CN116846119B - 电机结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电机结构，电机结构包括：定子和动子，定子和动子中的一个包括磁铁阵列，磁铁阵列具有耦合面；定子和动子中的另一个包括电枢绕组，电枢绕组与磁铁阵列磁耦合，电枢绕组包括阵列设置的多个绕组结构，每个绕组结构包括沿垂直于耦合面方向排列的多个线圈结构，在远离耦合面的方向上，至少一个绕组结构的多个线圈结构的面积逐渐减小。本申请的技术方案能够有效地解决相关技术中的动子在运动时受到的齿槽力较大，磁浮平面电机整体体积较大的问题。

Description

电机结构

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体而言，涉及一种电机结构。

背景技术

磁浮平面电机是一种可以直接实现空间多自由度复合运动的电机，其具有结构轻便、可实现高速、高精度的空间轨迹控制等特点，磁浮平面电机一般具有定子和可被驱动的动子，动子通过磁悬浮原理被驱动。

在相关技术中，动子通常是由磁钢阵列组成的，定子通常是由多个线圈叠设的多个线圈组组成的，如此设置的定子，在线圈通电后，其产生的磁场使得动子在运动时受到较大的齿槽力。除此之外，在相关技术中，磁浮平面电机包含的其他结构(例如供电结构)通常设置在定子外部，导致了磁浮平面电机整体体积较大。

目前，在本领域中存在动子在运动时受到的齿槽力较大，磁浮平面电机整体体积大的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种电机结构，以解决相关技术中的动子在运动时受到的齿槽力较大，磁浮平面电机整体体积较大的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种电机结构，包括：定子和动子，定子和动子中的一个包括磁铁阵列，磁铁阵列具有耦合面；定子和动子中的另一个包括电枢绕组，电枢绕组与磁铁阵列磁耦合，电枢绕组包括阵列设置的多个绕组结构，每个绕组结构包括沿垂直于耦合面方向排列的多个线圈结构，在远离耦合面的方向上，至少一个绕组结构的多个线圈结构的面积逐渐减小。

进一步地，每个绕组结构的多个线圈结构的面积逐渐减小，绕组结构中相邻设置的两个线圈结构中，靠近耦合面的线圈结构的面积n与远离耦合面的线圈结构的面积m之间满足：5％≤(n-m)/n≤10％。

进一步地，每个绕组结构中的多个线圈结构的中心轴线共线设置。

进一步地，每个绕组结构包括5至7个线圈结构。

进一步地，动子包括磁铁阵列，定子包括电枢绕组，其中，定子还包括与多个绕组结构一一对应的多个安装座，安装座上设置有线圈槽，线圈结构设置在线圈槽内；或者，定子还包括在垂直于耦合面的方向上依次设置的多个第一PCB板，多个绕组结构中位于同一层的线圈结构设置在同一第一PCB板上；或者，定子还包括第二PCB板及与多个绕组结构一一对应的多个PCB板组，每个PCB板组包括与绕组结构的多个线圈结构一一对应的多个第三PCB板。

进一步地，线圈结构的形状为圆形或者正多边形或者矩形。

进一步地，线圈结构的形状为矩形，其中，矩形的长度与矩形的宽度的比值在2.5至3.5之间。

进一步地，动子包括磁铁阵列，定子包括电枢绕组，电枢绕组包括沿第一方向延伸且间隔设置的第一绕组和沿第二方向延伸且间隔设置的第二绕组，第二方向垂直于第一方向，第一绕组包括沿第一方向间隔设置的多个第一绕组结构，第二绕组包括沿第二方向间隔设置的多个第二绕组结构，其中，第一绕组结构用于驱动动子沿第二方向移动，第二绕组结构用于驱动动子沿第一方向移动。

进一步地，多个数量等同且相邻的第一绕组结构及第二绕组结构沿第三方向依次设置形成绕组单元，多个绕组单元沿第三方向依次设置形成绕组列，在垂直于第三方向的第四方向上，多个绕组列依次相邻设置，其中，第三方向与第一方向和第二方向均呈角度设置，每一绕组单元均包括三个第一绕组结构及三个第二绕组结构。

进一步地，电枢绕组还包括第三绕组，第三绕组与第一绕组及第二绕组邻接，第三绕组包括多个第三绕组结构，每一第三绕组结构均与一第一绕组结构的短边及一第二绕组结构的短边邻接。

进一步地，动子包括磁铁阵列，定子包括电枢绕组，定子还包括能够检测磁铁阵列的磁场变化的磁传感器，磁传感器设置于电枢绕组内。

进一步地，磁铁阵列包括多个halbach单元，每个halbach单元呈长方体结构且包括沿第五方向依次设置的多个磁体单元，多个磁体单元的充磁方向沿顺时针方向或逆时针方向相差间隔角度g，在每一halbach单元中，首尾磁体单元的充磁方向间相差360°-g，其中，每一磁体单元由多个子磁体组成，每一子磁体的充磁方向相同。

进一步地，磁体单元为阶梯状结构，多个磁体单元沿第五方向拼接，每个磁体单元包括充磁方向相同的一个第一矩形磁体、一个第二矩形磁体和一个第三矩形磁体，其中，第一矩形磁体的长度方向垂直于第五方向，第二矩形磁体和第三矩形磁体分别设置在第一矩形磁体宽度上的两侧并与第一矩形磁体贴合设置。

进一步地，halbach单元包括沿第五方向依次设置的第一磁体单元、第二磁体单元、第三磁体单元和第四磁体单元，其中，第一磁体单元、第二磁体单元、第三磁体单元和第四磁体单元的充磁方向沿顺时针方向或者逆时针方向间隔90°设置，其中，第一磁体单元、第二磁体单元、第三磁体单元和第四磁体单元中的至少两个具有阶梯状结构。

进一步地，动子包括磁铁阵列，定子包括电枢绕组，其中，定子还包括第一基体和设置在第一基体上的盖板，第一基体和盖板围设形成容纳腔，电枢绕组设置在容纳腔内；和/或，动子还包括第二基体以及设置在第二基体和磁铁阵列之间的屏蔽层。

进一步地，动子包括磁铁阵列，定子包括电枢绕组，其中，磁铁阵列包括第一磁组和第二磁组，第一磁组包括按列设置的多个第一磁体，第二磁组包括按列设置的多个第二磁体，其中，第一磁组的布置方向与第二磁组的布置方向相交设置。

应用本发明的技术方案，磁铁阵列具有耦合面，耦合面是磁铁阵列与电枢绕组相对的并配合的面；电枢绕组包括阵列设置的多个绕组结构，多个绕组结构通电后均可产生磁场；至少一个绕组结构的多个线圈结构的面积逐渐减少，也就是说，在该绕组结构的多个线圈结构中，越远离耦合面的线圈结构产生的磁场强度越小，进而使得多个线圈结构通电后叠加的磁场具有较小的波峰和波谷，从而降低了动子在运动时受到的齿槽力。除此之外，由于至少一个绕组结构的多个线圈结构的面积逐渐减少，该绕组结构可与相邻的绕组结构之间可以形成避让空间，在避让空间内可以设置电机结构的其他部件，有效地提高了电机结构的空间利用率，从而减小了电机结构的整体体积。因此，本发明的技术方案能够有效地解决相关技术中的动子在运动时受到的齿槽力较大，磁浮平面电机整体体积较大的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的电机结构的定子的第一实施例的电枢绕组的部分结构的立体结构示意图；

图2示出了图1的电枢绕组的俯视图；

图3示出了图1的电枢绕组的侧视图；

图4示出了根据本发明的电机结构的定子的第二实施例的电枢绕组的部分结构的俯视图；

图5示出了图4的电枢绕组的部分结构的俯视图；

图6示出了根据本发明的电机结构的定子的第三实施例的电枢绕组的部分结构的俯视图；

图7示出了图6的电枢绕组的部分结构的俯视图；

图8示出了根据本发明的电机结构的动子的第一实施例的磁铁阵列的剖视图；

图9示出了根据本发明的电机结构的动子的第二实施例的磁铁阵列的剖视图；

图10示出了根据本发明的电机结构的动子的第三实施例的磁铁阵列的剖视图；

图11示出了根据本发明的电机结构的动子的磁铁阵列的第一实施例的正视图；

图12示出了根据本发明的电机结构的动子的磁铁阵列的第二实施例的正视图；

图13示出了根据本发明的电机结构的动子的磁铁阵列的第三实施例的正视图；

图14示出了根据本发明的电机结构的定子对动子产生驱动力和悬浮力的原理图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

a、第三方向；b、第四方向；c、第一方向；d、第二方向；e、第五方向；j、矩形的长度；k、矩形的宽度；L、驱动力；M、悬浮力；g、多个磁体单元的充磁方向沿顺时针方向或逆时针方向相差间隔角度；

10、磁铁阵列；11、耦合面；20、电枢绕组；21、绕组结构；210、线圈结构；22、第一绕组；221、第一线圈；23、第二绕组；231、第二线圈；24、绕组单元；25、绕组列；26、第三绕组；261、第三线圈；40、halbach单元；41、磁体单元；411、第一矩形磁体；412、第二矩形磁体；413、第三矩形磁体；414、第一磁体单元；415、第二磁体单元；416、第三磁体单元；417、第四磁体单元；51、第一磁组；511、第一磁体；52、第二磁组；521、第二磁体。

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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

电机结构包括定子和动子，定子和动子中的一个包括磁铁阵列10，定子和动子中的另一个包括电枢绕组20，以下具体描述的实施例中，定子包括电枢绕组20，动子包括磁铁阵列10。当然，本领域技术人员知道，电枢绕组和磁铁阵列的位置可以进行调换，即使得定子包括磁铁阵列，动子包括电枢绕组，在这种情况下，则需要设置线缆结构为动子供电。

如图1至图3示出了本申请的电机结构的定子的第一实施例的电枢绕组的部分结构的示意图。

如图1至图3所示，在本申请的第一实施例中，动子包括磁铁阵列10，磁铁阵列10具有耦合面11；定子包括电枢绕组20，电枢绕组20与磁铁阵列10磁耦合，电枢绕组20包括阵列设置的多个绕组结构21，每个绕组结构21包括沿垂直于耦合面11方向排列的多个线圈结构210，在远离耦合面11的方向上，至少一个绕组结构21的多个线圈结构210的面积逐渐减小。

应用本实施例的技术方案，磁铁阵列10具有耦合面11，耦合面11是磁铁阵列10与电枢绕组20相对的并配合的面；电枢绕组20包括阵列设置的多个绕组结构21，多个绕组结构21通电后均可产生磁场；至少一个绕组结构21的多个线圈结构210的面积逐渐减少，也就是说，在该绕组结构21的多个线圈结构210中，越远离耦合面11的线圈结构210产生的磁场强度越小，进而使得多个线圈结构210通电后叠加的磁场具有较小的波峰和波谷，从而降低了动子在运动时受到的齿槽力。除此之外，由于至少一个绕组结构21的多个线圈结构210的面积逐渐减少，该绕组结构21可与相邻的绕组结构之间可以形成避让空间，在避让空间内可以设置电机结构的其他部件，有效地提高了电机结构的空间利用率，从而减小了电机结构的整体体积。因此，第一实施例的技术方案能够有效地解决相关技术中的动子在运动时受到的齿槽力较大，磁浮平面电机整体体积较大的问题。需要说明的是，上述的“阵列设置”不限于横向并排设置(例如以1×z的方式排列，其中，z为大于等于2的正整数)或纵向并排设置(例如以y×1的方式排列，其中，y为大于等于2的正整数)或者纵横交错设置(例如以v×w的方式排列，其中，v和w均为大于等于2的正整数，具体可参考图2)，具体地，按照某种规律排列同样属于阵列设置(例如沿斜向排布)；上述的“多个线圈结构210”可以是由多层的独立线圈叠设而成的结构，也可以是由多匝导线绕设而成的多层线圈结构；上述的“线圈结构210的面积”指代的是线圈结构210的框状结构所围设出的面积。

可以理解的是，电枢绕组20驱动动子运动的原理在于，PLC(ProgrammableLogicController，可编程逻辑控制器)获取动子的预设路线后，控制绕组结构21的NS极变换以实现对动子的驱动，相关驱动原理本申请不再赘述。具体地，本实施例对电枢绕组20、线圈结构210的排列方式不作限定，例如，对于相邻的三个绕组结构21，通过对其相序通电，由此实现对动子的驱动，在此过程中，对于每一绕组结构21，其所具有的线圈结构210的通电方式、通电周期、通电方向均相同，也即，此时绕组结构21被视为单个整体，相邻的三个绕组结构21可以被分别视为U相、V相、W相。又如，对于同一绕组结构21，其所具有的多层线圈结构210可以被视为两相电路或三相电路，通过控制绕组结构21的NS极变换，以实现对动子的驱动。

具体地，在本实施例中，多个绕组结构21以纵横交错的方式阵列设置。

在图中未示出的实施例中，电枢绕组20可以由3×3阵列设置的绕组结构21组成，其中，位于中心位置的绕组结构21包括多个面积相同且沿竖向方向叠置设置的线圈结构210组成，四周的8个绕组结构21包括多个面积逐渐减小的线圈结构210。如此设置，使得动子在经过定子接缝时更加顺畅。

如图1至图3所示，每个绕组结构21的多个线圈结构210的面积逐渐减小。如此设置，使得每个绕组结构21都具有通电后叠加的磁场具有较小的波峰和波谷的优点，进一步地降低了动子在运动时受到的齿槽力。除此之外，如此设置，使得电机结构拥有了更多的避让空间，避让空间可以用于设置其他部件，进一步地提高了电机结构的空间利用率。

如图1至图3所示，绕组结构21中相邻设置的两个线圈结构210中，靠近耦合面11的线圈结构210的面积n与远离耦合面11的线圈结构210的面积m之间满足：5％≤(n-m)/n≤10％。(n-m)/n的值可以是5％、8％、10％。其作用是降低多个线圈结构210间的齿槽力。

如图1至图3所示，每个绕组结构21中相邻设置的两个线圈结构210中，远离耦合面11的线圈结构210在耦合面11上的投影落入靠近耦合面11的线圈结构210在耦合面11上的投影内。如此设置，对于每一绕组结构21中的多个线圈结构210，其用于在通电时产生磁场并对动子施以驱动力或支持力，多个绕组结构21相序通电以驱动动子沿预设方向运动；本实施例通过令远离耦合面11的线圈结构210在耦合面11上的投影落入靠近耦合面11的线圈结构210在耦合面11的投影内，使得在同一绕组结构21中，当远离耦合面11的线圈结构210通电时，其产生的磁场落入靠近耦合面11的线圈结构210通电后产生的磁场并相叠加，也即，每一绕组结构21中多个线圈结构210产生的磁场范围可以被视为最靠近耦合面11的线圈结构210通电后产生的磁场范围，一方面，通过调整最靠近耦合面11的线圈结构210的排列方式，以调整电枢绕组20的磁场布局，便于实现对动子的驱动控制；另一方面，便于实现相邻绕组结构21的相序通电，避免绕组结构21中的线圈结构210的投影重合而增大控制难度。

如图1至图3所示，每个绕组结构21中的多个线圈结构210的中心轴线共线设置。如此设置，使得多个线圈结构210形成的绕组结构21具有较为均匀的磁场，且多个线圈结构210叠加后形成的磁场沿其驱动动子的方向上仍对称，进而更稳定地驱动动子运动。

需要说明的是，上述的“中心轴线”指代的是经过线圈结构210的中心且垂直于耦合面11的线。

如图1至图3所示，每个绕组结构21包括5至7个线圈结构210。如此设置，在在实现绕组结构21通电后叠加的磁场具有较小的波峰和波谷的情况下，还能产生足够的驱动力驱动动子运动。

绕组结构21的安装固定可以采用以下的三种方式中的一种：

方式一：定子还包括与多个绕组结构21一一对应的多个安装座，安装座上设置有线圈槽，线圈结构210设置在线圈槽内。工作人员可将导线在安装座上绕制，从而形成绕组结构21，安装座与相邻的安装座之间形成避让空间，可用于设置其它部件，例如，可以在此空间内设置散热流道等散热装置，为线圈结构210散热。

需要说明的是，上述的“一一对应的多个安装座”指代的是安装座在数量上与绕组结构21一一对应且形状相匹配，具体地，安装座为在远离耦合面11的方向上截面逐渐减小的柱状结构。

方式二：定子还包括在垂直于耦合面11的方向上依次设置的多个第一PCB板，多个绕组结构21中位于同一层的线圈结构210设置在同一第一PCB板上。同一层的线圈结构210在这一层的PCB板上具有间隙，此间隙可用于设置其他电气元件。其中，多个第一PCB板通过插针、导线焊接、热插拔等方式实现电连接。

方式三：定子还包括第二PCB板及与多个绕组结构21一一对应的多个PCB板组，每个PCB板组包括与绕组结构21的多个线圈结构210一一对应的多个第三PCB板。每个PCB板组中的第三PCB板对应设置一个线圈结构210，工作人员再将这些第三PCB板叠设形成PCB板组，PCB板组与相邻的PCB板组之间具有避让空间，可用于设置其他部件。其中，多个第二PCB板与第三PCB板组间通过插针、导线焊接、热插拔等方式实现电连接。

需要说明的是，上述的“多个第三PCB板与多个线圈结构210一一对应”指代的是第三PCB板的面积略大于设置在该第三PCB板上的线圈结构210所围设的面积，且一个第三PCB板上对应设置一个线圈结构210耦合面11。

当然，在其他可行的实施例中，也可以采用双面印刷的方式在一个第三PCB上的正反两面上分别设置一个线圈结构。

采用上述三种方式安装固定绕组结构21，可使得电机结构中拥有避让空间或者间隙，用于设置其他部件，减小了电机结构的设置体积，提高了电机结构的空间利用率。

如图1至图3所示，线圈结构210的形状为圆形或者正多边形或者矩形。当线圈结构210的形状为圆形或正多边形时，将线圈结构210通电后，绕组结构21会形成NS磁体，由此可驱动动子沿不同的方向运动；当线圈结构210的形状为矩形时，可根据不同的需求来布置绕组结构21，线圈结构210通电后，可驱动动子沿特定的方向进行运动。

如图1至图3所示，线圈结构210的形状为矩形，其中，矩形的长度j与矩形的宽度k的比值在2.5至3.5之间。可选地，矩形的长度j与矩形的宽度k的比值可选为2.5、3或者3.5；优选地，矩形的长度j与矩形的宽度k的比值为3。当线圈结构210的形状为矩形且多个线圈结构210沿其宽度方向排列时，线圈结构210相序通电后产生的磁场被用于驱动动子沿其宽度方向运动，本实施例通过对线圈结构210的长宽比进行约束，不仅方便线圈结构210的排布，还使得线圈结构210产生的磁场更加均匀。

需要说明的是，上述的“矩形的长度”指代的是矩形长边的长度，上述的“矩形的宽度”指代的是矩形短边的长度。

此外，定子还包括能够检测磁铁阵列10的磁场变化的磁传感器。多个磁传感器可形成磁传感器阵列，优选地，磁传感器阵列为可发射模拟信号的霍尔传感器。在动子运动过程中，磁传感器能够不断地检测动子磁场的存在。磁传感器不仅可以主动反馈动子悬浮的高度，还可以用其检测到的数据来绘制动子的运动位置。此外，电机结构还包括控制器，控制器可根据磁传感器检测到的动子的运动位置，激活不同的换向方案，从而切换动子运动的方向；控制器还可以根据磁传感器检测到的动子的运动位置，来调整输入绕组结构21的电流百分比，使得动子可以实现一个点到另一个点的平滑运动。进一步地，磁传感器设置于电枢绕组20内，以更好地检测动子磁场。

具体实施时，可以在每一个绕组结构21的中空空间均设置磁传感器，也可以在部分绕组结构21的中空空间内设置磁传感器并令磁传感器阵列设置，还可以在每相邻设置的两个绕组结构21的避让空间内均设置磁传感器，也可以在部分避让空间内设置磁传感器并令磁传感器阵列设置。

在本申请的其他实施例中，动子包括磁铁阵列10，定子包括电枢绕组20，电枢绕组20包括沿第一方向c延伸且间隔设置的第一绕组22和沿第二方向d延伸且间隔设置的第二绕组23，第二方向d垂直于第一方向c，第一绕组22包括沿第一方向c间隔设置的多个第一绕组结构，第二绕组23包括沿第二方向d间隔设置的多个第二绕组结构，其中，第一绕组结构用于驱动动子沿第二方向d移动，第二绕组结构用于驱动动子沿第一方向c移动。

可以理解的是，本实施例中的第一绕组结构和第二绕组结构以“纵横交错”的形式排列，以使第一绕组结构和第二绕组结构驱动动子沿不同方向运动。当动子被预设为仅沿第一方向c或第二方向d运动时，此时仅需对应驱动第一绕组结构或第二绕组结构，由此实现对动子的持续性驱动；当动子被预设为沿偏离第一方向c或第二方向d运动时，此时需对应驱动第一绕组结构及第二绕组结构，并划分第一绕组结构及第二绕组结构的驱动权重，由此使得动子沿预设方向运动。具体的，多个第一绕组结构/多个第二绕组结构可以形成多个三相绕组，由此更高效地驱动动子运动。

优选地，在本实施例中，相邻设置的第一绕组结构和第二绕组结构形成一个“L”形结构。

图4至图5示出了本申请的电机结构的定子的第二实施例的电枢绕组的部分结构的示意图，以下仅对第二实施例与第一实施例不同的部分进行描述，两个实施例中相同的部分不再赘述。

在本实施例中，多个数量等同且相邻的第一绕组结构及第二绕组结构沿第三方向c依次设置形成绕组单元24，多个绕组单元24沿第三方向a依次设置形成绕组列25，在垂直于第三方向a的第四方向b上，多个绕组列25依次相邻设置，其中，第三方向a与第一方向c和第二方向d均呈角度设置。

可以理解的是，绕组单元24可以包括多个三相绕组，由此更高效地驱动动子运动；且由于绕组单元24可以驱动动子沿不同方向运动，多个绕组单元24的划分使得当驱动动子运动时，通过对不同区域的绕组单元24通电，由此更易于实现对动子的驱动控制；由于绕组单元24相较于单个绕组结构具有更大的驱动范围及探测范围，当动子运行至绕组单元24的驱动区域内时，此时绕组单元24实现对动子的驱动，无需历经每个线圈检测动子、驱动动子的步骤，进而简化驱动方式和计算逻辑，使得定子具有更快的响应时间。

优选地，第三方向a与第一方向c和第二方向d均呈45°设置。

如图5所示，每一绕组单元24均包括三个第一线圈221及三个第二线圈231。

具体地，如图4至图5所示，动子包括磁铁阵列10，定子包括电枢绕组20，绕组结构21包括第一绕组22和第二绕组23，第一绕组22包括多个第一线圈221，第二绕组23包括多个第二线圈231，第一线圈221和第二线圈231为尺寸相同的矩形结构，其中，第一线圈221沿第一方向c延伸，第二线圈231沿第二方向d延伸，第二方向d垂直于第一方向c在与第一方向c和第二方向d均呈45°的第三方向a上依次相邻设置有多个绕组单元24，在第三方向a上依次相邻设置的多个绕组单元24形成一个绕组列25，在垂直于第三方向a的第四方向b上，多个绕组列25依次相邻设置。

第一绕组22包括沿垂直于耦合面11方向排列的多个第一线圈221，在远离耦合面11的方向上，每个第一绕组22的多个第一线圈221的面积逐渐减小；第二绕组23包括沿垂直于耦合面11方向排列的多个第二线圈231，在远离耦合面11的方向上，每个第二绕组23的多个第二线圈231的面积逐渐减小；第一绕组22和第二绕组23中，同一层的第一线圈221和第二线圈231的尺寸是相同的；第一线圈221沿第一方向c延伸，也就是说，第一线圈221的长边与第一方向c是平行的；第二线圈231沿第二方向d延伸，也就是说，第二线圈231的长边与第二方向d是平行的。

第二绕组23使得动子可以沿着第一方向c运动，第一绕组22使得动子可以沿着第二方向d运动，如此设置，可以使得动子实现多方向的运动，例如，当仅向第二绕组23通电时，动子可以沿着第一方向c运动；当仅向第一绕组22通电时，动子可以沿着第二方向d运动；当同时向第一绕组22与第二绕组23通电时，动子可以沿着与第一方向c和第二方向d均呈角度的方向(例如第三方向a)运动。

需要说明的是，上述的“依次相邻设置”指代的是在多个第一绕组单元24中，第一绕组22中的最靠近耦合面11的第一线圈221的长边与相邻的第一绕组22中的最靠近耦合面11的第一线圈221的长边贴合设置，第二绕组23中的最靠近耦合面11的第二线圈231的长边与相邻的第二绕组23中的最靠近耦合面11的第二线圈231的长边贴合设置。

如图5所示，在第二方向d上相邻设置的三个第一绕组22分别通入三相交流电；在第一方向c上相邻设置的三个第二绕组23分别通入三相交流电。每个第一绕组22和每个第二绕组23均有一个单相放大器通电。利用这种激励方法，三相线圈绕组内的电流与磁铁阵列10(尤其是halbach阵列)产生的磁通场密度的相互作用将产生等效的悬浮力矢量和驱动力矢量。

如图14所示，“空心圆圈”指代的是电流流出方向，“叉状圆圈”指代的是电流流入方向，在三相绕组中，第一相线圈内的电流与磁场相互作用产生驱动力M，第二相线圈内的电流与磁场相互作用产生驱动力M和悬浮力L，第三相线圈内的电流与磁场相互作用产生悬浮力L。

图6至图7示出了本申请的电机结构的定子的第三实施例的电枢绕组的部分结构的示意图，以下仅对第三实施例与第一实施例不同的部分进行描述，两个实施例中相同的部分不再赘述。

在本实施例中，电枢绕组20还包括第三绕组26，第三绕组26与第一绕组22及第二绕组23邻接，第三绕组26包括多个第三绕组结构，每一第三绕组结构均与一第一线圈221的短边及一第二线圈231的短边邻接。

具体地，如图6至图7所示，动子包括磁铁阵列10，定子包括电枢绕组20，绕组结构21包括第一绕组22、第二绕组23和第三绕组26，第一绕组22包括多个第一线圈221，第二绕组23包括多个第二线圈231，第三绕组26包括多个第三线圈261，第一线圈221和第二线圈231的为尺寸相同的矩形结构，第三线圈261为正方形结构，第三线圈261的边长等于第一线圈221的短边长度，其中，第一线圈221沿第一方向c延伸，第二线圈231沿第二方向d延伸，第二方向d垂直于第一方向c，在与第一方向c和第二方向d均呈45°的第三方向a上依次相邻设置有多个绕组单元24，在第三方向a上依次相邻设置的多个绕组单元24形成一个绕组列25，在垂直于第三方向a的第四方向b上，多个绕组列25依次相邻设置。

第一绕组22包括沿垂直于耦合面11方向排列的多个第一线圈221，在远离耦合面11的方向上，每个第一绕组22的多个第一线圈221的面积逐渐减小；第二绕组23包括沿垂直于耦合面11方向排列的多个第二线圈231，在远离耦合面11的方向上，每个第二绕组23的多个第二线圈231的面积逐渐减小；第三绕组26包括沿垂直于耦合面11方向排列的多个第三线圈261，在远离耦合面11的方向上，每个第三绕组26的多个第三线圈261的面积逐渐减小；第一绕组22和第二绕组23中，同一层的第一线圈221和第二线圈231的尺寸是相同的；第一线圈221沿第一方向c延伸，也就是说，第一线圈221的长边与第一方向c时平行的；第二线圈231沿第二方向d延伸，也就是说，第二线圈231的长边与第二方向d是平行的。第二绕组23使得动子可以沿着第一方向c运动，第一绕组22使得动子可以沿着第二方向d运动，如此设置，可以使得动子实现多方向的运动，例如，当仅向第二绕组23通电时，动子可以沿着第一方向c运动；当仅向第一绕组22通电时，动子可以沿着第二方向d运动；当同时向第一绕组22与第二绕组23通电时，动子可以沿着与第一方向c和第二方向d均呈角度的方向(例如第三方向a)运动。其中，当第三绕组26通电时，其可以被用于驱动动子悬浮，以为动子提供悬浮力；或者，第三绕组26也可以被设置为三相绕组，由此驱动动子沿第三方向a运动。

需要说明的是，上述的“依次相邻设置”指代的是在绕组单元24中，第一绕组22中的最靠近耦合面11的第一线圈221的长边与相邻的第一绕组22中的最靠近耦合面11的第一线圈221的长边为贴合设置，第二绕组23中的最靠近耦合面11的第二线圈231的长边与相邻的第二绕组23中的最靠近耦合面11的第二线圈231的长边为贴合设置。

相比于第二实施例，在两个长条形的绕组结构21的相交位置设置一个方形的绕组结构21，能够使得动子的悬浮更加稳定。如图7所示，在第二方向d上相邻设置的三个第一绕组22分别通入三相交流电；在第一方向c上相邻设置的三个第二绕组23分别通入三相交流电。具体地，绕组单元24中的第一绕组22、第二绕组23和第三绕组26通电方向是一致的。

在本申请的其他实施例中，绕组单元24中的第一绕组22和第二绕组23共面设置，其中，第一绕组22中的第一线圈221与第二绕组23中对应的第二线圈231为尺寸相同的第二矩形结构。这样，第一绕组22和第二绕组23通电之后形成的磁场相当，通过调整向第一绕组22和/或第二绕组23通电以及控制通电量，使得动子实现多方向的运动。

需要说明的是，上述“共面设置”指代的是第一绕组22中的第一线圈221与对应的第二绕组23中第二线圈231共面，例如，当第一绕组22具有5个第一线圈221且第二绕组23具有5个第二线圈231时，位于最上层的第一线圈221与位于最上层的第二线圈231共面，位于由上至下第二层的第一线圈221与由上至下的第二层第二线圈231共面，位于由上至下第三层的第一线圈221与由上至下的第三层第二线圈231共面，位于由上至下第四层的第一线圈221与由上至下的第四层第二线圈231共面，位于由上至下第五层的第一线圈221与由上至下的第五层第二线圈231共面。

如图8至图10所示，磁铁阵列10包括多个halbach单元40，每个halbach单元40呈长方体结构且包括沿第五方向e依次设置的多个磁体单元41，多个磁体单元41的充磁方向沿顺时针方向或逆时针方向相差间隔角度g，在每一halbach单元40中，首尾磁体单元41的充磁方向间相差360°-g，其中，每一磁体单元41由多个子磁体组成，每一子磁体的充磁方向相同。

可以理解的是，halbach单元40可以提高单侧磁密，由此提高动子与定子间的耦合力。本实施例通过使得单个磁体单元41由多个子磁体组成，以便于磁体单元41的排列组合，使得磁体单元41更易于被定义为不规则结构，相较于向不规则结构的磁体单元41充磁的方式使得磁体单元41具有单一充磁方向，本实施例更易于实现使得磁体单元41具有单一的充磁方向。

图8示出了本申请的电机结构的动子的第一实施例的磁铁阵列的剖视图，本实施例的电机结构的动子可以和上述电机结构的定子的第一至三实施例任意组合。

进一步地，磁体单元41为阶梯状结构，多个磁体单元41沿第五方向e拼接，每个磁体单元41包括充磁方向相同的一个第一矩形磁体411、一个第二矩形磁体412和一个第三矩形磁体413，其中，第一矩形磁体411的长度方向垂直于第五方向e，第二矩形磁体412和第三矩形磁体413分别设置在第一矩形磁体411宽度上的两侧并与第一矩形磁体411贴合设置。

例如，在第五方向e上，四个磁体单元41的充磁方向沿顺时针方向或者逆时针方向间隔90°设置，也即g为90°。采用halbach单元进行设置，可以使得磁铁阵列10在耦合面11上的磁场强度相对较大，与耦合面11相对的面上的磁场强度相对较小。

需要说明的是，在第五方向e上，“顺时针方向间隔90°”指代的是，四个磁体单元41的充磁方向依次为：由上到下、由右到左、由下到上、由左到右；“逆时针方向间隔90°”指代的是，四个磁体单元41的充磁方向依次为：由上到下、由左到右、由下到上、由右到左。

具体实施时，磁铁阵列10中的一排或一列可以包含整数个halbach单元，当然也可以由整数个halbach单元及一个halbach单元中的部分磁体单元。

如图8所示，每个磁体单元41包括充磁方向相同的一个第一矩形磁体411、一个第二矩形磁体412和一个第三矩形磁体413，其中，第一矩形磁体411的长度方向垂直于第五方向e，第二矩形磁体412和第三矩形磁体413分别设置在第一矩形磁体411宽度上的两侧并与第一矩形磁体411贴合设置。第一矩形磁体411、第二矩形磁体412与第三矩形磁体413是分体结构。优选地，第一矩形磁体411的剖面为矩形，此矩形的长边长是宽边长的两倍，第二矩形磁体412和第三矩形磁体413的剖面均为正方形，此正方形的边长与第一矩形磁体411的剖面的短边长相等；此外，如图8所示，可以在磁铁阵列10的角部填补上剖面为正方形的磁体，且该填补的磁体的充磁方向满足halbach单元的要求，使得磁铁阵列10的剖面为矩形。第一矩形磁体、第二矩形磁体、第三矩形磁体以及用以填充角部位置的磁体均为规则结构，更容易对其进行充磁。如此设置，可以使得磁铁阵列10在耦合面11上的磁场强度相对较大，与耦合面11相对的面上的磁场强度相对较小。

图9示出了本申请的电机结构的动子的第二实施例的磁铁阵列的剖视图，本实施例的电机结构的动子可以和上述电机结构的定子的第一至三实施例任意组合。

如图9所示，第一矩形磁体411、第二矩形磁体412和第三矩形磁体413为一体成型结构。如此设置，能够减少磁体之间的物理间隙，使得磁通量密度增大，更小的间隙也增加了绕组结构21暴露在耦合面11表面的机会，因此可以产生更大的力，从而使得动子的运动更稳定。

图10示出了本申请的电机结构的动子的第三实施例的磁铁阵列的剖视图，本实施例的电机结构的动子可以和上述电机结构的定子的第一至三实施例任意组合。

在本实施例中，halbach单元40包括沿第五方向依次设置的第一磁体单元414、第二磁体单元415、第三磁体单元416和第四磁体单元417，其中，第一磁体单元414、第二磁体单元415、第三磁体单元416和第四磁体单元417的充磁方向沿顺时针方向或者逆时针方向间隔90°设置，其中，第一磁体单元414、第二磁体单元415、第三磁体单元416和第四磁体单元417中的至少两个具有阶梯状结构。

具体地，如图10所示，每个halbach单元40包括沿第五方向e依次设置第一磁体单元414、第二磁体单元415、第三磁体单元416和第四磁体单元417，其中，第一磁体单元414是第一L形磁体单元、第二磁体单元415是T形磁体单元、第三磁体单元416是第二L形磁体单元、第四磁体单元417是矩形磁体单元，以使得每个halbach单元40形成长方体结构。如此设置，使得halbach单元40形成的一排或者一列磁体形成长方体结构，无需对角部位置填充小的磁体。

此外，动子包括磁铁阵列10，定子包括电枢绕组20，其中，定子还包括第一基体和设置在第一基体上的盖板，第一基体和盖板围设形成容纳腔，电枢绕组20设置在容纳腔内；动子还包括第二基体以及设置在第二基体和磁铁阵列10之间的屏蔽层。屏蔽层用于连接磁铁阵列10与第二基体，屏蔽层由隔离强磁的材料制成，以避免磁泄漏。

在本申请的其他实施例中，动子包括磁铁阵列10，定子包括电枢绕组20，其中，磁铁阵列包括第一磁组51和第二磁组52，第一磁组51包括按列设置的多个第一磁体511，第二磁组52包括按列设置的多个第二磁体521，其中，第一磁组51的布置方向与第二磁组52的布置方向相交设置。在以下几个实施例中，第一磁组51的布置方向与第二磁组52的布置方向相互垂直。在图11所示出的实施例中，磁铁阵列包括两个第一磁组51和两个第二磁组52，两个第一磁组51和两个第二磁组52均为矩形结构，两个第一磁组51位于磁铁阵列的左上方和右下方，两个第二磁组52位于磁铁阵列的左下方和右上方；此外，在图12所示出的实施例中，一个第一磁组51为矩形结构，两个第二磁组52均为正方形结构，第一磁组51位于左侧，两个第二磁组52位于右上方和右下方；此外，在图13所示出的实施例中，两个第一磁组51和两个第二磁组52均为正方形结构，两个第一磁组51位于磁铁阵列的左下方和右上方，两个第二磁组52位于磁铁阵列的左上方和右下方。如此设置，使得磁体阵列可朝第一磁体511排列的方向或第二磁体521排列的方向运动。

在本申请的其他实施例中，多个第一磁体511以NS周期或者NHS周期或者NHSH周期排列，或者，多个第二磁体521以NS周期或者NHS周期或者NHSH周期排列。具体地，NS周期指代的是：在第一磁组51朝向定子的一面上，第一磁体511按照N极永磁体、S极永磁体依次排列；在第二磁组52朝向定子的一面上，第二磁体521按照N极永磁体、S极永磁体依次排列。NHS周期指代的是：在第一磁组51朝向定子的一面上，第一磁体511按照N极永磁体、halbach阵列、S极永磁体依次排列；在第第二磁组52朝向定子的一面上，第二磁体521按照N极永磁体、halbach阵列、S极永磁体依次排列。NHSH周期排列指代的是：在第一磁组51朝向定子的一面上，第一磁体511按照N极永磁体、halbach阵列、S极永磁体、halbach阵列依次排列；在第第二磁组52朝向定子的一面上，第二磁体521按照N极永磁体、halbach阵列、S极永磁体、halbach阵列依次排列。这样设置能够增大动子结构朝向定子一面的磁场强度。当然，多个第一磁体和多个第二磁体均可以以NS周期或者NHS周期或者NHSH周期排列。为了精细定位，围绕在动子周围的永磁体将被用来产生所需的平衡力，以保持动子平稳悬浮，而设置在定子的线圈将被用于移动动子，以实现高精度位移。永磁体是磁铁阵列中的磁体。由于动子为被动式驱动，动子除自身重力外，仅受磁力使得其悬浮。因为永磁体被排列为对称结构或中心对称结构，使得动子在线圈励磁的基础上，其所受的支持力较为平均，进而实现动子的平稳悬浮。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种电机结构，所述电机结构包括定子和动子，其特征在于，

所述定子和所述动子中的一个包括磁铁阵列(10)，所述磁铁阵列(10)具有耦合面(11)；

所述定子和所述动子中的另一个包括电枢绕组(20)，所述电枢绕组(20)与所述磁铁阵列(10)磁耦合，所述电枢绕组(20)包括阵列设置的多个绕组结构(21)，每个所述绕组结构(21)包括沿垂直于所述耦合面(11)方向排列的多个线圈结构(210)，在远离所述耦合面(11)的方向上，至少一个所述绕组结构(21)的多个所述线圈结构(210)的面积逐渐减小；

每个所述绕组结构(21)的多个所述线圈结构(210)的面积逐渐减小，以降低所述磁铁阵列(10)在运动时受到的齿槽力。

2.根据权利要求1所述的电机结构，其特征在于，所述绕组结构(21)中相邻设置的两个所述线圈结构(210)中，靠近所述耦合面(11)的所述线圈结构(210)的面积n与远离所述耦合面(11)的所述线圈结构(210)的面积m之间满足：5％≤(n-m)/n≤10％。

3.根据权利要求1所述的电机结构，其特征在于，每个所述绕组结构(21)中的多个所述线圈结构(210)的中心轴线共线设置。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电机结构，其特征在于，每个所述绕组结构(21)包括5至7个所述线圈结构(210)。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的电机结构，其特征在于，所述动子包括所述磁铁阵列(10)，所述定子包括所述电枢绕组(20)，其中，

所述定子还包括与多个所述绕组结构(21)一一对应的多个安装座，所述安装座上设置有线圈槽，所述线圈结构(210)设置在所述线圈槽内；或者，

所述定子还包括在垂直于所述耦合面(11)的方向上依次设置的多个第一PCB板，多个所述绕组结构(21)中位于同一层的所述线圈结构(210)设置在同一所述第一PCB板上；或者，

所述定子还包括第二PCB板及与多个所述绕组结构(21)一一对应的多个PCB板组，每个所述PCB板组包括与所述绕组结构(21)的多个所述线圈结构(210)一一对应的多个第三PCB板。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的电机结构，其特征在于，所述线圈结构(210)的形状为圆形或者正多边形或者矩形。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的电机结构，其特征在于，所述线圈结构(210)的形状为矩形，其中，所述矩形的长度(j)与所述矩形的宽度(k)的比值在2.5至3.5之间。

8.根据权利要求1所述的电机结构，其特征在于，所述动子包括所述磁铁阵列(10)，所述定子包括所述电枢绕组(20)，所述电枢绕组(20)包括沿第一方向(c)延伸且间隔设置的第一绕组(22)和沿第二方向(d)延伸且间隔设置的第二绕组(23)，所述第二方向(d)垂直于所述第一方向(c)，所述第一绕组(22)包括沿所述第一方向(c)间隔设置的多个第一绕组结构，所述第二绕组(23)包括沿所述第二方向(d)间隔设置的多个第二绕组结构，其中，所述第一绕组结构用于驱动所述动子沿所述第二方向(d)移动，所述第二绕组结构用于驱动所述动子沿所述第一方向(c)移动。

9.根据权利要求8所述的电机结构，其特征在于，多个数量等同且相邻的所述第一绕组结构及所述第二绕组结构沿第三方向(a)依次设置形成绕组单元(24)，多个所述绕组单元(24)沿所述第三方向(a)依次设置形成绕组列(25)，在垂直于所述第三方向(a)的第四方向(b)上，多个所述绕组列(25)依次相邻设置，其中，所述第三方向(a)与所述第一方向(c)和所述第二方向(d)均呈角度设置，每一所述绕组单元(24)均包括三个所述第一绕组结构及三个所述第二绕组结构。

10.根据权利要求8所述的电机结构，其特征在于，所述电枢绕组(20)还包括第三绕组(26)，所述第三绕组(26)与所述第一绕组(22)及所述第二绕组(23)邻接，所述第三绕组(26)包括多个第三绕组结构，每一所述第三绕组结构均与一所述第一绕组结构的短边及一所述第二绕组结构的短边邻接。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的电机结构，其特征在于，所述动子包括所述磁铁阵列(10)，所述定子包括所述电枢绕组(20)，所述定子还包括能够检测所述磁铁阵列(10)的磁场变化的磁传感器，所述磁传感器设置于所述电枢绕组(20)内。

12.根据权利要求1至3中任一项所述的电机结构，其特征在于，所述磁铁阵列(10)包括多个halbach单元(40)，每个所述halbach单元(40)呈长方体结构且包括沿第五方向(e)依次设置的多个磁体单元(41)，多个所述磁体单元(41)的充磁方向沿顺时针方向或逆时针方向相差间隔角度g，在每一所述halbach单元(40)中，首尾所述磁体单元(41)的充磁方向间相差360°-g，其中，每一所述磁体单元(41)由多个子磁体组成，每一所述子磁体的充磁方向相同。

13.根据权利要求12所述的电机结构，其特征在于，所述磁体单元(41)为阶梯状结构，多个所述磁体单元(41)沿所述第五方向(e)拼接，每个所述磁体单元(41)包括充磁方向相同的一个第一矩形磁体(411)、一个第二矩形磁体(412)和一个第三矩形磁体(413)，其中，所述第一矩形磁体(411)的长度方向垂直于所述第五方向(e)，所述第二矩形磁体(412)和所述第三矩形磁体(413)分别设置在所述第一矩形磁体(411)宽度上的两侧并与所述第一矩形磁体(411)贴合设置。

14.根据权利要求12所述的电机结构，其特征在于，所述halbach单元(40)包括沿第五方向(e)依次设置的第一磁体单元(414)、第二磁体单元(415)、第三磁体单元(416)和第四磁体单元(417)，其中，所述第一磁体单元(414)、所述第二磁体单元(415)、所述第三磁体单元(416)和所述第四磁体单元(417)的充磁方向沿顺时针方向或者逆时针方向间隔90°设置，其中，所述第一磁体单元(414)、所述第二磁体单元(415)、所述第三磁体单元(416)和所述第四磁体单元(417)中的至少两个具有阶梯状结构。

15.根据权利要求1至3中任一项所述的电机结构，其特征在于，所述动子包括所述磁铁阵列(10)，所述定子包括所述电枢绕组(20)，其中，

所述定子还包括第一基体和设置在所述第一基体上的盖板，所述第一基体和所述盖板围设形成容纳腔，所述电枢绕组(20)设置在所述容纳腔内；和/或，

所述动子还包括第二基体以及设置在所述第二基体和所述磁铁阵列(10)之间的屏蔽层。

16.根据权利要求1至3中任一项所述的电机结构，其特征在于，所述动子包括所述磁铁阵列(10)，所述定子包括所述电枢绕组(20)，其中，所述磁铁阵列包括第一磁组(51)和第二磁组(52)，所述第一磁组(51)包括按列设置的多个第一磁体(511)，所述第二磁组(52)包括按列设置的多个第二磁体(521)，其中，所述第一磁组(51)的布置方向与所述第二磁组(52)的布置方向相交设置。