CN103475178A - 一种直线旋转永磁电机 - Google Patents

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付兴贺
李红艳
林明耀
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Abstract

本发明公开了一种直线旋转永磁电机，该电机包括内定子、外定子和位于内定子与外定子之间的动子；该电机包括左端盖（1）、机壳（2）、外定子绕组（3）、开有凹槽的外定子铁心（4）、内定子绕组（5）、内定子永磁体（6）、开有凹槽的内定子铁心（7）、动子（8）、右端盖（9）、内定子支架（10）、转轴（11）、外定子永磁体（12）、轴承（13）；其中，左端盖（1）、机壳（2）和右端盖（9）构成一空腔，内定子支架（10）设置在该空腔内，内定子支架（10）的一端与右端盖（9）相连，本发明简化直线旋转两自由度电机的结构，减小电机的体积和重量，消除直线和旋转运动单元的磁耦合，降低直线和旋转运动的控制难度。

Description

一种直线旋转永磁电机
技术领域
本发明涉及一种直线旋转永磁电机，适用于直线、旋转及螺旋驱动场合，属于电机技术领域。
背景技术
就目前电机的运动控制而言，大部分属于单自由度电机，只能执行直线运动或者旋转运动。随着工业驱动***复杂性的增加和驱动精度要求的提高，一维运动的单自由度电机无法满足驱动要求，需要大量多维运动的电机及其驱动机构。与单自由度电机相比，多自由度电机不仅具有多维运动的特性，还具有较高的机械集成度，较高的材料利用率以及灵活的控制特性。直线旋转运动电机是多自由度电机的一种，可为直线、旋转及螺旋驱动领域提供动力。经过十几年的发展，直线旋转两自由度电机取得了长足的进步，但也暴露出一些问题，主要包括：
1）螺旋式结构只能在轴向方向上作螺进运动，螺距固定，用途有限；
2）串联双绕组结构为轴向串联，电机呈现细长结构；
3）旋转磁场和行波磁场的交叉耦合，不利于电机的优化设计；
4）集成式结构往往采用集中绕组，绕组相数较多，控制难度较大，控制策略复杂；
5）定子和动子结构特殊，电机制造工艺复杂，加工困难；
6）直线旋转两自由度电机的控制理论与技术有待完善。
本发明提出一种简单的直线旋转两自由度双定子永磁电机结构，可以同时实现直线运动、旋转运动和螺旋运动等多种运动方式，在航空、航天、国防、勘探、测绘、数控、医疗、卫生及工业生产等领域具有相当广阔的应用前景。
发明内容
发明目的：本发明提出了一种直线旋转永磁电机，目的在于简化直线旋转两自由度电机的结构，减小电机的体积和重量，消除直线和旋转运动单元的磁耦合，降低直线和旋转运动的控制难度。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种直线旋转永磁电机，该电机包括内定子、外定子和位于内定子与外定子之间的动子；
该电机包括左端盖、机壳、外定子绕组、开有凹槽的外定子铁心、内定子绕组、内定子永磁体、开有凹槽的内定子铁心、动子、右端盖、内定子支架、转轴、外定子永磁体、轴承；
其中，左端盖、机壳和右端盖构成一空腔，内定子支架设置在该空腔内，内定子支架的一端与右端盖相连，另一端通过轴承与转轴相连；
外定子铁心固定在机壳的内表面，内定子铁心固定在内定子支架的与机壳相对的上表面，外定子铁心与内定子铁心之间设有动子，动子的一端与转轴相连，另一端悬空；
外定子铁心槽内放置有外定子绕组，外定子铁心之间放置外定子永磁体，内定子铁心槽内放置有内定子绕组，内定子铁心之间放置定子永磁体；
外定子铁心、外定子绕组、外定子永磁体及动子构成旋转驱动单元，内定子铁心、外定子绕组、外定子永磁体及动子构成直线驱动单元；
或者外定子铁心、外定子绕组、外定子永磁体及动子构成直线驱动单元，内定子铁心、外定子绕组、外定子永磁体及动子构成旋转驱动单元；
直线驱动单元和旋转驱动单元均采用定子永磁型磁通切换电机结构。
优选的，内定子铁心与外定子铁心的轴向长度相等，两者同侧端面在同一个径向平面内。
优选的，内定子铁心与外定子铁心的轴向长度相等，两者同侧端面不在同一个径向平面内。
优选的，内定子铁心的轴向长度大于或小于外定子铁心的轴向长度相等，两者同侧端面在同一个径向平面内。
优选的，内定子铁心的轴向长度大于或小于外定子铁心的轴向长度相等，两者同侧端面在同一个径向平面内，两者同侧端面不在同一个径向平面内。
优选的，外定子永磁体和内定子永磁体可选择铁氧体或者钕铁硼永磁材料，动子由导磁材料制成。
优选的，所述的外定子绕组和内定子绕组均为多相对称绕组。
有益效果：
1）采用双定子、单动子结构，可充分利用电机内部空间，减小整台电机体积；
2）直线与旋转驱动单元在机械和磁路结构上基本独立，可以分开进行电磁设计；
3）内外定子上的两套电枢绕组相互独立，易于实现直线和旋转运动的解耦控制；
4）电机的定子及动子与传统电机的定子及转(动)子结构相似，结构简单，易于加工、制造；
5）永磁体放置在定子侧，散热条件好，避免了永磁体去磁的危险；
6）转子上既无永磁体、又无绕组，结构简单，可靠性高，适合高速运行。
附图说明
图1为实施方式一中的电机轴向截面示意图，其中外定子与动子构成旋转驱动单元，内定子与动子构成直线驱动单元。
图2为实施方式一中的电机径向截面示意图，其中外定子与动子构成旋转驱动单元，内定子与动子构成直线驱动单元。
图3为实施方式二中的电机轴向截面示意图，外定子与动子构成直线驱动单元，内定子与动子构成旋转驱动单元的总体结构示意图。
图4为实施方式二中的电机径向截面示意图，外定子与动子构成直线驱动单元，内定子与动子构成旋转驱动单元的总体结构示意图。
图中，左端盖1、机壳2、外定子绕组3、外定子铁心4、内定子绕组5、内定子永磁体6、内定子铁心7、动子8、右端盖9、内定子支架10、转轴11、外定子永磁体12、轴承13。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步说明。
本发明提供的直线旋转永磁电机，由内外两个定子和一个中间动子构成，相当于两台单气隙电机并联运行。
电机采用圆筒型结构，主要组件包括机壳、外定子、动子、内定子、内定子支架、转轴及端盖。
外定子固定在机壳的内表面，内定子通过内定子支架与端盖连接，左右两端端盖通过螺栓连接于机壳形成一体，转轴与非运动部分通过三只轴承连接。
内定子与外定子之间为电机动子，动子采用空心杯结构，在一端与转轴连接。
动子与内定子间为内气隙，动子与外定子间为外气隙。
内定子及外定子均由内定子铁心、永磁体和电枢绕组组成，为定子永磁型磁通切换电机的定子结构。
动子采用齿槽凸极结构，内外表面沿着轴向或轴向开槽，为定子永磁型磁通切换电机的转子结构。
外定子与动子构成直线驱动单元（或旋转驱动单元），内定子与动子构成旋转驱动单元（或直线驱动单元）。
参见图1-4，本发明提出的直线旋转永磁电机。
本发明提供的直线旋转永磁电机包括内定子、外定子和位于内定子与外定子之间的动子。
该电机包括左端盖1、机壳2、外定子绕组3、开有凹槽的外定子铁心4、内定子绕组5、内定子永磁体6、开有凹槽的内定子铁心7、动子8、右端盖9、内定子支架10、转轴11、外定子永磁体12、轴承13。
其中，左端盖1、机壳2和右端盖9构成一空腔，内定子支架10设置在该空腔内，内定子支架10的一端与右端盖9相连，另一端通过轴承13与转轴11相连。
外定子铁心4固定在机壳2的内表面，内定子铁心7固定在内定子支架10的与机壳2相对的上表面，外定子铁心4与内定子铁心7之间设有动子8，动子8的一端与转轴相连，另一端悬空；
外定子铁心4槽内放置有外定子绕组3，外定子铁心4之间放置外定子永磁体12，内定子铁心7槽内放置有内定子绕组5，内定子铁心7之间放置定子永磁体6。
外定子铁心4、外定子绕组3、外定子永磁体12及动子8构成旋转驱动单元，内定子铁心7、外定子绕组5、外定子永磁体12及动子8构成直线驱动单元。
或者外定子铁心4、外定子绕组3、外定子永磁体12及动子8构成直线驱动单元，内定子铁心7、外定子绕组5、外定子永磁体12及动子8构成旋转驱动单元；
直线驱动单元和旋转驱动单元均采用定子永磁型磁通切换电机结构。
内定子铁心7与外定子铁心4的轴向长度相等，两者同侧端面在同一个径向平面内。
内定子铁心7与外定子铁心4的轴向长度相等，两者同侧端面不在同一个径向平面内。
内定子铁心7的轴向长度大于或小于外定子铁心4的轴向长度相等，两者同侧端面在同一个径向平面内。
内定子铁心7的轴向长度大于或小于外定子铁心4的轴向长度相等，两者同侧端面在同一个径向平面内，两者同侧端面不在同一个径向平面内。
外定子永磁体12和内定子永磁体6可选择铁氧体或者钕铁硼永磁材料，动子由导磁材料制成。
所述的外定子绕组3和内定子绕组5均为多相对称绕组。
所述电机的机壳2通过螺栓与左端盖1和右端盖9连接，外定子铁心4固定在机壳2的内表面，内定子铁心7通过螺栓固定在内定子支架10上，内定子支架10通过螺栓与右端盖9相连，动子8通过轴承与左端盖1、右端盖9及内定子支架10连接。
外定子铁心4与动子8之间为外气隙，内定子铁心7与动子8之间为内气隙，外定子铁心4、内定子铁心7与动子8共轴线。
具体实施方式一：下面结合体图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述电机的外定子铁心4、外定子绕组3、外定子永磁体12与动子8构成旋转驱动单元，内定子铁心7、内定子绕组5、内定子永磁体6与动子8构成直线驱动单元。所述的旋转驱动单元采用内转子旋转电机结构，所述的直线驱动单元采用圆筒型直线电机结构。
外定子铁心4由多个“U”型冲片沿轴向方向叠压，再沿着圆周方向拼装而成，沿着圆周方向，外定子铁心4之间放置有外定子永磁体12。
外定子永磁体12沿着圆周方向充磁，相邻外定子永磁体12的充磁方向相反。
外定子铁心4的槽内放置对称的外定子绕组3，不同相的外定子绕组3沿着电机圆周方向依次排列。
动子8的外表面为齿槽结构，沿着圆周方向，动子8外表面上的齿和槽交替排列。
在外定子绕组3中通入对称正弦电流后，在外气隙中产生沿圆周方向旋转的磁场，该旋转磁场与动子8相互作用产生旋转转矩驱动动子8和转轴11产生旋转运动。
内定子铁心7由多个“U”型冲片沿圆周方向叠压，再沿着轴向方向拼装而成，沿着轴向方向，内定子铁心7间放置有内定子永磁体6。
内定子永磁体6为环形结构，沿着轴向方向充磁，且相邻内定子永磁体6的充磁方向相反。
内定子铁心7的槽内放置环形的内定子绕组5，不同相的内定子绕组5沿着电机轴向方向依次排列，环形的内定子绕组5的轴线与动子8及内定子铁心7的轴线重合。
动子8的内表面为齿槽结构，沿着轴向方向，动子8内表面上的齿和槽交替排列。
在内定子绕组5中通入对称正弦电流后，在内气隙中产生沿轴向方向移动的行波磁场，该行波磁场与动子8相互作用产生直线电磁推力驱动动子8和转轴11产生直线运动。
内定子铁心7、外定子铁心4及动子8的轴向长度可以相等，也可以不等。
通过控制外定子绕组3和内定子绕组5中电流的有无，可实现动子8的直线运动、旋转运动及螺旋运动。
具体实施方式二：下面结合体图3和图4说明本实施方式，本实施方式所述电机的外定子铁心4、外定子绕组3、外定子永磁体12与动子8构成直线驱动单元，内定子铁心7、内定子绕组5、内定子永磁体6与动子8构成旋转驱动单元。所述的直线驱动单元采用圆筒型直线电机结构，所述的旋转驱动单元采用外转子旋转电机结构。
外定子铁心4由多个“U”型冲片沿圆周方向叠压，再沿着轴向方向拼装而成，沿着轴向方向，每个外定子铁心4间放置有外定子永磁体12。
外定子永磁体12为环形结构，沿着轴向方向充磁，相邻外定子永磁体12的充磁方向相反。
外定子铁心4的槽内放置环形的外定子绕组3，不同相的外定子绕组3沿着电机轴向方向依次排列，环形的外定子绕组3的轴线与动子8及外定子铁心4的轴线重合。
动子8的外表面为齿槽结构，沿着轴向方向，动子8外表面上的齿和槽交替排列。
在外定子绕组3中通入对称正弦电流后，在外气隙中产生沿轴向方向移动的行波磁场，该行波磁场与动子8相互作用产生直线电磁推力驱动动子8和转轴11产生直线运动。
内定子铁心7由多个“U”型冲片沿轴向方向叠压，再沿着圆周方向拼装而成，沿着圆周方向，每个内定子铁心7间放置有内定子永磁体6。
内定子永磁体6沿着圆周方充磁，相邻内定子永磁体6的充磁方向相反。
内定子铁心7的槽内放置对称的内定子绕组5，不同相的内定子绕组5沿着电机圆周方向依次排列。
动子8的内表面为齿槽结构，沿着圆周方向，动子8内表面上的齿和槽交替排列。
在内定子绕组5中通入对称正弦电流后，在内气隙中产生沿圆周方向旋转的磁场，该旋转磁场与动子8相互作用产生旋转转矩驱动动子8和转轴11产生旋转运动。
内定子铁心7、外定子铁心4及动子8的轴向长度可以相等，也可以不等。
通过控制外定子绕组3和内定子绕组5中电流的有无，可实现动子8的直线运动、旋转运动及螺旋运动。
本发明提出直线旋转永磁电机，它可替代复杂的机械传动结构实现直线运动、旋转运动及螺旋运动。该电机具有结构简单紧凑、磁路独立、控制解耦、无永磁体去磁风险、可靠性高等优点。电机包括机壳、端盖、外定子铁心、动子、内定子铁心、内定子铁心支架及转轴。机壳两端分别与左右端盖相连，左右端盖再通过轴承与转轴连接。外定子铁心固定在机壳内侧、内定子铁心固定在内定子支架外侧。内外定子铁心之间为具有齿槽结构的空心杯式动子，动子一端固定在转轴上。外定子、外定子永磁体、外定子绕组及动子组成直线驱动单元或旋转驱动单元；内定子、内定子永磁体、内定子绕组及动子组成旋转驱动单元或直线驱动单元。直线和旋转驱动单元均为定子永磁型磁通切换电机结构。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (7)

1.一种直线旋转永磁电机，其特征在于，该电机包括内定子、外定子和位于内定子与外定子之间的动子；
该电机包括左端盖（1）、机壳（2）、外定子绕组（3）、开有凹槽的外定子铁心（4）、内定子绕组（5）、内定子永磁体（6）、开有凹槽的内定子铁心（7）、动子（8）、右端盖（9）、内定子支架（10）、转轴（11）、外定子永磁体（12）、轴承（13）；
其中，左端盖（1）、机壳（2）和右端盖（9）构成一空腔，内定子支架（10）设置在该空腔内，内定子支架（10）的一端与右端盖（9）相连，另一端通过轴承（13）与转轴（11）相连；
外定子铁心（4）固定在机壳（2）的内表面，内定子铁心（7）固定在内定子支架（10）的与机壳（2）相对的上表面，外定子铁心（4）与内定子铁心（7）之间设有动子（8），动子（8）的一端与转轴相连，另一端悬空；
外定子铁心（4）槽内放置有外定子绕组（3），外定子铁心(4)之间放置外定子永磁体（12），内定子铁心（7）槽内放置有内定子绕组（5），内定子铁心（7）之间放置定子永磁体（6）；
外定子铁心（4）、外定子绕组（3）、外定子永磁体（12）及动子（8）构成旋转驱动单元，内定子铁心（7）、外定子绕组（5）、外定子永磁体（12）及动子（8）构成直线驱动单元；
或者外定子铁心（4）、外定子绕组（3）、外定子永磁体（12）及动子（8）构成直线驱动单元，内定子铁心（7）、外定子绕组（5）、外定子永磁体（12）及动子（8）构成旋转驱动单元；
直线驱动单元和旋转驱动单元均采用定子永磁型磁通切换电机结构。
2.根据权利要求1所述的直线旋转永磁电机，其特征在于：内定子铁心（7）与外定子铁心（4）的轴向长度相等，两者同侧端面在同一个径向平面内。
3.根据权利要求1所述的直线旋转永磁电机，其特征在于：内定子铁心（7）与外定子铁心（4）的轴向长度相等，两者同侧端面不在同一个径向平面内。
4.根据权利要求1所述的直线旋转永磁电机，其特征在于：内定子铁心（7）的轴向长度大于或小于外定子铁心（4）的轴向长度相等，两者同侧端面在同一个径向平面内。
5.根据权利要求1所述的直线旋转永磁电机，其特征在于：内定子铁心（7）的轴向长度大于或小于外定子铁心（4）的轴向长度相等，两者同侧端面在同一个径向平面内，两者同侧端面不在同一个径向平面内。
6.根据权利要求1-5任一所述的直线旋转永磁电机，其特征在于：外定子永磁体（12）和内定子永磁体（6）可选择铁氧体或者钕铁硼永磁材料，动子由导磁材料制成。
7.根据权利要求1-5任一所述的直线旋转永磁电机，其特征在于：所述的外定子绕组（3）和内定子绕组（5）均为多相对称绕组。
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