一种具有轴向磁通动子的两自由度电机

本发明属于特种电机，具体涉及一种具有轴向磁通动子的两自由度电机。

背景技术：

1、电机能够将电能转化为动能，在现代工业的发展中不可或缺。一维运动的单自由度电机无法满足复杂驱动的要求，因此，两自由度电机在工业生产中被大量需要。两自由度电机是一种能够实现直线、旋转和螺旋运动的两自由度电机。多种设备如机器手臂、螺旋钻床、舰船推进、螺旋钻床、电动陀螺仪等都需要应用两自由度电机。随着工业制造的日益发展，对驱动系统的精确性要求也越来越高。

2、中国专利201320741315.2公开的“一种两自由度感应电机”，主要由定子和动子构成，该发明采用直线运动弧形电机定子、旋转运动弧形电机定子和实心动子，驱动负载做旋转、直线或螺旋运动时，具有结构简单，可消除径向力的优点。但其采用的是感应电机，功率密度低于永磁型电机，而且涡流损耗大，难以实现高精确位置控制，限制了该电机的应用。

3、中国专利202010059522.4公开的“定子及模块化结构的旋转直线两自由度永磁电机”，主要由模块化定子和动子构成，该发明采用多个模块化定子铁心单元和若干永磁块和铁轭环交替装配组成，驱动负载做旋转、直线或螺旋运动时，具有反电动势正弦度高，显著提高转矩/推力密度的优点。但模块化定子单元结构鳞次栉比，模块化定子单元数量多不仅增加了加工的难度，还增加了组合装配的复杂度。

技术实现思路

1、为解决现有技术中两自由度电机存在的功率密度低、磁场耦合，减小电机加工与组装难度大的问题，本发明公开了一种具有轴向磁通动子的两自由度电机，采用了旋转定子、直线定子和两套独立的电枢绕组，可以直接驱动负载做直线、旋转或螺旋运动，结构紧凑、材料利用率高、磁场耦合弱、功率密度高，控制方便。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种具有轴向磁通动子的两自由度电机，包括旋转定子、直线定子和动子，所述旋转定子和直线定子均为扇环形且内外径相等，旋转定子和直线定子相扣组合后内部形成圆柱形空间；部分动子穿过所述圆柱形空间；所述旋转定子包括旋转定子铁心和旋转绕组；旋转定子铁心周向均匀开有梯形半闭口槽，梯形半闭口槽开口朝向轴心，旋转绕组设置在梯形半闭口槽中，所述梯形半闭口槽之间具有极靴，所述极靴朝向轴心的底部沿周向设置有若干均匀分布的矩形开口槽；所述直线定子包括直线定子铁心和直线绕组，直线定子铁心沿轴向等距开有矩形槽，矩形槽开口朝向轴心，直线绕组设置在矩形槽内；所述动子包括若干环形动子铁心、若干环形永磁体块、转轴和轴承，所述环形动子铁心和环形永磁体块交替排列并通过轴承套设在转轴上，各环形动子铁心外周面设置有均匀分布的外齿，同一环形永磁体一侧的环形动子铁心外齿与另一侧环形动子铁心齿间凹槽相对，同一环形动子铁心两侧的环形永磁体具有不同磁极。

4、进一步的，所述动子齿尺寸与所述旋转定子铁芯极靴上矩形开口槽之间的小齿尺寸相适应。能够提高控制精度。

5、进一步的，各环形动子铁心厚度相等，各环形永磁体块厚度相等。

6、进一步的，所述环形动子铁心与环形永磁体块内径相同，环形永磁体块外缘与环形动子铁心齿间凹槽底部平齐。

7、进一步的，所述矩形开口槽与梯形半闭口槽的开口宽度相等。

8、进一步的，所述梯形半闭口槽底部为弧面。

9、进一步的，所述矩形开口槽底部为平面。

10、进一步的，所述旋转定子铁心由形状一致的硅钢片沿轴向叠压而成。

11、进一步的，所述直线定子铁心由形状一致的硅钢片沿周向叠压而成。

12、本发明的有益效果为：

13、1.本发明中动子结构采用整块永磁体轴向交替排列的结构，在实现轴向磁通工作原理的同时，结构紧凑，材料利用率高，有效增加功率密度和效率。

14、2.本发明提供的电机结构中两个定子分开布置，主磁场基本不存在磁场耦合，降低了磁场耦合强度。

15、3.本发明采用两套绕组产生直线和旋转两种电枢磁场，且直线绕组和旋转绕组磁通路径相互垂直，能够实现较好的直线和旋转运动的解耦驱动控制。

16、4.本发明中永磁体与转子铁心结构简单，加工方便，动子结构紧凑，转动惯量小，轴承磨损小。

技术特征：

1.一种具有轴向磁通动子的两自由度电机，其特征在于：包括旋转定子、直线定子和动子，所述旋转定子和直线定子均为扇环形且内外径相等，旋转定子和直线定子相扣组合后内部形成圆柱形空间；部分动子穿过所述圆柱形空间；所述旋转定子包括旋转定子铁心和旋转绕组；旋转定子铁心周向均匀开有梯形半闭口槽，梯形半闭口槽开口朝向轴心，旋转绕组设置在梯形半闭口槽中，所述梯形半闭口槽之间具有极靴，所述极靴朝向轴心的底部沿周向设置有若干均匀分布的矩形开口槽；所述直线定子包括直线定子铁心和直线绕组，直线定子铁心沿轴向等距开有矩形槽，矩形槽开口朝向轴心，直线绕组设置在矩形槽内；所述动子包括若干环形动子铁心、若干环形永磁体块、转轴和轴承，所述环形动子铁心和环形永磁体块交替排列并通过轴承套设在转轴上，各环形动子铁心外周面设置有均匀分布的外齿，同一环形永磁体一侧的环形动子铁心外齿与另一侧环形动子铁心齿间凹槽相对，同一环形动子铁心两侧的环形永磁体具有不同磁极。

2.根据权利要求1所述的具有轴向磁通动子的两自由度电机，其特征在于：所述动子齿尺寸与所述旋转定子铁芯极靴上矩形开口槽之间的小齿尺寸相适应。

3.根据权利要求1所述的具有轴向磁通动子的两自由度电机，其特征在于：各环形动子铁心厚度相等，各环形永磁体块厚度相等。

4.根据权利要求1所述的具有轴向磁通动子的两自由度电机，其特征在于：所述环形动子铁心与环形永磁体块内径相同，环形永磁体块外缘与环形动子铁心齿间凹槽底部平齐。

5.根据权利要求1所述的具有轴向磁通动子的两自由度电机，其特征在于：所述矩形开口槽与梯形半闭口槽的开口宽度相等。

6.根据权利要求1所述的具有轴向磁通动子的两自由度电机，其特征在于：所述梯形半闭口槽底部为弧面。

7.根据权利要求1所述的具有轴向磁通动子的两自由度电机，其特征在于：所述矩形开口槽底部为平面。

8.根据权利要求1所述的具有轴向磁通动子的两自由度电机，其特征在于：所述旋转定子铁心由形状一致的硅钢片沿轴向叠压而成。

9.根据权利要求1所述的具有轴向磁通动子的两自由度电机，其特征在于：所述直线定子铁心由形状一致的硅钢片沿周向叠压而成。

技术总结本发明提供了一种具有轴向磁通动子的两自由度电机，包括旋转定子、直线定子和动子，旋转定子和直线定子均为扇环形且内外径相等，旋转定子和直线定子相扣组合后内部形成圆柱形空间；部分动子穿过圆柱形空间；动子包括若干环形动子铁心、若干环形永磁体块、转轴和轴承，环形动子铁心和环形永磁体块交替排列并通过轴承套设在转轴上，各环形动子铁心外周面设置有均匀分布的外齿，同一环形永磁体一侧的环形动子铁心外齿与另一侧环形动子铁心齿间凹槽相对，同一环形动子铁心两侧的环形永磁体具有不同磁极。本发明中动子结构采用整块永磁体轴向交替排列的结构，在实现轴向磁通工作原理的同时，结构紧凑，材料利用率高，有效增加功率密度和效率。技术研发人员：王培欣,孙崟君,司纪凯,聂瑞,徐帅,吕蒙琦,魏彦企,彭金柱,廖晓辉,陈延受保护的技术使用者：郑州大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29