CN211151779U - 定子永磁型绕组混合励磁两自由度电机 - Google Patents

Abstract

定子永磁型绕组混合励磁两自由度电机，本实用新型涉及电机技术领域，它包含旋转运动定子、动子、直线运动定子；旋转运动定子套设在直线运动定子的外部，且两者之间嵌套有动子，三者相互嵌套构成双层气隙；上述旋转运动定子、动子以及直线运动定子均为凸极结构。有效削弱直线行波磁场与旋转磁场间的耦合效应，且气隙磁场可调，具有高转矩密度、宽调速运行范围等优点，从而解决了现有电机的性能问题。

Description

定子永磁型绕组混合励磁两自由度电机

技术领域

本实用新型涉及电机技术领域，具体涉及定子永磁型绕组混合励磁两自由度电机。

背景技术

在现实生活中两自由度运动装置随处可见，例如，螺旋钻床、螺旋压缩机等装置，都需要驱动轴做两自由度运动。现有两自由度运动装置主要采用多台电机配合的方式，这种方式存在控制方法复杂、机械传动装置价格昂贵、机械磨损严重等缺点。然而，上述方法的缺陷可通过两自由度电机来解决。目前，两自由度电机主要分为感应型、开关磁阻型和永磁型，与感应型和开关磁阻型两自由度电机相比，永磁型两自由度电机具有功率密度高的优点，引起了众多学者的研究。

然而，永磁电机仅有永磁体励磁，由于永磁磁链的不可控性，在宽调速范围情况下，电机不能保持高效率和恒定的输出电压；此外，由于永磁电机气隙磁场不可调节，不能很好地满足电机运行环境多变和电机***可靠的需求，缩小永磁电机应用范围。但是，上述缺陷通过混合励磁的方法能够很好的解决，用直流励磁线圈代替永磁体，便于控制磁链，调节气隙磁场满足电机运行环境多变和电机***可靠的需求，扩大了电机应用领域。

公开号为CN109742874A的实用新型专利《一种直线旋转两自由度磁通切换电机》公开了一种直线旋转两自由度磁通切换电机，可直接实现旋转、直线或螺旋运动。然而，考虑到直线运动永磁体12和旋转运动永磁体7均位于定子上，永磁体磁场耦合严重，影响电机输出特性；并且该电机仅由永磁体励磁，存在高温不可逆退磁的风险，且气隙磁场不可调节，不能很好地满足电机运行环境多变的需求。

公开号为CN105762991A的实用新型专利《双定子直线旋转永磁电机的一体化位置检测装置及方法》公开了一种直线旋转两自由度电机，可实现旋转、直线或螺旋运动。然而，考虑到外侧永磁体和内侧永磁体均固定在动子上，两者永磁磁场耦合严重，影响电机输出特性；并且该电机仅由永磁体励磁，存在高温不可逆退磁的风险，且磁场不可调节，不能很好地满足电机运行环境多变的需求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种设计合理的定子永磁型绕组混合励磁两自由度电机，有效削弱直线行波磁场与旋转磁场间的耦合效应，且气隙磁场可调，具有高转矩(功率)密度、宽调速运行范围等优点，从而解决了现有电机的性能问题。

为达到上述目的，本实用新型采用了下列技术方案：它包含旋转运动定子、动子、直线运动定子；旋转运动定子套设在直线运动定子的外部，且两者之间嵌套有动子，三者相互嵌套构成双层气隙；上述旋转运动定子、动子以及直线运动定子均为凸极结构；

上述旋转运动定子由旋转运动定子U型铁芯、旋转运动电枢绕组、旋转运动励磁绕组和旋转运动永磁体构成；数个旋转运动定子U型铁芯沿圆周向分布，相邻两个旋转运动定子U型铁芯之间夹设有旋转运动永磁体，且旋转运动永磁体的径向长度小于旋转运动定子U型铁芯的径向长度，上述旋转运动定子U型铁芯与旋转运动永磁体构成旋转运动电枢齿；上述旋转运动永磁体为沿切向充磁式永磁体，且相邻两个旋转运动永磁体的充磁方向相反设置；上述旋转运动电枢绕组绕设在上述旋转运动电枢齿上；上述旋转运动励磁绕组设置于上述旋转运动定子U型铁芯的轭上；

上述直线运动定子由直线运动定子U型铁芯、直线运动电枢绕组、直线运动励磁绕组以及直线运动永磁体构成；数个直线运动定子U型铁芯呈轴向分布，相邻的两个直线运动定子U型铁芯之间夹设有直线运动永磁体，且直线运动永磁体的径向长度小于直线运动定子U型铁芯的径向长度；上述直线运动永磁体为沿轴向充磁式永磁体，且相邻两个直线运动永磁体的充磁方向相反设置；上述直线运动电枢绕组设置在直线运动定子U型铁芯的槽内；上述直线运动励磁绕组绕设在直线运动永磁体上。

进一步地，所述的旋转运动电枢绕组和旋转运动励磁绕组均为集中绕组式结构。

进一步地，所述的直线运动电枢绕组和直线运动励磁绕组均为环形绕组式结构。

进一步地，所述的动子的内外两侧均设有凸极齿，且位于外侧的凸极齿沿圆周分布设置，位于内侧的凸极齿沿轴向分布设置，上述凸极齿为非斜极结构。

采用上述结构后，本实用新型的有益效果是：

1、具有能够驱动负载做旋转、直线或螺旋运动，并具有高转矩(功率)密度、宽调速运行范围、电机***可靠、便于加工装配等优点；

2、动子仅为硅钢片，既无绕组也无永磁体，易于实现磁场隔离；

3、旋转运动永磁体和直线运动永磁体分别位于外层定子和内层定子，动子仅为硅钢片，旋转运动永磁体产生的旋转磁场穿过外层气隙，经动子外层凸极齿闭合；而直线运动永磁体产生的行波磁场则穿过内层气隙，经动子内层凸极齿构成闭合回路，因此，有效削弱了行波磁场与旋转磁场的耦合，易于实现解耦控制，进而改善电机输出特性；

4、在气隙磁场需要调节的工况下，可通过励磁线圈顺向串联构成励磁绕组与永磁体共同提供气隙磁场，实现了电机气隙磁场的可调节性，既可以通过增磁提高电机的输出转矩密度，也可以通过弱磁扩大电机的恒功率调速范围，使电机运行具有更佳的可控性；

5、由于旋转运动电枢绕组、旋转运动励磁绕组和直线运动电枢绕组、直线运动励磁绕组分别采用集中绕组和环形绕组，有效减小了端部绕组长度；降低了端部电阻大小，提高了电机效率。

6、具有聚磁效应强，空载气隙磁密大，转矩输出能力强，功率密度高，效率高的特点；

7、旋转运动电枢绕组和旋转运动永磁体相配合，形成旋转运动磁场；直线运动电枢绕组和直线运动永磁体相配合，形成直线运动磁场；旋转运动磁场和直线运动磁场单独作用或共同作用，可直接驱动动子做旋转、直线或螺旋运动。

附图说明：

图1为本实用新型的剖视结构图。

图2为本实用新型中旋转运动定子的剖视结构图。

图3为本实用新型中直线运动定子的剖视结构图。

图4为本实用新型中旋转运动电枢绕组和旋转运动励磁绕组的分布图。

图5为本实用新型中直线运动电枢绕组和直线运动励磁绕组的分布图。

附图标记说明：

旋转运动定子1、动子2、直线运动定子3、旋转运动定子U型铁芯4、旋转运动电枢绕组5、旋转运动励磁绕组6、旋转运动永磁体7、直线运动电枢绕组8、直线运动励磁绕组9、直线运动定子U型铁芯10、旋转运动电枢齿11、直线运动永磁体12。

具体实施方式：

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-图5所示，本具体实施方式采用如下技术方案：它包含旋转运动定子1、动子2、直线运动定子3；旋转运动定子1套设在直线运动定子3的外部，且两者之间嵌套有动子2，三者相互嵌套构成双层气隙；上述旋转运动定子1、动子2以及直线运动定子3均为凸极结构；动子2的内外两侧均设有凸极齿，且位于外侧的凸极齿沿圆周分布设置，位于内侧的凸极齿沿轴向分布设置，上述凸极齿为非斜极结构；动子2上即无永磁体也无电枢绕组；

上述旋转运动定子1由旋转运动定子U型铁芯4、旋转运动电枢绕组5、旋转运动励磁绕组6和旋转运动永磁体7构成；每个旋转运动定子U型铁芯4均有若干个U形硅钢片呈轴向叠压而成，数个旋转运动定子U型铁芯4沿圆周向分布，相邻两个旋转运动定子U型铁芯4之间夹设有旋转运动永磁体7，且旋转运动永磁体7的径向长度小于旋转运动定子U型铁芯4的径向长度，上述旋转运动定子U型铁芯4与旋转运动永磁体7构成旋转运动电枢齿11；上述旋转运动永磁体7为沿切向充磁式永磁体，且相邻两个旋转运动永磁体7的充磁方向相反设置；上述旋转运动电枢绕组5绕设在上述旋转运动电枢齿11上；上述旋转运动励磁绕组6设置于上述旋转运动定子U型铁芯4的轭上；旋转运动电枢绕组5和旋转运动励磁绕组6均为集中绕组式结构；

上述直线运动定子3由直线运动定子U型铁芯10、直线运动电枢绕组8、直线运动励磁绕组9以及直线运动永磁体12构成；每个直线运动定子U型铁芯10均由若干个U形硅钢片呈圆周向叠压而成，数个直线运动定子U型铁芯10呈轴向分布，相邻的两个直线运动定子U型铁芯10之间夹设有直线运动永磁体12，且直线运动永磁体12的径向长度小于直线运动定子U型铁芯10的径向长度；上述直线运动永磁体12为沿轴向充磁式永磁体，且相邻两个直线运动永磁体12的充磁方向相反设置；上述直线运动电枢绕组8设置在直线运动定子U型铁芯10的槽内；上述直线运动励磁绕组9绕设在直线运动永磁体12上；直线运动电枢绕组8和直线运动励磁绕组9均为环形绕组式结构；

上述旋转运动定子铁芯4、直线运动定子铁芯10以及动子均为硅钢片等导磁材料制成；上述旋转运动永磁体7、直线运动永磁体12均为钕铁硼、钐钴、铁氧体等永磁材料制成。

所述的旋转运动电枢绕组5中的511号线圈与513号线圈径向相对，512号线圈与514号线圈径向相对，511号线圈与512号线圈在空间位置上相差90°，511号线圈与512号线圈顺向串联组成一个线圈组，同理，513号线圈与514号线圈顺向串联组成另一个线圈组，两个线圈组顺向串联，构成旋转运动电枢绕组5中的A相电枢绕组；所述旋转运动电枢绕组5中的521号线圈与523号线圈径向相对，522号线圈与524号线圈径向相对，521号线圈与522号线圈在空间位置上相差90°，521号线圈与522号线圈顺向串联组成一个线圈组，同理，523号线圈与524号线圈顺向串联组成另一个线圈组，两个线圈组顺向串联，构成旋转运动电枢绕组5中的B相电枢绕组；所述旋转运动电枢绕组5中的531号线圈与533号线圈径向相对，532号线圈与534号线圈径向相对，531号线圈与532号线圈在空间位置上相差90°，531号线圈与532号线圈顺向串联组成一个线圈组，同理，533号线圈与534号线圈顺向串联组成另一个线圈组，两个线圈组顺向串联，构成旋转运动电枢绕组5中的C相电枢绕组，三相电枢绕组之间空间位置相差60°，使三相磁链相位相差120°；

所述旋转运动励磁绕组6中的61号线圈、62号线圈、63号线圈、64号线圈、65号线圈和66号线圈顺向串联；

所述的直线运动电枢绕组8中的811号线圈、812号线圈、813号线圈、814号线圈在空间位置上分别相差两个槽距，且811号线圈与812号线圈顺向串联组成一个线圈组，813号线圈与814号线圈顺向串联组成另一个线圈组，两个线圈组顺向串联，构成直线运动电枢绕组8中的A相电枢绕组；所述的直线运动电枢绕组8中的821号线圈、822号线圈、823号线圈、824号线圈在空间位置上分别相差两个槽距，且821号线圈与822号线圈顺向串联组成一个线圈组，823号线圈与824号线圈顺向串联组成另一个线圈组，两个线圈组顺向串联，构成直线运动电枢绕组8中的B相电枢绕组；所述的直线运动电枢绕组8中的831号线圈、832号线圈、833号线圈、834号线圈在空间位置上分别相差两个槽距，且831号线圈与832号线圈顺向串联组成一个线圈组，833号线圈与834号线圈顺向串联组成另一个线圈组，两个线圈组顺向串联，构成直线运动电枢绕组8中的C相电枢绕组，三相之间空间位置分别相差1个槽距，使三相磁链相位相差120°；

所述的直线运动励磁绕组9中的91号线圈、92号线圈、93号线圈、94号线圈、95号线圈、96号线圈、97号线圈、98号线圈、99号线圈、910号线圈和911号线圈顺向串联。

本具体实施方式的工作原理：旋转运动永磁体7产生的旋转磁场穿过外层气隙，经动子2外层的凸极齿闭合；而直线运动永磁体12产生的行波磁场则穿过内层气隙，经动子2内层的凸极齿构成闭合回路，削弱了行波磁场与旋转磁场的耦合，易于实现解耦控制，进而改善电机输出特性；当只有旋转运动励磁绕组6通电时，其和旋转运动永磁体7共同提供旋转气隙磁场，实现电机旋转气隙磁场的可调节性；当只有直线运动励磁绕组9通电时，其和直线运动永磁体12共同提供直线运动气隙磁场，实现电机直线气隙磁场的可调性；当两者同时通电时，能够同时实现电机旋转气隙磁场和直线气隙磁场的可调；在气隙磁场需要调节的工况下，可通过励磁线圈顺向串联构成励磁绕组(即旋转运动励磁绕组6和直线运动励磁绕组9)与永磁体(即旋转运动永磁体7和直线运动永磁体12)共同提供气隙磁场，实现了电机气隙磁场的可调节性，既可以通过增磁提高电机的输出转矩密度，也可以通过弱磁扩大电机的恒功率调速范围，使电机运行具有更佳的可控性；通过励磁电流与电枢电流的协调控制，实现电机***在整个运行范围内的在线效率优化。

采用上述结构后，本具体实施方式的有益效果是：本具体实施方式提供了一种定子永磁型绕组混合励磁两自由度电机，有效削弱直线行波磁场与旋转磁场间的耦合效应，且气隙磁场可调，具有高转矩(功率)密度、宽调速运行范围等优点，从而解决了现有电机的性能问题。

尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,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。

Claims (4)

1.定子永磁型绕组混合励磁两自由度电机，其特征在于：它包含旋转运动定子(1)、动子(2)、直线运动定子(3)；旋转运动定子(1)套设在直线运动定子(3)的外部，且两者之间嵌套有动子(2)，三者相互嵌套构成双层气隙；上述旋转运动定子(1)、动子(2)以及直线运动定子(3)均为凸极结构；

上述旋转运动定子(1)由旋转运动定子U型铁芯(4)、旋转运动电枢绕组(5)、旋转运动励磁绕组(6)和旋转运动永磁体(7)构成；数个旋转运动定子U型铁芯(4)沿圆周向分布，相邻两个旋转运动定子U型铁芯(4)之间夹设有旋转运动永磁体(7)，且旋转运动永磁体(7)的径向长度小于旋转运动定子U型铁芯(4)的径向长度，上述旋转运动定子U型铁芯(4)与旋转运动永磁体(7)构成旋转运动电枢齿(11)；上述旋转运动永磁体(7)为沿切向充磁式永磁体，且相邻两个旋转运动永磁体(7)的充磁方向相反设置；上述旋转运动电枢绕组(5)绕设在上述旋转运动电枢齿(11)上；上述旋转运动励磁绕组(6)设置于上述旋转运动定子U型铁芯(4)的轭上；

上述直线运动定子(3)由直线运动定子U型铁芯(10)、直线运动电枢绕组(8)、直线运动励磁绕组(9)以及直线运动永磁体(12)构成；数个直线运动定子U型铁芯(10)呈轴向分布，相邻的两个直线运动定子U型铁芯(10)之间夹设有直线运动永磁体(12)，且直线运动永磁体(12)的径向长度小于直线运动定子U型铁芯(10)的径向长度；上述直线运动永磁体(12)为沿轴向充磁式永磁体，且相邻两个直线运动永磁体(12)的充磁方向相反设置；上述直线运动电枢绕组(8)设置在直线运动定子U型铁芯(10)的槽内；上述直线运动励磁绕组(9)绕设在直线运动永磁体(12)上。

2.根据权利要求1所述的定子永磁型绕组混合励磁两自由度电机，其特征在于：所述的旋转运动电枢绕组(5)和旋转运动励磁绕组(6)均为集中绕组式结构。

3.根据权利要求1所述的定子永磁型绕组混合励磁两自由度电机，其特征在于：所述的直线运动电枢绕组(8)和直线运动励磁绕组(9)均为环形绕组式结构。

4.根据权利要求1所述的定子永磁型绕组混合励磁两自由度电机，其特征在于：所述的动子(2)的内外两侧均设有凸极齿，且位于外侧的凸极齿沿圆周分布设置，位于内侧的凸极齿沿轴向分布设置，上述凸极齿为非斜极结构。

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