CN211089241U - 一种相组集中绕线聚磁式旋转直线电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种相组集中绕线聚磁式旋转直线电机，从内到外依次包括同轴心设置的内定子、电机动子、外定子和电机外壳，所述电机动子为空心圆柱体，所述电机动子的一端连接电机的输出轴，所述电机动子与所述电机输出轴同轴心；所述内定子位于电机动子的空心处，上有内定子线圈绕组，用于驱动所述电机的旋转运动；所述外定子位于电机动子外，上有外定子线圈绕组，用于驱动所述电机的直线运动；具有永磁体用量少、结构简单、气隙磁密高、直线运动与旋转运动相互影响小的优点。

Description

一种相组集中绕线聚磁式旋转直线电机

技术领域

本实用新型属于电机设计制造领域，具体涉及一种相组集中绕线聚磁式旋转直线电机。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本实用新型相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

在目前的控制领域中，随着控制要求的提高和运动形式的多样化，对多自由度电机的电机需求也在日益增加。为了解决这些问题，越来越多的国内外学者开始了对多自由度电机的研究，提出了各种多自由度电机拓扑结构。与多台单自由度电机组合机构相比，多自由度电机系统具有结构紧凑、材料利用率高、总重量轻、控制方式灵活、伺服精度高、动态响应快、推力密度大、转矩密度高和可实现多自由度运动等优点。

旋转-直线电机可以输出旋转、直线和螺旋运动。通过旋转-直线电机可以代替两台传统的电机及相应的机械传动装置，可以减少系统的部件，提升效率、可靠性和动态性能，并且降低了制造和维护费用。但是目前大部分旋转-直线电机追求高性能的同时不可避免的造成了复杂结构和控制方法的复杂，因此现在的旋转-直线电机结构和性能有待优化。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述问题，提出了一种相组集中绕线聚磁式旋转直线电机，本实用新型结构简单，能够降低永磁体使用量，降低转矩脉动，提升功率密度，提高电机的工作性能，简化加工工艺，提高电机的可靠性。

根据一些实施例，本实用新型采用如下技术方案：

一种相组集中绕线聚磁式旋转直线电机，从内到外依次包括同轴心设置的内定子、电机动子、外定子和电机外壳，所述电机动子为空心圆柱体，所述电机动子的一端连接电机的输出轴，所述电机动子与所述电机输出轴同轴心；

所述内定子位于电机动子的空心处，上有内定子线圈绕组，用于驱动所述电机的旋转运动；所述外定子位于电机动子外，上有外定子线圈绕组，用于驱动所述电机的直线运动。

作为可选择的实施方式，所述电机动子包括至少三层，内层为圆周方向的聚磁式结构，与内定子相互作用做圆周运动；所述电机动子的中层为导磁材料，电机动子的外层为轴向聚磁式结构，与外定子相互作用做轴向直线运动。

作为进一步的限定，所述电机动子内层，在圆周方向上永磁体和导磁材料交替排列，其形状为条形结构，永磁体充磁方向为圆周方向，且相邻两块永磁体充磁方向相反，进而实现磁通聚合效果。

作为进一步的限定，所述电机动子外层，轴向上永磁体和导磁材料交替排列，永磁体形状为圆环形，永磁体充磁方向为直线运动方向，且相邻两块永磁体充磁方向相反，进而实现磁通聚合效果。

作为进一步的限定，所述电机内定子圆周方向设置有多个齿，内定子齿采用组合设计，称之为一个相组；在相组内，内定子的槽宽和齿宽相同，均为90电角度；不同相组之间的槽宽为150电角度。

作为进一步的限定，所述电机内定子圆周方向排列的绕组采用集中绕组设计，且相邻的两套绕组线圈极性相反。

作为进一步的限定，所述电机内定子圆周方向排列的绕组呈三相对称分布。

作为进一步的限定，所述外定子为圆筒形结构，外定子分为内外两层结构，外层齿槽轴向排列，采用组合设计，称之为一个相组；在相组内，外定子的槽宽和齿宽相等，均为90度电角度；不同相组之间的槽宽为150电角度；

所述外定子内层齿槽圆周方向排列，采用组合设计，称之为一个相组；在相组内，内定子的槽宽和齿宽相同，均为90电角度；不同相组之间的槽宽为150电角度。

作为进一步的限定，所述外定子上绕组采用圆筒型直线电机的圆饼形结构，放置在外定子轴向排列的槽内；外定子圆周方向排列的槽内无绕组。

作为进一步的限定，所述外定子的外层绕组与电机动子相互作用用来控制所述电机的直线运动；所述内定子与动子相互配合控制所述电机的旋转运动。

作为进一步的限定，所述电机外定子的内层圆周方向排列的齿与内定子圆周方向排列的齿错开一个齿的位置，目的是抑制所述电机旋转方向的转矩脉动。

作为进一步的限定，所述电机的极槽配合为相组集中绕线方式：每个定子上每一相内的齿数为n₁，每个定子上每相的组数为n₂，则各定子的定子齿的数量为Q＝3n₁n₂；

对应的动子单元上永磁体的数目为P＝3n₁n₂+n₂。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

1)本实用新型电机结构相对简单，不需要复杂的制造工艺，并且直线运动与旋转运动相对独立；

2)本实用新型电机采用聚磁式永磁体动子结构，具有磁通聚合效果，达到相同的电磁性能所需的永磁体较少，降低了旋转-直线电机的生产成本；

3)本实用新型电机采用相组集中绕线方式，定子上每相绕组模块化设计，大大提高了电机的容错能力，采用集中绕组提高了绕组系数、降低了端部绕线，减小了铜耗，从而提高了电机效率；

4)本实用新型的电机旋转运动上，外定子有圆周方向的辅助齿，与内定子错开一个齿距，可以降低所述电机旋转运动的转矩脉动。

附图说明

构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为所提出电机的结构侧视图；

图2为所提出电机的结构外定子侧视图；

图3为所提出电机的正视图；

图4为所提出电机的侧视图；

图5为多提出电机相组集中绕线聚磁式结构展开示意图；

图6为所提出电机相组集中绕线聚磁式结构磁通流向图；

图中：1为内定子，2为内定子上绕组，3为动子内层，4为动子中层，5为动子外层，6为外定子，7为外定子辅助齿，8为外定子上绕组，9为动子内层永磁体，10为动子外层永磁体。永磁体上箭头方向表示其磁化方向，绕组上●代表电流垂直纸面流入，×代表电流垂直纸面流出。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

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实用新型的示例性实施方式。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。

在本实用新型中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本实用新型各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本实用新型中任一部件或元件，不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本实用新型中的具体含义，不能理解为对本实用新型的限制。

如图1所示，一种相组集中绕线聚磁式旋转-直线电机，从内到外依次包括：内定子、电机动子、外定子、电机外壳，上述结构均同轴心；所述电机动子为空心圆柱体，所述电机动子的一端连接电机的输出轴，所述电机动子与所述电机输出轴同轴心；所述电机内定子位于空心动子内，上有内定子线圈绕组，该绕组用于驱动所述电机的旋转运动；所述电机外定子位于空心动子外，上有外定子线圈绕组，该绕组用于驱动所述电机的直线运动。

如图3所示，本实例的内定子由凸极铁芯组成，表面开有圆周方向排列的槽，每一相内的齿数为4，每一相组数为2(即n₁＝4，n₂＝2)，同一相内的齿宽和槽宽均为w(w根据电机的具体尺寸确定)，不同相之间的槽宽为5/3w，同一相内槽宽与不同相间槽宽比例为3:5，目的是在空间上形成三相对称绕组，形成三相平衡反电动势。

如图3、图4所示，动子分为3层，内层为圆周方向的聚磁式结构，与内定子相互作用做圆周运动；所述电机动子中层为导磁材料；所述电机动子外层为轴向聚磁式结构，与外定子相互作用做轴向直线运动。

所述电机动子内层的圆周方向聚磁式结构指的是：圆周方向上永磁体和导磁材料交替排列，其形状为条形结构，永磁体充磁方向为圆周方向，且相邻两块永磁体充磁方向相反，进而实现磁通聚合效果。

所述电机动子外层的轴向聚磁式结构指的是：轴向上永磁体和导磁材料交替排列，永磁体形状为圆环形，永磁体充磁方向为直线运动方向，且相邻两块永磁体充磁方向相反，进而实现磁通聚合效果。

所述电机内定子有圆周方向的齿，内定子齿采用组合设计，称之为一个相组；在相组内，内定子的槽宽和齿宽相同，均为90电角度；不同相组之间的槽宽为150电角度。

动子内侧与内定子之间存在气隙，动子内侧为聚磁式永磁体结构，如图5展开示意图所示，在圆周方向上永磁体与导磁材料交替排列，永磁体沿着圆周方向磁化，且相邻的两块永磁体磁化方向相反，圆周方向永磁体的数量为26(n₁＝4，n₂＝2，P＝3n₁n₂+n₂＝26)，因此动子内层永磁体宽度、动子内层导磁材料宽度与内定子每一相内的齿槽宽度相等。

动子的内外表面固定有永磁体，或所述电机动子包含磁体材料。

内定子绕组采用相组集中绕线方式，每一个齿上绕有一个线圈绕组，每一相内相邻的两个线圈极性相反，如图5示意图中所示，●与×符号表示的电流方向相反，因此每个线圈的矢量角为π(电角度)。同时，考虑到永磁体的反转磁化方向，同一相内每个线圈电角度矢量角相差2π(电角度)，因此每个线圈的感应电动势会是同相的。

因为三相绕组对称分布，且同一相内的槽宽与不同相之间的槽宽比例为3:5，所以相邻两相相差4π/3(电角度)，因此可以产生三相平衡反电动势。本实例中每4个内定子齿，即内定子上每相邻的4个线圈组成一相。

如图2所示，所述电机外定子为内外两层结构；外层为轴向凸极结构，轴向采用模块化设计，本实例电机轴向有12个齿槽(n₁＝4，n₂＝1)；同一相内的齿宽和槽宽均为w(w根据电机的具体尺寸确定)，不同相之间的槽宽为5/3w，同一相内槽宽与不同相间槽宽比例为3:5，目的是在空间上形成三相对称绕组，形成三相平衡反电动势。

所述电机动子外侧与外定子之间存在气隙。所述实例电机动子外层为轴向排列的聚磁式永磁体结构，动子外层在轴向上永磁体与导磁材料交替排列，永磁体充磁方向为轴向充磁，且相邻的永磁体充磁方向相反，由此形成轴向聚磁式结构。

与外定子对应轴向长度的动子单元外层的永磁体数量为13(n₁＝4，n₂＝1，P＝3n₁n₂+n₂＝13)，因此动子外层上永磁体宽度、导磁材料宽度与外定子轴向排列的每相内槽宽相等。

外定子绕组采用相组集中绕线方式，每一个槽内嵌入一个饼形线圈，即每一个齿上对应一个线圈绕组，每一相内相邻的两个线圈极性相反，如图6示意图中所示，●与×符号表示的电流方向相反，因此每个线圈的矢量角为π(电角度)。同时，考虑到永磁体的反转磁化方向，同一相内每个线圈电角度矢量角相差2π(电角度)，因此每个线圈的感应电动势会是同相的。

所述电机外定子的内层结构为圆周方向排列的齿槽，其齿槽分布于所述电机的内定子相同，每一相内的齿数为4，每一相组数为2(即n₁＝4，n₂＝2)，同一相内的齿宽和槽宽均为w(w根据电机的具体尺寸确定)，不同相之间的槽宽为5/3w，同一相内槽宽与不同相间槽宽比例为3:5；

所述电机外定子齿槽内不放置绕组，且外定子与内定子在圆周方向上偏移一个齿的距离，目的是外定子作为圆周运动的辅助定子，来抑制圆周运动的转矩脉动。

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

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种相组集中绕线聚磁式旋转直线电机，其特征是：从内到外依次包括同轴心设置的内定子、电机动子、外定子和电机外壳，所述电机动子为空心圆柱体，所述电机动子的一端连接电机的输出轴，所述电机动子与所述电机输出轴同轴心；

所述内定子位于电机动子的空心处，上有内定子线圈绕组，用于驱动所述电机的旋转运动；所述外定子位于电机动子外，上有外定子线圈绕组，用于驱动所述电机的直线运动。

2.如权利要求1所述的一种相组集中绕线聚磁式旋转直线电机，其特征是：所述电机动子包括至少三层，内层为圆周方向的聚磁式结构，与内定子相互作用做圆周运动；所述电机动子的中层为导磁材料，电机动子的外层为轴向聚磁式结构，与外定子相互作用做轴向直线运动。

3.如权利要求1所述的一种相组集中绕线聚磁式旋转直线电机，其特征是：所所述电机动子内层，在圆周方向上永磁体和导磁材料交替排列，其形状为条形结构，永磁体充磁方向为圆周方向，且相邻两块永磁体充磁方向相反。

4.如权利要求1所述的一种相组集中绕线聚磁式旋转直线电机，其特征是：所所述电机动子外层，轴向上永磁体和导磁材料交替排列，永磁体形状为圆环形，永磁体充磁方向为直线运动方向，且相邻两块永磁体充磁方向相反。

5.如权利要求1所述的一种相组集中绕线聚磁式旋转直线电机，其特征是：所所述电机内定子圆周方向设置有多个齿，内定子齿采用组合设计，称之为一个相组；在相组内，内定子的槽宽和齿宽相同，均为90电角度；不同相组之间的槽宽为150电角度。

6.如权利要求1所述的一种相组集中绕线聚磁式旋转直线电机，其特征是：所述电机内定子圆周方向排列的绕组采用集中绕组设计，且相邻的两套绕组线圈极性相反；

或，所述电机内定子圆周方向排列的绕组呈三相对称分布。

7.如权利要求1所述的一种相组集中绕线聚磁式旋转直线电机，其特征是：所所述外定子为圆筒形结构，外定子分为内外两层结构，外层齿槽轴向排列，采用组合设计，称之为一个相组；在相组内，外定子的槽宽和齿宽相等，均为90度电角度；不同相组之间的槽宽为150电角度；

或，所述外定子内层齿槽圆周方向排列，采用组合设计，称之为一个相组；在相组内，内定子的槽宽和齿宽相同，均为90电角度；不同相组之间的槽宽为150电角度。

8.如权利要求1所述的一种相组集中绕线聚磁式旋转直线电机，其特征是：所所述外定子上绕组采用圆筒型直线电机的圆饼形结构，放置在外定子轴向排列的槽内；外定子圆周方向排列的槽内无绕组。

9.如权利要求1所述的一种相组集中绕线聚磁式旋转直线电机，其特征是：所所述电机外定子的内层圆周方向排列的齿与内定子圆周方向排列的齿错开一个齿的位置。

10.如权利要求1所述的一种相组集中绕线聚磁式旋转直线电机，其特征是：所所述电机的极槽配合方式为相组集中绕线方式，即每个定子上每一相内的齿数为n₁，每个定子上每相的组数为n₂，则各定子的定子齿的数量为Q＝3n₁n₂；

对应的动子单元上永磁体的数目为P＝3n₁n₂+n₂。

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