CN105471212B - 一种旋转直线永磁电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种旋转直线永磁电机,包括定子、转子和机械解耦装置；定子和转子均置于支撑座内，定子包括定子铁心、旋转电枢绕组和直线电枢绕组；转子包括转子铁心和转子永磁体；机械解耦装置包括旋转轴承、滑动支架和滑动导轨；滑动支架与转子内轴通过旋转轴承连接，滑动支架设置在滑动导轨上，滑动支架能够相对滑动导轨在转子内轴的轴向方向上移动；在定子铁心轴向长度范围内，旋转直线永磁电机的径向方向上由内向外依次为转子内轴、空气轴承、支撑座的环状凸起部、转子铁心、转子永磁体、直线电枢绕组、旋转电枢绕组和定子铁心。本发明的旋转直线永磁电机,实现了单个电机的多自由度运动，提高了电机运作的精度和效率。
Description
技术领域
本发明涉及电机领域，尤其涉及一种旋转直线永磁电机。
背景技术
传统的电机一般只能提供单自由度运动(旋转运动或者直线运动)，而无法实现旋转和直线运动的复合运动。但是，在机器人关节、工业生产、加工和装配等系统当中，往往需要实现多自由运动。通常情况下，这种多自由度运动是由可以执行直线或者旋转运动的基本元件通过机械拼接组合实现的，但这种方式存在以下一些问题：第一，因为其功能部件中混有机械元件，它的摩擦、磨损和变形都比较严重；第二，旋转运动和直线运动是耦合的，不能独立控制；第三，这种执行机构的精度受机械加工的限制；第四，使用多台电机控制不仅会增加设备的体积和重量，还给控制带来不便。而且随着科学技术的发展，机电系统日益复杂，尤其是一些精密装置，比如固晶机，邦定机，PCB钻孔等，它们对驱动性能的要求越来越高，通过机械性地组合旋转运动和直线运动单元来实现的装置控制精度和响应时间等性能已经无法满足它们的需求。
中国专利201020582357.2公开了一种高频直线旋转电机，该电机的直线运动部分和旋转运动部分分别是一个音圈电机和旋转伺服电机。本质上该电机是将两个自由度电机安装在一起，并非真正意义上的一体式直线旋转二自由度电机，体积较大。PCT专利WO2008/096519 A1公开了一种旋转直线电机，该种电机定子拥有两套绕组，分别是旋转电枢绕组和直线电枢绕组，动子永磁体展开成平面为斜方格图案，永磁体极性在旋转和轴向直线方向为相同的极性，与斜角方向极性相反，但此结构永磁体安装复杂。
发明内容
鉴于现有技术的现状，本发明的目的在于提供一种旋转直线永磁电机，结构简单，实现了单个电机的多自由度运动，提高了电机运作的精度和效率。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种旋转直线永磁电机,包括支撑座、定子、转子、机械解耦装置、转子内轴和空气轴承；
所述定子和所述转子均置于所述支撑座内，所述转子内轴通过所述空气轴承装配在所述支撑座上，所述转子内轴连接所述转子，所述转子内轴与所述转子同步旋转；
所述定子包括定子铁心、旋转电枢绕组和直线电枢绕组；所述转子包括转子铁心和转子永磁体；所述机械解耦装置包括旋转轴承、滑动支架和滑动导轨；
所述滑动支架与所述转子内轴通过所述旋转轴承连接，所述滑动支架设置在所述滑动导轨上，所述滑动支架能够相对所述滑动导轨在所述转子内轴的轴向方向上移动；
在所述定子铁心轴向长度范围内，所述旋转直线永磁电机的径向方向上由内向外依次为所述转子内轴、所述空气轴承、所述支撑座的环状凸起部、所述转子铁心、所述转子永磁体、所述直线电枢绕组、所述旋转电枢绕组和所述定子铁心。
较优地，所述转子永磁体的数量为多个，多个所述转子永磁体环绕在所述转子铁心的周侧。
较优地，所述转子永磁体为单极性永磁体，以气隙面为参考，多个所述转子永磁体表面的极性同为N极或同为S极。
较优地，所述直线电枢绕组为单相绕组，所述旋转电枢绕组为三相或多相绕组。
较优地，所述直线电枢绕组为圆环形线圈；
所述旋转电枢绕组为集中绕组，且嵌入在所述定子铁心的槽中。
较优地，所述定子铁心由导磁材料制成；
所述转子永磁体为钕铁硼永磁体。
较优地，所述转子永磁体的极弧系数为0.4-0.8。
本发明的有益效果是：
本发明的旋转直线永磁电机，设置机械解耦装置，通过设置旋转电枢绕组和直线电枢绕组的结合，在单极性永磁体励磁磁场的作用下，能够产生驱动转子旋转的力矩，也能够产生驱动转子直线运动的直线推力，还能够同时产生驱动转子旋转的力矩和驱动转子直线运动的直线推力而驱动转子螺旋运动，实现了转子的多自由度运动，并且直线推力和旋转转矩相互影响较小，可以很方便实现旋转、直线运动去耦合控制。该种结构不仅解决了现有技术依靠机械部件转换和多个电机实现的多自由度运动方式带来的效率低、易磨损、润滑困难等诸多问题，还可以大大提高整个生产运作的精度和效率。
附图说明
图1为本发明的旋转直线永磁电机剖面示意图；
图2为本发明的旋转直线永磁电机爆炸图；
图3为本发明的旋转直线永磁电机转子一实施方式的结构示意图；
图4为本发明的旋转直线永磁电机转子另一实施方式的结构示意图；
图5为本发明的旋转直线永磁电机的定子结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明的旋转直线永磁电机进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1至图5，本发明一实施例的旋转直线永磁电机,包括转子1、空气轴承2、支撑座3、定子4、机械解耦装置9和转子内轴11。支撑座3的主体为圆形槽，圆形槽内设置有环形凸起部，环形凸起部与环形槽的侧壁之间形成环形的容置空间，定子4和转子1均置于支撑座3的所述容置空间内。转子内轴11通过空气轴承2装配在支撑座3上，空气轴承2置于转子内轴11和支撑座3的环形凸起部之间。转子内轴11贯穿支撑座3的所述环形凸起部，转子内轴11与所述环形凸起部同轴。转子内轴11还连接转子1，使得转子内轴11与转子1同步旋转。
定子4包括定子铁心43、旋转电枢绕组42和直线电枢绕组41。直线电枢绕组41为圆环形线圈，旋转电枢绕组42为集中绕组，且嵌入在定子铁心43的槽中。定子铁心43由导磁材料制成。转子1包括转子铁心12和转子永磁体13。转子永磁体13为钕铁硼永磁体，优选高性能的钕铁硼永磁体。其中，转子永磁体13的极弧系数优选为0.4-0.8。
机械解耦装置9包括旋转轴承91、滑动支架92和滑动导轨93。
在定子铁心43轴向长度范围内，旋转直线永磁电机的径向方向上由内向外依次为转子内轴11、空气轴承2、支撑座3的所述环状凸起部、转子铁心12、转子永磁体13、直线电枢绕组41、旋转电枢绕组42和定子铁心43，定子铁心43在径向方向的外侧为支撑座3的主体侧壁(圆形槽侧壁)。
滑动支架92与转子内轴11通过旋转轴承91连接，即旋转轴承91镶嵌在滑动支架92内，旋转轴承91套设在转子内轴11上。而滑动支架92设置在滑动导轨93上，滑动支架92能够相对滑动导轨93在转子内轴11的轴向方向上移动。
转子永磁体13的数量为多个，多个转子永磁体13环绕在转子铁心12的周侧。转子永磁体13为单极性永磁体，以气隙面为参考，多个转子永磁体13表面的极性同为N极或同为S极，如图3和图4所示。其中图3中转子铁心12除了导磁作用外，还用于固定转子永磁体13。采用此种结构可以明显增加磁阻转矩，提高电机的出力；图4中转子永磁体13规则分布在转子铁心12的外表面，与常规面贴式永磁电机无异，只是永磁体表面极性相同，此种结构转子铁心简单，工艺较易实现。
以上实施例的旋转直线永磁电机，直线电枢绕组41为单相绕组，旋转电枢绕组42为三相或多相绕组。
旋转直线永磁电机运行原理如下：当只给旋转电枢绕组42通入三相对称交流电时，在单极性永磁体的转子永磁体13之间形成相反极性，使得形成的励磁磁场与旋转电枢磁场相互作用产生驱动转子1旋转的力矩；当只给直线电枢绕组41通入直流电时，在单极性永磁体的作用下，气隙内形成的辐射励磁磁场与直线电枢磁场相互作用产生直线方面的推动力，使转子1轴向运动；当同时给直线电枢绕组41通入直流和给旋转电枢绕组42通入三相对称交流电时，在单极性永磁体励磁磁场的作用下，产生的直线推力和旋转转矩驱动转子1螺旋运动，从而实现了单个电机的多自由度，且直线推力和旋转转矩相互影响较小，可以很方便实现旋转、直线运动去耦合控制。
以上实施例的旋转直线永磁电机，设置机械解耦装置，通过设置旋转电枢绕组和直线电枢绕组的结合，在单极性永磁体励磁磁场的作用下，能够产生驱动转子旋转的力矩，也能够产生驱动转子直线运动的直线推力，还能够同时产生驱动转子旋转的力矩和驱动转子直线运动的直线推力而驱动转子螺旋运动，实现了转子的多自由度运动，且直线推力和旋转转矩相互影响较小，可以很方便实现旋转、直线运动去耦合控制；该种结构不仅解决了现有技术依靠机械部件转换和多个电机实现的多自由度运动方式带来的效率低、易磨损、润滑困难等诸多问题，还可以大大提高整个生产运作的精度和效率，满足了不同应用场合的需要。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种旋转直线永磁电机,其特征在于：
包括支撑座、定子、转子、机械解耦装置、转子内轴和空气轴承；
所述定子和所述转子均置于所述支撑座内，所述转子内轴通过所述空气轴承装配在所述支撑座上，所述转子内轴连接所述转子，所述转子内轴与所述转子同步旋转；
所述定子包括定子铁心、旋转电枢绕组和直线电枢绕组；所述转子包括转子铁心和转子永磁体，所述转子永磁体的数量为多个，所述转子永磁体为单极性永磁体，以气隙面为参考，多个所述转子永磁体表面的极性同为N极或同为S极；所述机械解耦装置包括旋转轴承、滑动支架和滑动导轨；
所述滑动支架与所述转子内轴通过所述旋转轴承连接，所述滑动支架设置在所述滑动导轨上，所述滑动支架能够相对所述滑动导轨在所述转子内轴的轴向方向上移动；
在所述定子铁心轴向长度范围内，所述旋转直线永磁电机的径向方向上由内向外依次为所述转子内轴、所述空气轴承、所述支撑座的环状凸起部、所述转子铁心、所述转子永磁体、所述直线电枢绕组、所述旋转电枢绕组和所述定子铁心。
2.根据权利要求1所述的旋转直线永磁电机，其特征在于：
多个所述转子永磁体环绕在所述转子铁心的周侧。
3.根据权利要求1-2任一项所述的旋转直线永磁电机，其特征在于：
所述直线电枢绕组为单相绕组，所述旋转电枢绕组为多相绕组。
4.根据权利要求1至2任一项所述的旋转直线永磁电机，其特征在于：
所述直线电枢绕组为圆环形线圈；所述旋转电枢绕组为集中绕组，且嵌入在所述定子铁心的槽中。
5.根据权利要求4所述的旋转直线永磁电机，其特征在于：
所述直线电枢绕组为单相绕组，所述旋转电枢绕组为多相绕组。
6.根据权利要求1-2任一项所述的旋转直线永磁电机，其特征在于：
所述定子铁心由导磁材料制成；所述转子永磁体为钕铁硼永磁体。
7.根据权利要求1-2任一项所述的旋转直线永磁电机，其特征在于：
所述转子永磁体的极弧系数为0.4-0.8。
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