(12)实用新型专利
(10)授权公告号 CN 208369436 U(45)授权公告日 2019.01.11
(21)申请号 201821055029.X(22)申请日 2018.07.05
(73)专利权人 中国科学院宁波材料技术与工程
研究所
地址 315201 浙江省宁波市镇海区中官西
路1219号(72)发明人 陈进华 张驰 杨桂林 (74)专利代理机构 宁波元为知识产权代理事务
所(特殊普通合伙) 33291
代理人 单英(51)Int.Cl.
H02K 16/00(2006.01)H02K 41/02(2006.01)
(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利
权利要求书1页 说明书3页 附图2页
(54)实用新型名称
一种动圈式单极性永磁体旋转直线电机(57)摘要
本实用新型公开了一种动圈式单极性永磁体旋转直线电机，包括筒型的外定子、固定在外定子两端的前端盖和后端盖、活动设于外定子内部的伸出轴。伸出轴上固定有有限转角转子和直线运动次级。在直线运动次级的内部设有与后端盖固定连接的内定子。有限转角转子与外定子作用，直线运动次级与外定子和内定子同时作用，实现伸出轴通过的直线运动、有限转角运动和螺旋运动。本实用新型的电机具有结构简单、紧凑的优点，降低了永磁体的用量、提高气隙磁密，并具有控制简单、直线推力和旋转转矩相互影响较小等特点。CN 208369436 UCN 208369436 U
权 利 要 求 书
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1.一种动圈式单极性永磁体旋转直线电机，其特征在于：包括筒型的外定子(1)、固定在外定子(1)两端的前端盖(5)和后端盖(6)、活动设于外定子(1)内部的伸出轴(4)；所述的伸出轴(4)上固定有有限转角转子(2)和直线运动次级(3)；在直线运动次级(3)的内部设有与后端盖(6)固定连接的内定子(7)；所述的有限转角转子(2)与外定子(1)作用，所述的直线运动次级(3)与外定子(1)和内定子(7)同时作用，实现伸出轴(4)通过的直线运动、有限转角运动和螺旋运动。
2.根据权利要求1所述的动圈式单极性永磁体旋转直线电机，其特征在于：所述的伸出轴(4)沿轴向分布有第一固定部和第二固定部，所述第一固定部的前端与前端盖(5)上的第一套筒(81)转动配合，所述的有限转角转子(2)安装在第一固定部上；所述的第二固定部为圆筒型，所述的直线运动次级(3)与第二固定部固定连接，所述的内定子(7)位于直线运动次级(3)的内部。
3.根据权利要求2所述的动圈式单极性永磁体旋转直线电机，其特征在于：所述的后端盖(6)具有延伸至第二固定部内部的安装轴；所述的内定子(7)固定在所述的安装轴上；所述的安装轴上设有与第二固定部内壁相配合的第二套筒(82)。
4.根据权利要求2所述的动圈式单极性永磁体旋转直线电机，其特征在于：所述有限转角转子(2)由带齿部的转子铁芯(21)和旋转电枢绕组(22)组成；所述外定子(1)由带齿的定子铁芯(11)和单极性永磁体(12)组成。
5.根据权利要求4所述的动圈式单极性永磁体旋转直线电机，其特征在于：所述直线运动次级(3)由直线电枢绕组(31)和绕组骨架(32)组成；所述的绕组骨架(32)为圆筒型，绕组骨架(32)的端部与第二固定部的端部同轴连接。
6.根据权利要求4所述的动圈式单极性永磁体旋转直线电机，其特征在于：所述单极性永磁体(12)和内定子(7)均为同极性的钕铁硼永磁体，充磁方向为径向充磁。
7.根据权利要求4所述的动圈式单极性永磁体旋转直线电机，其特征在于：所述单极性永磁体(12)的个数p和带齿的定子铁芯(11)的齿个数Q符合三相永磁电机的极槽配合要求。
8.根据权利要求5所述的动圈式单极性永磁体旋转直线电机，其特征在于：所述直线电枢绕组(31)为圆环形线圈，安装在绕组骨架(32)的外壁；所述旋转电枢绕组(22)为集中绕组，且旋转电枢绕组(22)嵌入在转子铁芯(21)的齿部间。
9.根据权利要求1所述的动圈式单极性永磁体旋转直线电机，其特征在于：所述的端盖(6)为导磁材料，所述的伸出轴(4)为不导磁材料。
10.根据权利要求4所述的动圈式单极性永磁体旋转直线电机，其特征在于：所述定子铁芯(11)的齿部所占角度ττ0.5至1.5。c和单极性永磁体(12)所占角度pm比值为：
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说 明 书
一种动圈式单极性永磁体旋转直线电机
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技术领域
[0001]本实用新型涉及旋转直线永磁电机领域，具体地说是一种动圈式单极性永磁体旋转直线电机。
背景技术
[0002]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。
[0003]中国专利201410448886.6公开了一种旋转直线永磁电机，该电机采用单极性永磁体，在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、转子铁芯、转子永磁体、直线电枢绕组、旋转电枢绕组和定子铁芯，使得等效气隙增加很多，有效降低气隙磁密，而且由于动磁式结构导致该电机结构存在轴向吸引力。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。中国专利201510282204.3 公开了一种采用交错极结构的直线旋转永磁作动器，该作动器在轴向上设置三组定子单元，且三组定子单元通过非导磁连接器连接，而动子在轴向上设置交替排列了相反的磁极，有效降低了永磁体用量，但带来了复杂的控制。
实用新型内容
[0004]鉴于现有技术的现状，本实用新型的目的在于提供一种动圈式单极性永磁体旋转直线电机，该电机具有结构简单、紧凑的优点，降低了永磁体的用量、提高气隙磁密，并具有控制简单、直线推力和旋转转矩相互影响较小等特点。[0005]本实用新型的技术方案如下：一种动圈式单极性永磁体旋转直线电机，包括筒型的外定子、固定在外定子两端的前端盖和后端盖、活动设于外定子内部的伸出轴。伸出轴上固定有有限转角转子和直线运动次级。在直线运动次级的内部设有与后端盖固定连接的内定子。有限转角转子与外定子作用，直线运动次级与外、内定子同时作用，实现伸出轴通过的直线运动、有限转角运动和螺旋运动。
[0006]上述的伸出轴沿轴向分布有第一固定部和第二固定部，第一固定部的前端与前端
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说 明 书
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盖上的第一套筒转动配合，有限转角转子安装在第一固定部上。第二固定部为圆筒型，直线运动次级与第二固定部固定连接，内定子位于直线运动次级的内部。[0007]上述的后端盖具有延伸至第二固定部内部的安装轴。内定子固定在安装轴上。安装轴上设有与第二固定部内壁相配合的第二套筒。
[0008]上述有限转角转子由带齿部的转子铁芯和旋转电枢绕组组成。外定子由带齿的定子铁芯和单极性永磁体组成。
[0009]上述直线运动次级由直线电枢绕组和绕组骨架组成。绕组骨架为圆筒型，绕组骨架的端部与第二固定部的端部同轴连接。
[0010]上述单极性永磁体和内定子均为同极性的钕铁硼永磁体，充磁方向为径向充磁。[0011]上述单极性永磁体的个数p和带齿的定子铁芯的齿个数Q符合三相永磁电机的极槽配合要求。
[0012]上述直线电枢绕组为圆环形线圈，安装在绕组骨架的外壁。旋转电枢绕组为集中绕组，且旋转电枢绕组嵌入在转子铁芯的齿部间。[0013]上述的端盖为导磁材料，伸出轴为不导磁材料。[0014]上述定子铁芯的齿部所占角度ττ0.5至1.5。c和单极性永磁体所占角度pm比值为：[0015]本实用新型的有益效果是：本实用新型的动圈式单极性永磁体旋转直线电机，采用共用的外定子，通过在轴向上设置旋转电枢绕组和直线电枢绕组，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，从而驱动转子进行螺旋运动，实现了转子的两自由度运动；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，还提高了电机的转矩密度和无轴向吸引力的优点，有效提高整个生产运作的精度和效率。附图说明
[0016]图1为本实施例中动圈式单极性永磁体旋转直线电机的剖面结构示意图。[0017]图2为本实施例中有限转角转子的结构示意图。[0018]图3为本实施例中外定子的剖面结构示意图。
[0019]图4为本实施例中直线运动初级的剖面结构示意图。
具体实施方式
[0020]以下结合附图对本实用新型的实施例作进一步详细描述。[0021]图1至图4所示为本实用新型的结构示意图。[0022]其中的附图标记为：外定子1、定子铁芯11、单极性永磁体12、有限转角转子2、转子铁芯21、旋转电枢绕组22、直线运动次级3、直线电枢绕组31、绕组骨架32、伸出轴4、前端盖5、后端盖6、内定子7、第一套筒81、第二套筒82。
[0023]本实施例的动圈式单极性永磁体旋转直线电机，包括筒型的外定子1、固定在外定子1两端的前端盖5和后端盖6、活动设于外定子1内部的伸出轴4。[0024]伸出轴4上固定有有限转角转子2和直线运动次级3。在直线运动次级3的内部设有
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与后端盖6固定连接的内定子7。有限转角转子2与外定子1耦合，直线运动次级3 与外定子1和内定子7同时相互作用，实现伸出轴4通过的直线运动、有限转角运动和螺旋运动。[0025]伸出轴4沿轴向分布有第一固定部和第二固定部，第一固定部的前端与前端盖5上的第一套筒81转动配合，有限转角转子2安装在第一固定部上。第二固定部为圆筒型，直线运动次级3与第二固定部固定连接，内定子7位于直线运动次级3的内部。[0026]后端盖6具有延伸至第二固定部内部的安装轴。内定子7固定在安装轴上。安装轴上设有与第二固定部内壁相配合的第二套筒82。[0027]如图2所示，有限转角转子2由带齿部的转子铁芯21和旋转电枢绕组22组成。外定子1由带齿的定子铁芯11和单极性永磁体12组成。
[0028]旋转电枢绕组22和直线电枢绕组31轴向分布在伸出轴4上，在单极性永磁体励磁磁场的作用下，能够产生驱动转子2旋转的力矩，也能够产生驱动直线运动次级3直线运动的直线推力，还能够同时产生驱动伸出轴4旋转的力矩和驱动伸出轴4直线运动的直线推力，从而驱动伸出轴4进行螺旋运动，实现了伸出轴4的两自由度运动[0029]直线运动次级3由直线电枢绕组31和绕组骨架32组成。绕组骨架32为圆筒型，绕组骨架32的端部与第二固定部的端部同轴连接。
[0030]单极性永磁体12和内定子7均为同极性的钕铁硼永磁体，充磁方向为径向充磁。[0031]单极性永磁体12的个数p和带齿的定子铁芯11的齿个数Q符合三相永磁电机的极槽配合要求。
[0032]如图4所示，直线电枢绕组31为圆环形线圈，安装在绕组骨架32的外壁。旋转电枢绕组22为集中绕组，且旋转电枢绕组22嵌入在转子铁芯21的齿部间。[0033]本实施例中端盖6为导磁材料，伸出轴4为不导磁材料。[0034]如图3所示，定子铁芯11的齿部所占角度ττc和单极性永磁体12所占角度pm比值为：0.5至1.5。
[0035]本实施例的动圈式单极性永磁体旋转直线电机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，还提高了电机的转矩密度和无轴向吸引力的优点，有效提高整个生产运作的精度和效率。[0036]本实用新型的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本实用新型的范围。
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