CN108880184A - 一种新型短动子凸极结构的直线旋转永磁作动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型短动子凸极结构的直线旋转永磁作动器，它是一种高性能的电磁机构。该作动器由定子、动子和绕组组成，其定子是由定子磁轭(2)、定子极(9)、极靴(7)和绕在定子铁心上的线圈(3)构成，圆周方向上有12个定子极，定子安装在非导磁的机壳(1)上，轴承通过套筒与机壳(1)相连。定子轴向有两个电周期，线圈采用集中绕组绕置，动子包含动子铁心(10)、铁极(5)、永磁体(4)和磁桥(8)，径向充磁永磁体间隔嵌入到动子铁极内部，永磁体充磁方向相同。此结构在传统的动子凸极结构的基础上，添加了永磁体，增加了动子永磁励磁磁场，永磁转矩和磁阻转矩共同组成电磁转矩，提高了转矩密度，实现了直线、旋转或螺旋运动。

Description

一种新型短动子凸极结构的直线旋转永磁作动器

技术领域

本发明涉及电机设计领域，是一种可以实现直线、旋转或螺旋运动的高性能、高转矩密度的新型电磁机构。

背景技术

传统的实现直线和旋转运动的实现方案是建立两套独立的电机系统及其传动装置分别驱动直线和旋转运动，此系统缺点是体积大，响应慢。随着现代电子业的迅速发展，其缺陷已经越来越明显，迫切需要小体积、高性能、可稳定实现直线旋转两自由度运动的电机。

专利“一种产生螺旋直线运动的圆筒状压电马达”(CN 104506081)提出的电机在定子与转子之间有相互配合的螺纹，并通过对定子的压电陶瓷外圆筒施加一对交流信号激发定子产生沿圆周方向的行波，通过螺纹副传动，使转子产生螺旋直线运动。专利“一种动磁式直线旋转二自由度电机”(CN 102497080 A)提出的电机可通过前绕组驱动动子作旋转运动，又可通过后绕组驱动动子作直线运动，实现了在一台电机上输出兼具旋转运动和直线运动的两自由度复合运动。采用两套绕组，增加了制作成本，且不利于电机的散热，系统响应慢。专利“直线旋转耦合输出型压电驱动装置”(CN103219916)，仅可作螺旋运动，结构简单、位移和转角精度高的特点，但行程有限。专利“直线旋转双自由度伺服电机”(CN103427588 A)可以在同一根输出轴上同时提供直线和旋转两个自由度的运动，简化了设备的复杂程度，降低了生产和维护的成本。减少中间的转换环节，实现全闭环控制，大大提高了运动的精度。但其最大缺点是：行程短，带载能力低。专利“直线旋转永磁作动器”(CN101997389 A)的永磁体在周向和轴向均互相交错排列，定子采用硅钢片叠加，抑制了定子损耗。专利“一种直线旋转两自由度哈尔巴赫永磁作动器”(CN 02013739 A)、专利“可实现直线与旋转协调控制的永磁作动器”(CN 201854100 U)和专利“一种双定子直线旋转哈尔巴赫永磁作动器”(CN 103280939 A)采用了哈尔巴赫永磁体阵列，作动器结构简单紧凑，可靠性好。

本发明动子采用凸极结构，在动子铁极内部间隔铁极内嵌入永磁体，增加了永磁转矩，提高了作动器的功率密度，实现了直线、旋转和螺旋运动，达到了小体积、高性能的要求。

发明内容

技术问题：本发明旨在提出一种采用在转子凸极结构中嵌入永磁体结构的高功率密度、高性能的永磁作动器，它大大提高了功率密度，增加了动子强度。

技术方案：本发明实现发明目的采用如下技术方案：

一种新型短动子凸极结构的直线旋转永磁作动器，由动子部分和定子部分组成，定子部分是由定子磁轭、定子极、极靴和集中绕组构成，安装在非导磁的机壳上；动子部分由动子铁心、铁极和永磁体组成，永磁体间隔嵌入在动子铁极内部，动子部分位于非导磁轴承上，动子轴承通过套筒与机壳相连接，周向上有12个定子极，轴向上有两个电周期，永磁体嵌入在动子内部，动子铁心嵌入的永磁体在周向上充磁方向相同，在轴向上，相邻永磁体充磁方向相反，各永磁体选用钕铁硼永磁材料。

作为优选，本发明提供的一种新型短动子凸极结构的直线旋转永磁作动器，其特征在于定子铁心在周向上均采用了12极结构，除以其与极对数的最大公约数为3的倍数，有利于抑制谐波，在轴向上，有效运动范围内采用3槽4极结构，绕组采用单层集中绕组，易于安装。

作为优选，本发明提供的一种新型短动子凸极结构的直线旋转永磁作动器，其特征在于永磁极嵌入在动子铁极内部，周向和轴向上充磁方向相同，对永磁体有很好的防护作用，在运动时，永磁转矩和磁阻转矩共同作用构成电磁转矩，有利于提高转矩/推力密度。

作为优选，本发明提供的一种新型短动子凸极结构的直线旋转永磁作动器，其特征在于定子铁心和动子铁心均采用高导磁材料硅钢片50W470轴向叠制。

有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果体现在：该作动器定子铁心和动子铁心都是采用硅钢片叠制而成，永磁体嵌入到动子铁极内部，增加了动子的强度。各定子铁心安装在非导磁材料的机壳上。由于采用了硅钢片叠制，有效的减少了电机的漏磁通，从而可以提高作动器的功率因数，可以通过绕组中电流产生的电枢磁场调节周向和轴向的磁场强度，可以有效的降低损耗。

附图说明

图1是一种新型短动子凸极结构的直线旋转永磁作动器周向结构示意图。

包括非导磁外壳1、定子磁轭2、线圈3、永磁体4、铁极5、非导磁材料6、极靴7、磁桥8、定子极9和动子铁心10。

图2是一种新型短动子凸极结构的直线旋转永磁作动器轴向剖面图。

包括非导磁外壳1、定子磁轭2、线圈3、永磁体4、铁极5、磁桥8、定子极9和动子铁心10。

图3是采用中间磁极结构的直线旋转永磁作动器动子结构示意图。

包括永磁体N极4_1、永磁体S极4_2、铁极5、非导磁材料6和定子极9。

具体实施方式

所述一种新型短动子凸极结构的直线旋转永磁作动器，如图2所示，该作动器由定子和动子组成，定子由定子磁轭(2)、线圈(3)和定子极(9)构成，固定在非导磁的机壳(1)上，动子由动子铁心(10)、永磁体(4)、磁桥(8)和铁极(5)构成。在周向上，定子采用12齿结构，相邻定子齿的夹角为30°。定子轴向有两个电周期，定子铁心和动子铁心均采用高导磁材料硅钢片沿轴向叠制。绕组采用集中绕组的形式，线圈由铜导线绕制，易于安装。

动子部分，永磁体间隔嵌入在动子铁极内部，动子铁心安装在非导磁的轴承上，该轴承通过套筒与机壳(6)相连。动子铁心在轴向上做直线运动，动子铁心的轴向长度小于定子的长度，有效的减少了作动器的体积。动子结构紧凑，可靠性好，在同一周向剖面上，永磁体充磁方向一致，极对数为8，轴向上同一运动方向上永磁充磁方向一致，极对数为2，相邻极永磁体的充磁方向相反，如图3所示。与传统的永磁体极交错排布的结构相比，此结构永磁体的用量少、磁路饱和程度低，动子体积小，降低了制作成本。由于在动子铁极内部嵌入了永磁体，与传统的结构相比，作动器的功率密度得以提高，输出转矩脉动降低，实现直线、旋转和螺旋运动。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种新型短动子凸极结构的直线旋转永磁作动器，包括动子部分和定子部分，定子是由定子磁轭、定子极、极靴和集中绕组构成，安装在非导磁的机壳上；动子由动子铁心、铁极和永磁体组成，永磁体间隔嵌入在动子铁极内部，动子部分位于非导磁轴承上，动子轴承通过套筒与机壳相连接，在轴向上动子长度小于定子长度。

2.根据权利要求1所述的一种新型短动子凸极结构的直线旋转永磁作动器，其特征在于定子铁心在周向上均采用了12极结构，除以其与极对数的最大公约数为3的倍数，有利于抑制谐波，在轴向上，有效运动范围内采用3槽4极结构，绕组采用单层集中绕组，易于安装。

3.根据权利要求1所述的一种新型短动子凸极结构的直线旋转永磁作动器，其特征在于永磁极嵌入在动子铁极内部，周向和轴向上充磁方向相同，对永磁体有很好的防护作用，在运动时，永磁转矩和磁阻转矩共同作用构成电磁转矩，有利于提高转矩/推力密度。

4.根据权利要求1所述的一种新型短动子凸极结构的直线旋转永磁作动器，其特征在于定子铁心和动子铁心均采用高导磁材料硅钢片50W470轴向叠制，有效的抑制了损耗。