CN116707255A - 单定子双动子结构、运动解耦式两自由度电机及发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种单定子双动子结构，包括定子组件、中间动子组件和动子组件；所述定子组件和所述动子组件分别同轴套设在所述中间动子组件内外两侧，所述中间动子组件的外侧通过第一轴承机械连接所述定子组件，所述动子组件通过第二轴承机械连接所述中间动子组件的内侧；所述定子组件和所述中间动子组件的外侧作用，构成第一自由度运动单元；所述动子组件和所述中间动子组件的内侧作用，构成第二自由度运动单元。本发明还基于单定子双动子结构提出了一种运动解耦式两自由度电机、运动解耦式两自由度发电机以及风浪发电装置。本发明通过中间动子组件的复用可分别实现两个自由度的运动；不需要中间的转换装置，动力传递效率高，降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种两自由度电机，具体的说，涉及了一种单定子双动子结构、运动解耦式两自由度电机及发电机。
背景技术
两自由度电机具有旋转运动单元和直线运动单元，可以分别做旋转运动、直线运动以及螺旋运动。向其施加电源可使该电机做两自由度机械运动，广泛应用于需要复杂运动的动力系统，如数控机床、机器人、雕刻机、搅拌机、球形阀、汽车生产线等；向其施加机械驱动可使该电机稳定持续发电，广泛应用于新能源发电如风浪结合发电系统。
传统的两自由度电机通常为单动子结构，例如专利文献CN104682642A，CN112994388 B，通过动子做旋转运动、直线运动以及螺旋运动，使绕组和磁场产生相对位移，实现能量转化。该传统的两自由度电机还存在以下缺陷：
1、传统单动子一端通过旋转连杆连接旋转驱动（或负载），另一端通过直线连杆连接直线驱动（或负载），三者均为固定连接，必然做同步运动，旋转驱动带动动子旋转时必须带动直线驱动同步旋转，直线驱动带动动子直线运动时必须带动旋转驱动同步运动，而实际中的旋转驱动和直线驱动均为复杂的大体量部件，三者同步运动会造成较大能量损失，降低了电机效率；
2、具体到永磁同步电机结构时，永磁体贴在动子内外表面，跟随动子做两自由度运动，大大增加了永磁体退磁风险，减少了永磁体寿命；
3、应用方面，传统单动子结构应用于同时做直线旋转运动的负载，无法应用于单独做旋转运动或直线运动的负载。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供了一种单定子双动子结构、运动解耦式两自由度电机及发电机。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：第一方面提供一种单定子双动子结构，包括定子组件、中间动子组件和动子组件；所述定子组件和所述动子组件分别同轴套设在所述中间动子组件内外两侧，所述中间动子组件的外侧通过第一轴承机械连接所述定子组件，所述动子组件通过第二轴承机械连接所述中间动子组件的内侧；所述定子组件和所述中间动子组件的外侧作用，构成第一自由度运动单元；所述动子组件和所述中间动子组件的内侧作用，构成第二自由度运动单元。
通过采用上述技术方案，使得直线运动和旋转运动进行解耦，无需同步运动，降低了能量损失，提升了电机效率；所述定子双转子结构两端可以同时应用于单独做旋转运动或直线运动的负载。
在第一种实施例中，所述第一轴承为旋转轴承，所述第一自由度运动单元为旋转运动单元；所述第二轴承为直线旋转轴承，所述第二自由度运动单元为直线运动单元。
在该实施方式中，所述定子组件、所述中间动子组件和所述动子组件有四种结构。
第一种结构中，所述定子组件包括定子铁芯，所述定子铁芯内侧表面沿轴向开设有电枢绕组槽I，每个电枢绕组槽I内设置有一个电枢绕组I；
所述中间动子组件包括中间动子铁芯，所述中间动子铁芯外侧表面设置有沿着径向方向交替充磁的磁体；所述中间动子铁芯内侧表面沿径向开设有电枢绕组槽II，每个电枢绕组槽II内设置有一个电枢绕组II；
所述动子组件包括动子铁芯，所述动子铁芯外侧表面设置有沿着圆心方向交替辐射充磁的磁体。
第二种结构中，所述定子组件包括定子铁芯，所述定子铁芯内侧表面沿轴向开设有电枢绕组槽I，每个电枢绕组槽I内设置有一个电枢绕组I；
所述中间动子组件包括中间动子铁芯，所述中间动子铁芯外侧表面设置有沿着径向方向充磁的磁体；
所述中间动子铁芯内侧表面设置有沿着圆心方向辐射充磁的磁体；
所述动子组件包括动子铁芯，所述动子铁芯外侧表面沿径向开设有电枢绕组槽II，每个电枢绕组槽II内设置有一个电枢绕组II。
第三种结构中，所述定子组件包括定子铁芯，所述定子铁芯内侧表面设置有沿着径向方向交替充磁的磁体；
所述中间动子组件包括中间动子铁芯，所述中间动子铁芯外侧表面沿轴向开设有电枢绕组槽I，每个电枢绕组槽I内设置有一个电枢绕组I；所述中间动子铁芯内侧表面设置有沿着圆心方向交替辐射充磁的磁体；
所述动子组件包括动子铁芯，所述动子铁芯外侧表面沿径向开设有电枢绕组槽II，每个电枢绕组槽II内设置有一个电枢绕组II。
优选的，所述磁体为双极性永磁体或电磁体，任意相邻磁体的磁极相反。优选的，所述磁体为单极性永磁体。
第四种结构中，所述定子组件包括定子铁芯，所述定子铁芯内侧表面设置有沿着径向方向交替充磁的磁体；
所述中间动子组件包括中间动子铁芯，所述中间动子铁芯外侧表面沿轴向开设有电枢绕组槽I，每个电枢绕组槽I内设置有一个电枢绕组I；
所述中间动子铁芯内侧表面沿径向开设有电枢绕组槽II，每个电枢绕组槽II内设置有一个电枢绕组II；
所述动子组件包括动子铁芯，所述动子铁芯外侧表面设置有沿着圆心方向交替辐射充磁的磁体。
在第二种实施例中，所述第一轴承为直线轴承，所述第一自由度运动单元为直线运动单元；所述第二轴承为直线旋转轴承，所述第二自由度运动单元为旋转运动单元。
在该实施方式中，所述定子组件、所述中间动子组件和所述动子组件有四种结构。
第一种结构中，所述定子组件包括定子铁芯，所述定子铁芯内侧表面沿径向开设有电枢绕组槽I，每个电枢绕组槽I内设置有一个电枢绕组I；
所述中间动子组件包括中间动子铁芯，所述中间动子铁芯外侧表面设置有沿着圆心方向辐射充磁的磁体；所述中间动子铁芯内侧表面沿轴向开设有电枢绕组槽II，每个电枢绕组槽II内设置有一个电枢绕组II；
所述动子组件包括动子铁芯，所述动子铁芯外侧表面设置有沿着径向方向充磁的磁体。
第二种结构中，所述定子组件包括定子铁芯，所述定子铁芯内侧表面沿径向开设有电枢绕组槽I，每个电枢绕组槽I内设置有一个电枢绕组I；
所述中间动子组件包括中间动子铁芯，所述中间动子铁芯外侧表面设置有沿着圆心方向辐射充磁的磁体；
所述中间动子铁芯内侧表面设置有沿着径向方向充磁的磁体；
所述动子组件包括动子铁芯，所述动子铁芯外侧表面沿轴向开设有电枢绕组槽II，每个电枢绕组槽II内设置有一个电枢绕组II。
第三种结构中，所述定子组件包括定子铁芯，所述定子铁芯内侧表面设置有沿着圆心方向辐射充磁的磁体；
所述中间动子组件包括中间动子铁芯，所述中间动子铁芯外侧表面沿径向开设有电枢绕组槽I，每个电枢绕组槽I内设置有一个电枢绕组I；所述中间动子铁芯内侧表面设置有沿着径向方向充磁的磁体；
所述动子组件包括动子铁芯，所述动子铁芯外侧表面沿轴向开设有电枢绕组槽II，每个电枢绕组槽II内设置有一个电枢绕组II。
第四种结构种，所述定子组件包括定子铁芯，所述定子铁芯内侧表面设置有沿着圆心方向辐射充磁的磁体；
所述中间动子组件包括中间动子铁芯，所述中间动子铁芯外侧表面沿径向开设有电枢绕组槽I，每个电枢绕组槽I内设置有一个电枢绕组I；
所述中间动子铁芯内侧表面沿轴向开设有电枢绕组槽II，每个电枢绕组槽II内设置有一个电枢绕组II；
所述动子组件包括动子铁芯，所述动子铁芯外侧表面设置有沿着径向方向充磁的磁体。
优选的，所述磁体为永磁体，所述永磁体的充磁方式为传统充磁方式、交替极充磁方式和Halbach阵列。
本发明基于单定子双动子结构的两种实施例提出了一种运动解耦式两自由度电机，包括前两种实施例中任意一种单定子双动子结构、第一供电电源和第二供电电源，所述第一供电电源与所述单定子双动子结构的电枢绕组I电连接，所述第二供电电源与所述单定子双动子结构的电枢绕组II电连接；所述单定子双动子结构的中间动子组件与所述定子组件机械连接的一端通过第一连杆机械连接第一自由度动作执行机构；所述单定子双动子结构的动子组件与所述中间动子组件组件机械连接的一端通过第二连杆机械连接第二自由度动作执行机构。
本发明基于单定子双动子结构的两种实施例提出了一种运动解耦式两自由度发电机，包括前两种实施例中任意一种单定子双动子结构、第一运动驱动源和第二运动驱动源，所述单定子双动子结构的中间动子组件与所述定子组件机械连接的一端通过第一连杆连接第一运动驱动源；所述单定子双动子结构的动子组件与所述中间动子组件连接的一端通过直线连杆机械连接第二运动驱动源；所述单定子双动子结构的电枢绕组I和电枢绕组II通过整流单元与电网电连接。
本发明基于运动解耦式两自由度发电机提出了一种风浪发电装置，包括垂直轴风机、两自由度发电机、振荡浮子和安装平台；所述两自由度发电机为所述的运动解耦式两自由度发电机；所述垂直轴风机的旋转轴为中空结构，所述运动解耦式两自由度发电机的旋转连杆与所述旋转轴刚性连接；所述运动解耦式两自由度发电机的直线连杆固定安装在振荡浮子上；所述运动解耦式两自由度发电机的定子组件通过安装平台固定在所述安装平台上。
通过采用上述技术方案，系统部件功能复用，风电和波浪发电共享制造成本，降低费用投入。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，
1、本发明的一种单定子双动子结构，包括定子组件、中间动子组件和动子组件；所述定子组件和所述动子组件分别同轴套设在所述中间动子组件内外两侧，所述中间动子组件的外侧通过第一轴承机械连接所述定子组件，所述动子组件通过第二轴承机械连接所述中间动子组件的内侧；所述定子组件和所述中间动子组件的外侧作用，构成第一自由度运动单元；所述动子组件和所述中间动子组件的内侧作用，构成第二自由度运动单元；中间动子组件的复用减小了体积，可分别实现两个自由度的运动；不需要中间的转换装置，动力传递效率高，降低了成本。
2、所述单定子双动子结构可以通过两根连杆独立进行输出，通过第一连杆机械连接第一自由度动作执行机构或第一运动驱动源，通过第二连杆机械连接第二自由度动作执行机构或第二运动驱动源，无需第一自由度动作执行机构或第一运动驱动源和第二自由度动作执行机构或第二运动驱动源同步运动，减少了电能消耗，增加能量利用率。
3、本发明单定子双动子结构中第一自由度运动单元和第二自由度运动单元磁路基本独立，可以分开进行电磁设计和优化；永磁体只随中间动子做旋转运动，直线方向的永磁体损耗降低，永磁体寿命得到延长。
4、本发明利用单定子双动子结构组成的运动解耦式两自由度发电机，复用中间动子，不需要中间的转换装置，动力传递效率高，降低了成本，提高发电效率。
附图说明
图1是本发明单定子双动子结构的一种实施结构。
图2是图1所示实施结构的俯视图。
图3是图2中A-A面的剖面图。
图4是本发明图1所示实施结构的中定子组件的结构示意图。
图5是本发明图1所示实施结构的中中间动子的结构示意图。
图6是本发明图1所示实施结构的中动子组件的结构示意图。
图7是运动解耦式两自由度电机的结构示意图。
图8是风浪发电装置的结构示意图。
图中，1.定子组件；2.中间动子组件；3.动子组件；4.定子铁心；5.电枢绕组I；6.中间动子铁芯；7.磁体I；8.磁体II；9.动子铁芯；10.电枢组II；11.第一连杆；12.第二连杆；13.垂直轴风机；14.安装平台；15.振荡浮子。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种单定子双动子结构，包括定子组件1、中间动子组件2和动子组件3；所述定子组件1和所述动子组件3分别同轴套设在所述中间动子组件2内外两侧，所述中间动子组件2的的外侧通过第一轴承机械连接所述定子组件1，所述动子组件3通过第二轴承机械连接所述中间动子组件2的的内侧；所述定子组件1和所述中间动子组件2的外侧作用，构成第一自由度运动单元；所述动子组件3和所述中间动子组件2的内侧作用，构成第二自由度运动单元。
其中，在一种实施例中，所述第一轴承为旋转轴承，所述第一自由度运动单元为旋转运动单元；所述第二轴承为直线旋转轴承，所述第二自由度运动单元为直线运动单元。
在另一实施例中，所述第一轴承为直线轴承，所述第一自由度运动单元为直线运动单元；所述第二轴承为直线旋转轴承，所述第二自由度运动单元为旋转运动单元。
可以看出，中间动子组件2的复用不仅减小了体积，还分别实现两个自由度的运动，从而可以应用到单独或同时进行两个自由度运动的场景。
实施例2
本实施例给出了实施例1所述第一轴承为旋转轴承，所述第一自由度运动单元为旋转运动单元；所述第二轴承为直线旋转轴承，所述第二自由度运动单元为直线运动单元时，所述单定子双动子结构的两种具体实施结构。
第一种实施结构中，所述定子组件1包括定子铁芯4，所述定子铁芯4内侧表面沿轴向开设有电枢绕组槽I，每个电枢绕组槽I内设置有一个电枢绕组I 5；
所述中间动子组件2包括中间动子铁芯6，所述中间动子铁芯6外侧表面设置有沿着径向方向充磁的磁体I 7；
所述中间动子铁芯6内侧表面设置有沿着圆心方向辐射充磁的磁体II 8；
所述动子组件3包括动子铁芯9，所述动子铁芯9外侧表面沿径向开设有电枢绕组槽II，每个电枢绕组槽II内设置有一个电枢绕组II 10。
具体的，所述磁体I 7和所述磁体II 8为永磁体，所述永磁体的充磁方式为传统充磁方式、交替极充磁方式和Halbach阵列。其中，传统充磁方式指的是永磁体按照NSNS或SNSN方式进行充磁；交替极充磁方式指的是永磁体按照N极和铁磁极交替或S极和铁磁极交替方式进行充磁。
如图1-6所示，为所述定子组件1、中间动子组件2和所述动子组件3的一种实现机构。具体的，所述定子铁芯4内侧表面沿轴向开设有径向的电枢绕组槽I，每个电枢绕组槽I内设置有一个电枢绕组I 5；所述中间动子铁芯6外侧表面的磁体I 7为任意相邻磁体的磁极相反的径向的双极性永磁体，其沿周向设置；所述中间动子铁芯6内侧表面的磁体II 8为任意相邻磁体的磁极相反的环形的双极性永磁体，其沿轴向设置；所述动子铁芯9外侧表面沿径向开设有轴向的电枢绕组槽II，每个电枢绕组槽II内设置有一个电枢绕组II 10。
第二种实施结构中，所述定子组件1包括定子铁芯4，所述定子铁芯4内侧表面沿轴向开设有电枢绕组槽I，每个电枢绕组槽I内设置有一个电枢绕组I 5；
所述中间动子组件2包括中间动子铁芯6，所述中间动子铁芯6外侧表面设置有沿着径向方向充磁的磁体I 7；所述中间动子铁芯6内侧表面沿径向开设有电枢绕组槽II，每个电枢绕组槽II内设置有一个电枢绕组II 10；
所述动子组件3包括动子铁芯9，所述动子铁芯9外侧表面设置有沿着圆心方向辐射充磁的磁体II 8。
可以看出，该两种实施例中，所述定子组件1和所述中间动子组件2的外侧结构相同，区别在于所述动子组件3和所述中间动子组件2的内侧结构，即电枢绕组II 10和磁体II的安放位置互换。
两种具体实施结构的实施原理相同，具体为：所述电枢绕组I 5通电而所述电枢绕组II 10未通电时，在所述定子铁芯4和所述中间动子铁芯6之间产生平行于定子铁芯4周向的磁场，该磁场与所述电枢绕组I 5的磁场作用产生平行于所述定子铁芯4周向的周向力。
所述电枢绕组II 10通电而所述电枢绕组I 5未通电时，在所述中间动子铁芯6和所述动子铁芯9之间产生平行于定子铁芯4轴线的磁场，该磁场与所述电枢绕组II 10的磁场作用产生平行于所述定子铁芯4轴线的轴向力。
所述电枢绕组I 5和所述电枢绕组II 10均通电时，所述定子铁芯4和所述中间动子铁芯6之间产生平行于定子铁芯4周向的磁场，从而在所述定子铁芯4和所述中间动子铁芯6之间产生周向力；同时，所述中间动子铁芯6和所述动子铁芯9之间产生平行于定子铁芯4轴线的磁场，从而在所述中间动子铁芯6和所述动子铁芯9之间产生轴向力。
可以理解，本发明单定子双动子结构中第一自由度运动单元和第二自由度运动单元磁路基本独立，可以分开进行电磁设计和优化；且永磁体只随中间动子做旋转运动，直线方向的永磁体损耗降低，永磁体寿命得到延长。
可以理解，在具体实施时，所述磁体I 7和/或所述磁体II 8还可以替换为绕组线圈，以应用到感应电机中。
实施例3
本实施例给出了实施例1中所述第一轴承为旋转轴承，所述第一自由度运动单元为旋转运动单元；所述第二轴承为直线旋转轴承，所述第二自由度运动单元为直线运动单元时，所述单定子双动子结构的另两种具体实施结构。
在第三种实施结构中，所述定子组件1包括定子铁芯4，所述定子铁芯4内侧表面设置有沿着径向方向交替充磁的磁体I 7；
所述中间动子组件2包括中间动子铁芯6，所述中间动子铁芯6外侧表面沿轴向开设有电枢绕组槽I，每个电枢绕组槽I内设置有一个电枢绕组I 5； 所述中间动子铁芯6内侧表面设置有沿着圆心方向交替辐射充磁的磁体II 8；
所述动子组件3包括动子铁芯9，所述动子铁芯9外侧表面沿径向开设有电枢绕组槽II，每个电枢绕组槽II内设置有一个电枢绕组II 10。
在第四种实施结构中，所述定子组件1包括定子铁芯4，所述定子铁芯4内侧表面设置有沿着径向方向交替充磁的磁体I 7；
所述中间动子组件2包括中间动子铁芯6，所述中间动子铁芯6外侧表面沿轴向开设有电枢绕组槽I，每个电枢绕组槽I内设置有一个电枢绕组I 5；
所述中间动子铁芯6内侧表面沿径向开设有电枢绕组槽II，每个电枢绕组槽II内设置有一个电枢绕组II 10；
所述动子组件3包括动子铁芯9，所述动子铁芯9外侧表面设置有沿着圆心方向交替辐射充磁的磁体II 8。
可以看出，该两种实施结构中，所述中间动子组件2和所述动子组件3的结构与实施例2中相反，从而所述中间动子组件2和所述动子组件3所作的运动也相反。
并且，本实施例中所述单定子双动子结构的两种实施结构中，所述定子组件1和所述中间动子组件2的外侧结构相同，所述动子组件3和所述中间动子组件2的内侧结构不同，具体的，电枢绕组II 10和磁体II 8的安放位置互换。
本实施例的实施原理为：
所述电枢绕组I 5通电而所述电枢绕组II 10未通电时，在所述定子铁芯4和所述中间动子铁芯6之间产生平行于定子铁芯4周向的磁场，该磁场与所述电枢绕组I 5的磁场作用产生平行于所述定子铁芯4周向的周向力。
所述电枢绕组II 10通电而所述电枢绕组I 5未通电时，在所述中间动子铁芯6和所述动子铁芯9之间产生平行于定子铁芯4轴线的磁场，该磁场与所述电枢绕组II 10的磁场作用产生平行于所述定子铁芯4轴线的轴向力。
所述电枢绕组I 5和所述电枢绕组II 10均通电时，所述定子铁芯4和所述中间动子铁芯6之间产生平行于定子铁芯4周向的磁场，从而在所述定子铁芯4和所述中间动子铁芯6之间产生周向力；同时，所述中间动子铁芯6和所述动子铁芯9之间产生平行于定子铁芯4轴线的磁场，从而在所述中间动子铁芯6和所述动子铁芯9之间产生轴向力。
可以看出，本实施例与实施例2中所述电枢绕组和所述磁体的位置与实施例不同，但工作原理是相同的，第一自由度运动单元和第二自由度运动单元磁路基本独立，可以分开进行电磁设计和优化；当应用于永磁同步电机结构时，永磁体只随中间动子做旋转运动，直线方向的永磁体损耗降低，永磁体寿命得到延长。
具体的，所述磁体I 7和所述磁体II 8为永磁体，所述永磁体的充磁方式为传统充磁方式、交替极充磁方式和Halbach阵列。其中，传统充磁方式指的是永磁体按照NSNS或SNSN方式进行充磁；交替极充磁方式指的是永磁体按照N极和铁磁极交替或S极和铁磁极交替方式进行充磁。
实施例4
本实施例给出了实施例1中所述第一轴承为直线旋转轴承，所述第一自由度运动单元为直线运动单元；所述第二轴承为旋转轴承，所述第二自由度运动单元为旋转运动单元时，所述单定子双动子结构的两种具体实施结构。
在第一种实施结构中，所述定子组件1包括定子铁芯4，所述定子铁芯4内侧表面沿径向开设有电枢绕组槽I，每个电枢绕组槽I内设置有一个电枢绕组I 5；
所述中间动子组件2包括中间动子铁芯6，所述中间动子铁芯6外侧表面设置有沿着圆心方向辐射充磁的磁体I 7；所述中间动子铁芯6内侧表面沿轴向开设有电枢绕组槽II，每个电枢绕组槽II内设置有一个电枢绕组II 10；
所述动子组件3包括动子铁芯9，所述动子铁芯9外侧表面设置有沿着径向方向充磁的磁体II 8。
在第二种实施结构中，所述定子组件1包括定子铁芯4，所述定子铁芯4内侧表面沿径向开设有电枢绕组槽I，每个电枢绕组槽I内设置有一个电枢绕组I 5；
所述中间动子组件2包括中间动子铁芯6，所述中间动子铁芯6外侧表面设置有沿着圆心方向辐射充磁的磁体I 7；
所述中间动子铁芯6内侧表面设置有沿着径向方向充磁的磁体II 8；
所述动子组件3包括动子铁芯9，所述动子铁芯9外侧表面沿轴向开设有电枢绕组槽II，每个电枢绕组槽II内设置有一个电枢绕组II 10。
可以看出，该两种实施结构中，所述定子组件1和所述中间动子组件2的外侧结构相同，区别在于所述动子组件3和所述中间动子组件2的内侧结构，即电枢绕组II 10和磁体II 8的安放位置互换。
本实施例两种实施结构的实施原理为：
所述电枢绕组I 5通电而所述电枢绕组II 10未通电时，在所述定子铁芯4和所述中间动子铁芯6之间产生平行于定子铁芯4轴线的磁场，该磁场与所述电枢绕组I 5的磁场作用产生平行于所述定子铁芯4轴线的轴向力。
所述电枢绕组II 10通电而所述电枢绕组I 5未通电时，在所述中间动子铁芯6和所述动子铁芯9之间产生平行于定子铁芯4周向的磁场，该磁场与所述电枢绕组II 10的磁场作用产生平行于所述定子铁芯4周向的周向力。
所述电枢绕组I 5和所述电枢绕组II 10均通电时，所述定子铁芯4和所述中间动子铁芯6之间产生平行于定子铁芯4轴线的磁场，从而在所述定子铁芯4和所述中间动子铁芯6之间产生轴向力；同时，所述中间动子铁芯6和所述动子铁芯9之间产生平行于定子铁芯4周向的磁场，从而在所述中间动子铁芯6和所述动子铁芯9之间产生周向力。
可以看出，本实施例与实施例2的区别在于：所述中间动子铁芯6和所述动子铁芯9所作的运动相反，本实施例中，所述中间动子铁芯6做直线运动，所述动子铁芯9相对于所述中间动子铁芯6做旋转运动。
实施例5
本实施例给出了实施例1中所述第一轴承为直线旋转轴承，所述第一自由度运动单元为直线运动单元；所述第二轴承为旋转轴承，所述第二自由度运动单元为旋转运动单元时，所述单定子双动子结构的另两种具体实施结构。
在第三种实施结构中，所述定子组件1包括定子铁芯4，所述定子铁芯4内侧表面设置有沿着圆心方向辐射充磁的磁体I 7；
所述中间动子组件2包括中间动子铁芯6，所述中间动子铁芯6外侧表面沿径向开设有电枢绕组槽I，每个电枢绕组槽I内设置有一个电枢绕组I 5；所述中间动子铁芯6内侧表面设置有沿着径向方向充磁的磁体II8；
所述动子组件3包括动子铁芯9，所述动子铁芯9外侧表面沿轴向开设有电枢绕组槽II，每个电枢绕组槽II内设置有一个电枢绕组II 10。
在第四种实施结构中，所述定子组件1包括定子铁芯4，所述定子铁芯4内侧表面设置有沿着圆心方向辐射充磁的磁体I 7；
所述中间动子组件2包括中间动子铁芯6，所述中间动子铁芯6外侧表面沿径向开设有电枢绕组槽I，每个电枢绕组槽I内设置有一个电枢绕组I 5；
所述中间动子铁芯6内侧表面沿轴向开设有电枢绕组槽II，每个电枢绕组槽II内设置有一个电枢绕组II 10；
所述动子组件3包括动子铁芯9，所述动子铁芯9外侧表面设置有沿着径向方向充磁的磁体II 8。
可以看出，该两种实施结构中，所述定子组件1和所述中间动子组件2的外侧结构相同，区别在于所述动子组件3和所述中间动子组件2的内侧结构，即电枢绕组II 10和磁体II 8的安放位置互换。
本实施例中两种实施结构的实施原理为：
所述电枢绕组I 5通电而所述电枢绕组II 10未通电时，在所述定子铁芯4和所述中间动子铁芯6之间产生平行于定子铁芯4轴线的磁场，该磁场与所述电枢绕组I 5的磁场作用产生平行于所述定子铁芯4轴线的轴向力。
所述电枢绕组II 10通电而所述电枢绕组I 5未通电时，在所述中间动子铁芯6和所述动子铁芯9之间产生平行于定子铁芯4周向的磁场，该磁场与所述电枢绕组II 10的磁场作用产生平行于所述定子铁芯4周向的周向力。
所述电枢绕组I 5和所述电枢绕组II 10均通电时，所述定子铁芯4和所述中间动子铁芯6之间产生平行于定子铁芯4轴线的磁场，从而在所述定子铁芯4和所述中间动子铁芯6之间产生轴向力；同时，所述中间动子铁芯6和所述动子铁芯9之间产生平行于定子铁芯4周向的磁场，从而在所述中间动子铁芯6和所述动子铁芯9之间产生周向力。
可以看出，本实施例与实施例4中所述电枢绕组和所述磁体的位置与实施例不同，但工作原理是相同的，第一自由度运动单元和第二自由度运动单元磁路基本独立，可以分开进行电磁设计和优化；永磁体只随中间动子做旋转运动，直线方向的永磁体损耗降低，永磁体寿命得到延长。
实施例6
本发明基于单定子双动子结构的两种实施例提出了一种运动解耦式两自由度电机，如图7所示，包括实施例2至3任意一种单定子双动子结构、第一供电电源和第二供电电源，所述第一供电电源与所述单定子双动子结构的电枢绕组I 5电连接，所述第二供电电源与所述单定子双动子结构的电枢绕组II 10电连接；所述单定子双动子结构的中间动子组件2的一端通过第一连杆11机械连接第一自由度动作执行机构；所述单定子双动子结构的动子组件3远离所述第一连杆11的一端通过第二连杆12机械连接第二自由度动作执行机构。
其中，所述第一轴承为旋转轴承，所述第一自由度运动单元为旋转运动单元，所述第一连杆11为旋转连杆；第一自由度动作执行机构为旋转动作执行机构；所述第二轴承为直线旋转轴承，所述第二自由度运动单元为直线运动单元，所述第二连杆12为直线连杆；第二自由度动作执行机构为直线动作执行机构。
具体的，所述运动解耦式两自由度电机的工作原理如下：
当需要驱动旋转动作执行机构动作时，控制所述电枢绕组I 5通电而所述电枢绕组II 10不通电，此时在所述定子铁芯4和所述中间动子铁芯6之间产生平行于定子铁芯4周向的磁场，该磁场与所述电枢绕组I 5的磁场作用产生周向力，从而推动所述旋转连杆旋转运动，并带动所述旋转动作执行机构动作。
当需要驱动所述直线动作执行机构动作时，控制所述电枢绕组II 10通电而所述电枢绕组I 5不通电，在所述中间动子铁芯6和所述动子铁芯9之间产生平行于定子铁芯4轴线的磁场，该磁场与所述电枢绕组II 10的磁场作用产生轴向力，从而推动所述直线连杆相对于所述中间动子铁芯6直线运动，并带动所述直线动作执行机构动作。
当同时需要驱动所述旋转动作执行机构和所述直线动作执行机构动作时，控制所述电枢绕组I 5和所述电枢绕组II 10同时通电，所述定子铁芯4和所述中间动子铁芯6之间产生平行于定子铁芯4周向的磁场，从而在所述定子铁芯4和所述中间动子铁芯6之间产生周向力，推动所述旋转连杆旋转运动，并带动所述旋转动作执行机构动作；所述中间动子铁芯6和所述动子铁芯9之间产生平行于定子铁芯4轴线的磁场，从而在所述中间动子铁芯6和所述动子铁芯9之间产生平行于所述定子铁芯4轴线的轴向力，从而推动所述直线连杆相对于所述中间动子铁芯6直线运动，并带动所述直线动作执行机构动作。
在具体实现时，所述单定子双动子结构可以通过两根连杆独立进行输出，通过第一连杆11机械连接第一自由度动作执行机构或第一运动驱动源，通过第二连杆12机械连接第二自由度动作执行机构或第二运动驱动源，无需第一自由度动作执行机构或第一运动驱动源和第二自由度动作执行机构或第二运动驱动源同步运动，减少了电能消耗，增加能量利用率。
在具体实现时，所述第一供电电源和所述第二供电电源分别为直流电源和/或交流电源，具体根据需求进行设置。
可以理解，所述运动解耦式两自由度电机为永磁同步电机结构，由于永磁体只随中间动子做旋转运动，直线方向的永磁体损耗降低，从而使得永磁体寿命得到延长。
需要注意的是，还可以将所述单定子双动子结构中的磁体I 7和磁体II 8替换为绕组线圈，此时所述运动解耦式两自由度电机即为感应电机。
实施例7
本发明与实施例6的区别在于：所述单定子双动子结构为实施例4至5任意一种单定子双动子结构，此时，所述第一轴承为直线轴承，所述第一自由度运动单元为直线运动单元，所述第一连杆11为直线连杆；第一自由度动作执行机构为直线动作执行机构；所述第二轴承为直线旋转轴承，所述第二自由度运动单元为旋转运动单元，所述第二连杆12为旋转连杆；第二自由度动作执行机构为旋转动作执行机构。
具体的，所述运动解耦式两自由度电机的工作原理如下：
当需要驱动直线动作执行机构动作时，控制所述电枢绕组I 5通电而所述电枢绕组II 10不通电，此时在所述定子铁芯4和所述中间动子铁芯6之间产生平行于定子铁芯4轴线的磁场，该磁场与所述电枢绕组I 5的磁场作用产生轴向力，从而推动所述直线连杆相对于所述中间动子铁芯6直线运动，并带动所述直线动作执行机构动作。
当需要驱动所述直线动作执行机构动作时，控制所述电枢绕组II 10通电而所述电枢绕组I 5不通电，在所述中间动子铁芯6和所述动子铁芯9之间产生平行于定子铁芯4周向的磁场，该磁场与所述电枢绕组II 10的磁场作用产生周向力，从而推动所述旋转连杆旋转运动，并带动所述旋转动作执行机构动作。
当同时需要驱动所述旋转动作执行机构和所述直线动作执行机构动作时，控制所述电枢绕组I 5和所述电枢绕组II 10同时通电，所述定子铁芯4和所述中间动子铁芯6之间产生平行于定子铁芯4轴线的磁场，该磁场与所述电枢绕组I 5的磁场作用产生平行于所述定子铁芯4轴线的轴向力，从而推动所述直线连杆相对于所述中间动子铁芯6直线运动，并带动所述直线动作执行机构动作；所述中间动子铁芯6和所述动子铁芯9之间产生平行于定子铁芯4周向的磁场，该磁场与所述电枢绕组II 10的磁场作用产生周向力，从而推动所述旋转连杆旋转运动，并带动所述旋转动作执行机构动作。
在具体实现时，所述第一供电电源和所述第二供电电源分别为直流电源和/或交流电源，具体根据需求进行设置。
进一步的，当所述运动解耦式两自由度电机为永磁同步电机结构时，由于永磁体只随中间动子做旋转运动，直线方向的永磁体损耗降低，从而使得永磁体寿命得到延长。
实施例8
本实施例基于实施例2或3所述的单定子双动子结构提出了一种运动解耦式两自由度发电机。
具体的，如图7所示，所述运动解耦式两自由度发电机包括实施例2或3所述的单定子双动子结构、第一运动驱动源和第二运动驱动源，所述单定子双动子结构的中间动子组件2的一端通过第一连杆11连接第一运动驱动源；所述单定子双动子结构的动子组件3远离所述第一连杆11通过第二连杆12机械连接第二运动驱动源；所述单定子双动子结构的电枢绕组I 5和电枢绕组II 10通过整流单元与电网连接。
其中，所述第一轴承为旋转轴承，所述第一自由度运动单元为旋转运动单元，所述第一连杆11为旋转连杆；第一运动驱动源为旋转驱动源；所述第二轴承为直线旋转轴承，所述第二自由度运动单元为直线运动单元，所述第二连杆12为直线连杆；第二运动驱动源为直线驱动源。
所述运动解耦式两自由度发电机的工作原理如下：
当第一运动驱动源带动所述中间动子铁芯6旋转运动时，在所述定子铁芯4和所述中间动子铁芯6之间产生感应电动势，从而使得所述电枢绕组I 5上存在感应电流，并通过整流单元与电网连接。
当第二运动驱动源带动所述动子铁芯9相对于所述中间动子铁芯6直线运动时，在所述动子铁芯9和所述中间动子铁芯6之间产生感应电动势，从而使得所述电枢绕组II 10上存在感应电流，并通过整流单元与电网连接。
可以看出，本发明利用单定子双动子结构组成的运动解耦式两自由度发电机，复用中间动子，可以分别或同时利用两个自由度方向的运动进行发电，且不需要中间的转换装置，动力传递效率高，降低了成本，提高发电效率。
需要注意的是，还可以将所述单定子双动子结构中的磁体I 7和磁体II 8替换为绕组线圈，此时所述运动解耦式两自由度发电机即为感应发电机。
实施例9
本实施例基于实施例4或5所述的单定子双动子结构提出了一种运动解耦式两自由度发电机。
具体的，如图7所示，所述运动解耦式两自由度发电机包括实施例4或5所述的单定子双动子结构、第一运动驱动源和第二运动驱动源，所述单定子双动子结构的中间动子组件2通过第一连杆11连接第一运动驱动源；所述单定子双动子结构的动子组件3远离所述第一连杆11通过第二连杆12机械连接第二运动驱动源；所述单定子双动子结构的电枢绕组I5和电枢绕组II 10通过整流单元与电网电连接。
其中，所述第一轴承为直线轴承，所述第一自由度运动单元为直线运动单元，所述第一连杆11为直线连杆；第一运动驱动源为直线驱动源；所述第二轴承为直线旋转轴承，所述第二自由度运动单元为旋转运动单元，所述第二连杆12为旋转连杆；第二运动驱动源为旋转驱动源。
所述运动解耦式两自由度发电机的工作原理如下：
当第一运动驱动源带动所述中间动子铁芯6直线运动时，在所述定子铁芯4和所述中间动子铁芯6之间产生感应电动势，从而使得所述电枢绕组I 5上存在感应电流，并通过整流单元与电网连接。
当第二运动驱动源带动所述动子铁芯9相对于所述中间动子铁芯6旋转运动时，在所述动子铁芯9和所述中间动子铁芯6之间产生感应电动势，从而使得所述电枢绕组II 10上存在感应电流，并通过整流单元与电网连接。
可以看出，本发明利用单定子双动子结构组成的运动解耦式两自由度发电机，复用中间动子，可以分别或同时利用两个自由度方向的运动进行发电，且不需要中间的转换装置，动力传递效率高，降低了成本，提高发电效率；但本实施例与实施例8的区别在于所述中间动子铁芯6和所述动子铁芯9所连接的运动驱动源相反。
在具体实施时，还可以将所述单定子双动子结构中的磁体I 7和磁体II 8替换为绕组线圈，此时所述运动解耦式两自由度发电机即为感应发电机。
实施例10
本实施例基于实施例8或9提出了一种风浪发电装置。
具体的，如图8所示，所述一种风浪发电装置，包括垂直轴风机13、实施例8或9所述的运动解耦式两自由度发电机、振荡浮子15和安装平台14；所述垂直轴风机13的旋转轴为中空结构，所述运动解耦式两自由度发电机的旋转连杆与所述旋转轴刚性连接；所述运动解耦式两自由度发电机的直线连杆固定安装在振荡浮子15上；所述运动解耦式两自由度发电机的定子组件1通过安装平台固定在所述安装平台14。
本实施例可以充分利用风能和波浪能。具体的，如图8所示，当运动解耦式两自由度发电机为实施例8所述的运动解耦式两自由度发电机时，所述运动解耦式两自由度发电机的第一连杆11为旋转连杆16，所述运动解耦式两自由度发电机的第二连杆12为直线连杆17；在风力作用下，垂直轴风机13的作用使得所述中间动子组件2旋转，电枢绕组I切割磁体I在外气隙中建立的旋转磁场产生感应电动势。在波浪的作用下所述动子组件3上下运动，电枢绕组II切割磁体II在内气隙中建立的磁场产生感应电动势。
当运动解耦式两自由度发电机为实施例9所述的运动解耦式两自由度发电机时，所述运动解耦式两自由度发电机的第一连杆11为直线连杆，所述运动解耦式两自由度发电机的第二连杆12为旋转连杆；在波浪的作用下所述动子组件3上下运动，电枢绕组I切割磁体I在内气隙中建立的磁场产生感应电动势。在风力作用下，垂直轴风力机13的作用使得所述动子组件3旋转，电枢绕组II切割磁体I在外气隙中建立的旋转磁场产生感应电动势。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (15)
1.一种单定子双动子结构，其特征在于：包括定子组件、中间动子组件和动子组件；所述定子组件和所述动子组件分别同轴套设在所述中间动子组件内外两侧，所述中间动子组件的外侧通过第一轴承机械连接所述定子组件，所述动子组件通过第二轴承机械连接所述中间动子组件的内侧；所述定子组件和所述中间动子组件的外侧作用，构成第一自由度运动单元；所述动子组件和所述中间动子组件的内侧作用，构成第二自由度运动单元。
2.根据权利要求1所述的单定子双动子结构，其特征在于：所述第一轴承为旋转轴承，所述第一自由度运动单元为旋转运动单元；所述第二轴承为直线旋转轴承，所述第二自由度运动单元为直线运动单元。
3.根据权利要求1所述的单定子双动子结构，其特征在于：所述第一轴承为直线轴承，所述第一自由度运动单元为直线运动单元；所述第二轴承为直线旋转轴承，所述第二自由度运动单元为旋转运动单元。
4.根据权利要求2所述的单定子双动子结构，其特征在于：
所述定子组件包括定子铁芯，所述定子铁芯内侧表面沿轴向开设有电枢绕组槽I，每个电枢绕组槽I内设置有一个电枢绕组I；
所述中间动子组件包括中间动子铁芯，所述中间动子铁芯外侧表面设置有沿着径向方向充磁的磁体；
所述中间动子铁芯内侧表面沿径向开设有电枢绕组槽II，每个电枢绕组槽II内设置有一个电枢绕组II；
所述动子组件包括动子铁芯，所述动子铁芯外侧表面设置有沿着圆心方向辐射充磁的磁体。
5.根据权利要求2所述的单定子双动子结构，其特征在于：
所述定子组件包括定子铁芯，所述定子铁芯内侧表面沿轴向开设有电枢绕组槽I，每个电枢绕组槽I内设置有一个电枢绕组I；
所述中间动子组件包括中间动子铁芯，所述中间动子铁芯外侧表面设置有沿着径向方向充磁的磁体；
所述中间动子铁芯内侧表面设置有沿着圆心方向辐射充磁的磁体；
所述动子组件包括动子铁芯，所述动子铁芯外侧表面沿径向开设有电枢绕组槽II，每个电枢绕组槽II内设置有一个电枢绕组II。
6.根据权利要求2所述的单定子双动子结构，其特征在于：
所述定子组件包括定子铁芯，所述定子铁芯内侧表面设置有沿着径向方向交替充磁的磁体；
所述中间动子组件包括中间动子铁芯，所述中间动子铁芯外侧表面沿轴向开设有电枢绕组槽I，每个电枢绕组槽I内设置有一个电枢绕组I；所述中间动子铁芯内侧表面设置有沿着圆心方向交替辐射充磁的磁体；
所述动子组件包括动子铁芯，所述动子铁芯外侧表面沿径向开设有电枢绕组槽II，每个电枢绕组槽II内设置有一个电枢绕组II。
7.根据权利要求2所述的单定子双动子结构，其特征在于：
所述定子组件包括定子铁芯，所述定子铁芯内侧表面设置有沿着径向方向交替充磁的磁体；
所述中间动子组件包括中间动子铁芯，所述中间动子铁芯外侧表面沿轴向开设有电枢绕组槽I，每个电枢绕组槽I内设置有一个电枢绕组I；
所述中间动子铁芯内侧表面沿径向开设有电枢绕组槽II，每个电枢绕组槽II内设置有一个电枢绕组II；
所述动子组件包括动子铁芯，所述动子铁芯外侧表面设置有沿着圆心方向交替辐射充磁的磁体。
8.根据权利要求3所述的单定子双动子结构，其特征在于：所述定子组件包括定子铁芯，所述定子铁芯内侧表面沿径向开设有电枢绕组槽I，每个电枢绕组槽I内设置有一个电枢绕组I；
所述中间动子组件包括中间动子铁芯，所述中间动子铁芯外侧表面设置有沿着圆心方向辐射充磁的磁体；所述中间动子铁芯内侧表面沿轴向开设有电枢绕组槽II，每个电枢绕组槽II内设置有一个电枢绕组II；
所述动子组件包括动子铁芯，所述动子铁芯外侧表面设置有沿着径向方向充磁的磁体。
9.根据权利要求3所述的单定子双动子结构，其特征在于：所述定子组件包括定子铁芯，所述定子铁芯内侧表面沿径向开设有电枢绕组槽I，每个电枢绕组槽I内设置有一个电枢绕组I；
所述中间动子组件包括中间动子铁芯，所述中间动子铁芯外侧表面设置有沿着圆心方向辐射充磁的磁体；
所述中间动子铁芯内侧表面设置有沿着径向方向充磁的磁体；
所述动子组件包括动子铁芯，所述动子铁芯外侧表面沿轴向开设有电枢绕组槽II，每个电枢绕组槽II内设置有一个电枢绕组II。
10.根据权利要求3所述的单定子双动子结构，其特征在于：所述定子组件包括定子铁芯，所述定子铁芯内侧表面设置有沿着圆心方向辐射充磁的磁体；
所述中间动子组件包括中间动子铁芯，所述中间动子铁芯外侧表面沿径向开设有电枢绕组槽I，每个电枢绕组槽I内设置有一个电枢绕组I；所述中间动子铁芯内侧表面设置有沿着径向方向充磁的磁体；
所述动子组件包括动子铁芯，所述动子铁芯外侧表面沿轴向开设有电枢绕组槽II，每个电枢绕组槽II内设置有一个电枢绕组II。
11.根据权利要求3所述的单定子双动子结构，其特征在于：所述定子组件包括定子铁芯，所述定子铁芯内侧表面设置有沿着圆心方向辐射充磁的磁体；
所述中间动子组件包括中间动子铁芯，所述中间动子铁芯外侧表面沿径向开设有电枢绕组槽I，每个电枢绕组槽I内设置有一个电枢绕组I；
所述中间动子铁芯内侧表面沿轴向开设有电枢绕组槽II，每个电枢绕组槽II内设置有一个电枢绕组II；
所述动子组件包括动子铁芯，所述动子铁芯外侧表面设置有沿着径向方向充磁的磁体。
12.根据权利要求4至11任一项所述的单定子双动子结构，其特征在于：所述磁体为永磁体，所述永磁体的充磁方式为传统充磁方式、交替极充磁方式和Halbach阵列。
13.一种运动解耦式两自由度电机，其特征在于：包括权利要求4至12任一项所述的单定子双动子结构、第一供电电源和第二供电电源，所述第一供电电源与所述单定子双动子结构的电枢绕组I电连接，所述第二供电电源与所述单定子双动子结构的电枢绕组II电连接；所述单定子双动子结构的中间动子组件的一端通过第一连杆机械连接第一自由度动作执行机构；所述单定子双动子结构的动子组件远离所述第一连杆的一端通过第二连杆机械连接第二自由度动作执行机构。
14.一种运动解耦式两自由度发电机，其特征在于：包括权利要求4至12任一项所述的单定子双动子结构、第一运动驱动源和第二运动驱动源，所述单定子双动子结构的中间动子组件的一端通过第一连杆连接第一运动驱动源；所述单定子双动子结构的动子组件远离所述第一连杆的一端通过第二连杆机械连接第二运动驱动源；所述单定子双动子结构的电枢绕组I和电枢绕组II通过整流单元与电网电连接。
15.一种风浪发电装置，其特征在于：包括垂直轴风机、两自由度发电机、振荡浮子和安装平台；所述两自由度发电机为权利要求14所述的运动解耦式两自由度发电机；所述运动解耦式两自由度发电机的旋转连杆与所述垂直轴风机的旋转轴刚性连接；所述运动解耦式两自由度发电机的直线连杆固定安装在振荡浮子上；所述运动解耦式两自由度发电机的定子组件固定在所述安装平台上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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