气路的场合电机结构。

综上，本发明提出的一种直线与旋转复合运动电机结构紧凑，可以同时实现包含直线运动和旋转运动给的复合运动，通过对直线和旋转运动的惯性进行解耦，显著地改善电机动态性能，可以用于需要同时满足直线运动和旋转运动的复合应用场合。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为实施例的直线与旋转复合运动电机内部轴向剖视图。

图2为实施例中的直线电机模块内部轴向剖视图。

图3为实施例中的旋转电机模块内部轴向剖视图。

图4为实施例中的旋转电机模块截面剖视图。

图5为实施例中的滑套组件外部结构示意图。

图6为实施例中的滑套组件其中一种内部结构示意图。

图7为实施例中的滑套组件另外一种内部结构示意图。

图中标号：

10-直线电机模块，11-直线电机初级铁芯，12-直线电机初级绕组，13-直线电机次级永磁体，14-直线电机动子基座，15-直线电机动子端滑套，16-直线电机定子内筒，17-直线电机定子外筒，18-直线位置检测编码器；

20-旋转电机模块，21-旋转电机定子铁芯，22-旋转电机定子绕组，23-旋转电机定子外筒，24-旋转电机转子永磁体，25-旋转电机转子基座，26-旋转位置检测编码器，27-旋转电机转子轴承；

30-电机轴，31-直线轴段，32-旋转轴段，33-转动轴承，34-滑套组件，341-花键套，342-滚珠导套，343-滚珠。

具体实施方式

实施例

参见图1，图示中的直线与旋转复合运动电机为本发明的一种具体实施方案，总体包括直线电机模块10、旋转电机模块20和电机轴30三大部分；其中，直线电机模块10用于提供电机直线运动的驱动，旋转电机模块20用于提供电机旋转运动的驱动，电机轴30同时与直线电机模块10和旋转电机模块20的动子部分装配，输出包含直线运动或/和旋转运动的复合动作。

具体的，本实施例中的直线电机模块10的定子部分和旋转电机模块20的定子部分固定连接，两个定子部分外壳构成复合运动电机的整体定子部分，直线电机模块10的动子部分和旋转电机模块20的动子部分同轴设置并分别与电机轴30装配，通过直线电机模块和旋转电机模块分别输出电机轴的直线运动或旋转运动或直线旋转复合运动。

为了实现直线电机模块10输出的直线运动和复合运动电机的旋转运动之间的耦合，直线电机模块10的动子部分与电机轴30之间通过转动轴承33实现轴向固定且周向转动装配，该转动轴承33在直线电机动子部分直线移动和电机轴30输出旋转运动之间耦合；同时，为了实现旋转电机模块20输出的旋转运动和复合运动电机的直线运动之间的耦合，旋转电机模块20的动子部分与电机轴30之间通过滑套组件34周向固定且轴向滑动装配，该滑套组件34在旋转电机动子部分旋转时和电机轴30输出直线运动之间耦合。通过转动轴承33和滑套组件34分别实现电机轴30在直线电机模块10和旋转电机模块20进行两种运动输出的耦合，

具体如图2所示，本实施例优选的，直线电机模块10采用筒型永磁直线同步电机，包括有直线电机初级铁芯11、直线电机初级绕组12、直线电机次级永磁体13、直线电机动子基座14、直线电机动子端滑套15、直线电机定子内筒16、直线电机定子外筒17、直线位置检测编码器18。其中，直线电机初级绕组12通过直线电机初级铁芯11固定绕装在直线电机定子外筒17内壁，并通过直线电机定子内筒16封装形成容纳直线电机动子轴向滑动的筒型空间，初级铁芯和初级绕组参考现有永磁直线同步电机的绕装方式，本实施例在此不做赘述，至此直线电机初级铁芯11、直线电机初级绕组12、直线电机定子内筒16和直线电机定子外筒17组装成直线电机模块10的定子部分。直线电机动子基座14滑动装配在直线电机定子内筒16内，其外周壁上绕装有直线电机次级永磁体13，直线电机动子基座14以及其上绕装的直线电机次级永磁体组装成直线电机模块10的动子部分。

电机轴30通过转动轴承33与直线电机模块动子部分中的直线电机动子基座14装配。本实施例中的直线电机动子基座14为圆筒结构，电机轴30通过转动轴承33转动装配于圆筒内壁，转动轴承33优选采用轴向推力轴承，电机轴30通过转动轴承33转动装配于直线电机动子基座14的一端，电机轴30不需要整个贯穿直线电机内部，减小动子质量提高动态性能。

直线电机次级永磁体13装配在圆筒外周壁，并沿直线电机动子基座14的圆筒外周壁采用N-S磁极排列顺序交替排布，或采用Hallbach排布方式，在直线电机动子基座14装配直线电机次级永磁体的圆筒外周壁两端部套设有直线电机动子端滑套15，直线电机动子基座14通过直线电机动子端滑套15与直线电机定子内筒16滑动装配。

直线电机动子端滑套15凸出于直线电机动子基座外周壁的厚度要略大于直线电机次级永磁体13的厚度，直线电机动子端滑套15与直线电机定子内筒16直接滑动接触，直线电机次级永磁体13与直线电机定子内筒16之间保持间隙配合。直线电机动子基座14通过端滑套在直线电机定子内筒16内沿轴向直线滑动，同时带动电机轴30输出直线运动。电机轴30与直线电机动子基座14之间通过转动轴承33转动装配，电机轴30相对直线电机动子基座14自由转动，保证旋转电机模块向电机轴30传递输出旋转运动，实现电机轴30在直线电机模块内直线运动和旋转运动的复合运动。由于本实施例的转动轴承33要承受电机轴30和直线电机动子基座14之间的轴向作用力，转动轴承33优选用双向推力轴承，提高转动轴承的使用寿命。

结合参见图1，本实施例在直线电机模块10内设有对电机轴30的直线移动位置进行监测的直线位置检测编码器18，本实施例的直线位置检测编码器18优选采用霍尔位置检测编码器，其由环形永磁体、霍尔传感器组成，环形永磁体固定套装在电机轴30对应直线电机模块区域的轴段上，霍尔传感器固定在直线电机定子部分，相对电机轴固定，对随电机轴直线运动的永磁体检测电机轴的直线运动位置。实际应用中，电机轴30的直线位置检测编码器还可以采用磁栅尺或光栅尺。

直线电机模块具有直线电机伺服驱动器，基于编码器18反馈的位置信号，直线电机伺服驱动器通过矢量控制方式驱动直线电机动子运动，从而驱动电机轴的精确直线往复运动。

具体如图3和图4所示，本实施例优选的，旋转电机模块20为永磁旋转同步电机，其中，旋转电机定子绕组22通过旋转电机定子铁芯21固定绕装在旋转电机定子外筒23的内壁，旋转电机定子铁芯21、旋转电机定子绕组22和旋转电机定子外筒23构成了旋转电机模块20的定子部分。有关初级铁芯和初级绕组参考现有永磁旋转同步电机的绕装方式，本实施例在此不做赘述。旋转电机转子基座25的外周壁上绕装有旋转电机转子永磁体24，旋转电机转子基座25两端通过旋转电机转子轴承27转动装配在旋转电机定子外筒23内，其上绕装的旋转电机转子永磁体24位于旋转电机定子绕组形成的旋转磁场内，旋转电机转子基座25以及其上绕装的旋转电机转子永磁体24组装成旋转电机模块20的转子，即旋转电机模块20的动子部分。

如图5所示，电机轴30位于旋转电机模块20区域的旋转轴段32通过滑套组件34与旋转电机转子基座25装配。

进一步的，本实施例的一种优选方案中，滑套组件34采用花键套341，如图6所示，花键套341与旋转电机转子基座25同轴固定连接，对应旋转电机模块区域的电机轴旋转轴段32为插装在花键套341内的花键轴段。

本实施例中的旋转电机转子基座25采用圆筒体结构，花键套341通过紧配合固定装入筒体内壁。花键套341和电机轴30的花键轴段之间通过花键配合传递输出电机轴的旋转运动，同时电机轴30的花键轴段和花键套341之间在轴向可实现轴向滑移，保证直线电机模块向电机轴30传递输出的直线运动，实现电机轴30在旋转电机模块内旋转运动和直线运动的耦合。

作为本实施例的另一种优选方案中，滑套组件34采用滚珠导套342，如图7所示，滚珠导套342与旋转电机转子基座25同轴固定连接，旋转电机转子基座25采用圆筒体结构，滚珠导套342通过紧配合固定装入筒体内壁，与旋转电机转子基座25之间固定同步旋转。对应旋转电机模块区域的电机轴旋转轴段32插装在滚珠导套342内，滚珠导套342内壁沿圆周方向设有若干半圆球槽，每个半圆球槽嵌装有滚珠343，滚珠343部分嵌入滚珠导套内壁的半圆球槽内，电机轴30外壁沿轴向设有对应滚珠343其余部分嵌入的轴向导槽，滚珠343同时嵌入滚珠导套342和电机轴30内。

滚珠导套342和电机轴30之间通过滚珠传递输出电机轴的旋转运动，同时滚珠343嵌入滚珠导套342的半圆球槽可进行原地转动，在电机轴30传递输出直线电机模块的直线运动时，电机轴30相对滚珠导套342做直线运动，滚珠343相对在电机轴30上的轴向导槽内滚动，不限制电机轴30的直线运动。本方案中的滚珠343在电机轴30上的轴向导槽内滚动，较花键配合的摩擦磨损更小。滑套组件通过运动解耦使直线运动质量减小，同时使旋转运动惯量减小，提高复合运动电机动态特性。

结合参见图1，旋转电机模块20内设有对电机轴30的旋转角度进行监测的旋转位置检测编码器26，旋转位置检测编码器26对旋转电机转子基座25进行监测，旋转电机转子基座25与电机轴进行相同的旋转运动，但不发生轴向移动，通过监测旋转电机转子基座25来获取电机轴30的旋转角度。本实施例中的旋转位置检测编码器26为光栅编码器，实际应用中也可以采用磁栅编码器或霍尔旋转位置编码器。

旋转电机模块20具有旋转电机伺服驱动器，基于旋转位置检测编码器26反馈的位置信号，旋转电机伺服驱动器通过矢量控制方式驱动旋转电机转子运动，从而驱动电机轴的精确旋转运动。

在本实施例的复合运动电机只需要旋转运动时，通过直线电机模块的伺服驱动器做位置闭环伺服控制，实现直线电机模块的动子部分锁定不动，旋转电机模块的转子旋转，通过滑套组件带动电机轴30旋转，直线电机模块内部通过转动轴承33与直线电机模块的动子部分解耦，锁定的直线电机模块动子部分不会影响电机轴30的转动。

当复合运动电机只需要直线运动时，通过旋转电机模块的伺服驱动器做位置闭环伺服控制，实现旋转电机的转子锁定不动，直线电机模块的动子轴向运动，带动电机轴30轴向直线运动，旋转电机模块内部通过滑套组件34与旋转电机模块的转子轴向解耦，锁定的旋转电机模块转子不会影响电机轴30的直线运动。

另外，因为直线运动和旋转运动完全解耦，本实施例通过直线电机模块的伺服驱动器和旋转电机模块的伺服驱动器分别可实现电机轴旋转运动与直线运动同时精确控制，实现电机轴的直线+旋转复合运动。关于伺服驱动器对电机的闭环伺服控制技术为本领域单一运动电机的成熟技术，本实施例在此不对电机伺服驱动器进行赘述。

再次参见图1，本实施例中的直线与旋转复合运动电机的模块布局中，直线电机模块10位于电机轴30的输出端远端。旋转电机模块20靠近电机轴输出端设置，旋转电机模块20相比直线电机模块10更靠近电机轴30的输出端，从而大幅减小旋转部分的转动惯量，提高系统运行动态性能。电机模块内部动子部分采用用于电机轴穿过的圆筒结构，即直线电机动子基座14和旋转电机转子基座25均为中空的圆筒结构，电机轴从旋转电机模块定子部分圆筒内部穿过，简化了复合运动电机内部的周向空间，使电机内部结构更紧凑。

直线电机模块10的定子部分和旋转电机模块20的定子部分在端部设有端盖，本实施例中直线电机模块10的一侧端盖与直线电机模块靠近的定子外筒同轴固定，直线电机模块10的端盖内壁用于直线位置检测编码器的安装，旋转电机模块20的两端端盖内壁用于与旋转电机转子基座的旋转电机转子轴承27装配。

进一步的，电机轴30整体为空心轴，包括直线轴段31和旋转轴段32，直线轴段31对应直线电机模块所在区域设置，旋转轴段32对应旋转电机模块所在区域设置，两段轴段同轴固定连接。其中直线轴段31端部通过转动轴承33装配在直线电机动子基座14内部，其轴段上设有用于直线位置检测编码器检测的永磁体。旋转轴段32上加工设置于滑套组件配合的花键槽或导槽，同时安装有用于旋转位置检测编码器检测的检测盘。本实施例中的电机轴30采用两段轴段拼接结构，便于轴段上不同结构特征的加工，轴段采用中空结构，便于空气通过电机轴穿过，可应用于需要真空吸附的设备场合。

在本文中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了表达技术方案的清楚及描述方便，因此不能理解为对本发明的限制。

在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种直线与旋转复合运动电机，其特征在于：包括直线电机模块（10）、旋转电机模块（20）和电机轴（30）；

所述直线电机模块（10）的定子部分和旋转电机模块（20）的定子部分固定连接，所述直线电机模块（10）的动子部分和旋转电机模块（20）的动子部分同轴设置并分别与电机轴（30）装配；

所述直线电机模块（10）的动子部分与电机轴（30）之间通过转动轴承（33）实现轴向固定且周向转动装配，所述旋转电机模块（20）的动子部分与电机轴（30）之间通过滑套组件（34）周向固定且轴向滑动装配。

2.根据权利要求1所述的一种直线与旋转复合运动电机，其特征在于：所述直线电机模块（10）为筒型永磁直线同步电机，其中，直线电机初级绕组（12）通过直线电机初级铁芯（11）固定绕装在直线电机定子外筒（17）内壁，并通过直线电机定子内筒（16）封装形成容纳直线电机动子轴向滑动的筒型空间，直线电机动子基座（14）滑动装配在直线电机定子内筒（16）内，其外周壁上绕装有直线电机次级永磁体（13），所述电机轴（30）通过转动轴承（33）与直线电机动子基座（14）装配。

3.根据权利要求2所述的一种直线与旋转复合运动电机，其特征在于：所述直线电机动子基座（14）为圆筒结构，所述电机轴（30）通过转动轴承（33）转动装配于圆筒内壁，所述直线电机次级永磁体（13）沿圆筒外周壁采用N-S磁极排列顺序交替排布，或采用Hallbach排布方式，所述直线电机动子基座（14）的圆筒外周壁两端部设有与直线电机定子内筒（16）滑动装配的直线电机动子端滑套（15）。

4.根据权利要求3所述的一种直线与旋转复合运动电机，其特征在于：所述直线电机模块（10）内设有对电机轴（30）的直线移动位置进行监测的直线位置检测编码器（18），所述直线位置检测编码器（18）为霍尔位置检测编码器、磁栅尺或光栅尺。

5.根据权利要求1所述的一种直线与旋转复合运动电机，其特征在于：所述旋转电机模块（20）为永磁旋转同步电机，其中，旋转电机定子绕组（22）通过旋转电机定子铁芯（21）固定绕装在旋转电机定子外筒（23）内壁，旋转电机转子基座（25）转动装配在旋转电机定子绕组形成的旋转磁场内，其外周壁上绕装有旋转电机转子永磁体（24），所述电机轴（30）通过滑套组件（34）与旋转电机转子基座（25）装配。

6.根据权利要求5所述的一种直线与旋转复合运动电机，其特征在于：所述滑套组件（34）采用花键套（341），所述花键套（341）与旋转电机转子基座（25）同轴固定连接，对应旋转电机模块区域的电机轴（30）为插装在花键套（341）内的花键轴段。

7.根据权利要求5所述的一种直线与旋转复合运动电机，其特征在于：所述滑套组件（34）采用滚珠导套（342），所述滚珠导套（342）与旋转电机转子基座（25）同轴固定连接，对应旋转电机模块区域的电机轴（30）插装在滚珠导套（342）内，所述滚珠导套（342）内壁沿圆周方向设有若干部分嵌入导套内壁的滚珠（343），所述电机轴（30）外壁沿轴向设有对应滚珠（343）其余部分嵌入的导槽。

8.根据权利要求6或7所述的一种直线与旋转复合运动电机，其特征在于：所述旋转电机模块（20）内设有对电机轴（30）的旋转角度进行监测的旋转位置检测编码器（26），所述旋转位置检测编码器（26）为光栅编码器、磁栅编码器或霍尔旋转位置编码器。

9.根据权利要求1所述的一种直线与旋转复合运动电机，其特征在于：所述直线电机模块（10）位于电机轴（30）的输出端远端，所述旋转电机模块（20）靠近电机轴输出端设置，电机模块内部动子部分采用用于电机轴穿过的圆筒结构。

10.根据权利要求9所述的一种直线与旋转复合运动电机，其特征在于：所述电机轴（30）整体为空心轴，包括直线轴段（31）和旋转轴段（32），所述直线轴段（31）对应直线电机模块所在区域设置，所述旋转轴段（32）对应旋转电机模块所在区域设置，两段轴段同轴固定连接。

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