本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種采用中間磁極結(jié)構(gòu)的直線旋轉(zhuǎn)永磁作動(dòng)器及控制方法，包括外殼(3)、定子、動(dòng)子、永磁體(5)以及轉(zhuǎn)軸(9)定子在周向上采用12齒結(jié)構(gòu)，相鄰定子齒的夾角為30°；在軸向上設(shè)置有三組定子單元，定子單元圓周方向上有12個(gè)定子極；所述動(dòng)子在軸向上包括一個(gè)以上的子動(dòng)子；所述永磁體(5)嵌入在子動(dòng)子內(nèi)部，同時(shí)永磁體(5)沿子動(dòng)子周向的兩端設(shè)置有非導(dǎo)磁體(7)；在同一子動(dòng)子周向剖面上，永磁體充磁方向相同，在軸向上，相鄰極所在的子動(dòng)子的圓周上的永磁體充磁方向相反。本發(fā)明專利技術(shù)大大減少了永磁體的用量，減少了作動(dòng)器的體積，降低了制作成本，永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩共同組成電磁轉(zhuǎn)矩，提高了功率密度。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種能夠?qū)崿F(xiàn)直線、旋轉(zhuǎn)和螺旋運(yùn)動(dòng)直線旋轉(zhuǎn)永磁作動(dòng)器，是一種高性能、高功率密度的電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)，屬于電機(jī)及控制領(lǐng)域的范疇。
技術(shù)介紹
要實(shí)現(xiàn)直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案是建立兩套獨(dú)立的電機(jī)系統(tǒng)及其傳動(dòng)裝置分別驅(qū)動(dòng)直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)體積大，響應(yīng)慢。隨著現(xiàn)代電子業(yè)的迅速發(fā)展，其缺陷已經(jīng)越來越明顯，迫切需要小體積、高性能、可穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的直線旋轉(zhuǎn)兩自由度電機(jī)。專利“磁結(jié)合直線旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器”(CN201398162Y)采用桿狀構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)了超高真空環(huán)境中的直線驅(qū)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，采用非接觸的磁力驅(qū)動(dòng)構(gòu)造，可延長(zhǎng)使用壽命。但是此結(jié)構(gòu)軸向尺寸長(zhǎng)，對(duì)驅(qū)動(dòng)器的加工精度要求高。專利“新型雙自由度機(jī)構(gòu)”(CN 203579294 U)提出了一種新型的雙自由度機(jī)構(gòu)，將直線電機(jī)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)結(jié)合起來，省去了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，提高了精度和效率，相比于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，體積大大減少，但是電機(jī)組合的形式，電機(jī)的體積縮小受到限制，無(wú)法適用于小體積運(yùn)行的環(huán)境。專利“一種動(dòng)磁式直線旋轉(zhuǎn)二自由度電機(jī)”(CN 102497080 A)提出的電機(jī)可通過前繞組驅(qū)動(dòng)動(dòng)子作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，又可通過后繞組驅(qū)動(dòng)動(dòng)子作直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了在一臺(tái)電機(jī)上輸出兼具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)的兩自由度復(fù)合運(yùn)動(dòng)。采用兩套繞組，增加了制作成本，且不利于電機(jī)的散熱，系統(tǒng)響應(yīng)慢。專利“直線旋轉(zhuǎn)雙自由度伺服電機(jī)”(CN 103427588 A)可以在同一根輸出軸上同時(shí)提供直線和旋轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)化了設(shè)備的復(fù)雜程度，降低了生產(chǎn)和維護(hù)的成本。減少中間的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制，大大提高了運(yùn)動(dòng)的精度。但其最大缺點(diǎn)是:行程短，帶載能力低。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
專利技術(shù)目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本專利技術(shù)提供一種采用中間磁極結(jié)構(gòu)的直線旋轉(zhuǎn)永磁作動(dòng)器，該作動(dòng)器能夠大大減少永磁的用量，節(jié)省了制作成本，同時(shí)功率密度高、性能好。技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案為:一種采用中間磁極結(jié)構(gòu)的直線旋轉(zhuǎn)永磁作動(dòng)器，包括外殼(3)、定子、動(dòng)子、永磁體(5)以及轉(zhuǎn)軸(9)，所述定子安裝在外殼(3)上，動(dòng)子安裝在轉(zhuǎn)軸(9)上，且所述動(dòng)子設(shè)置于定子內(nèi)，同時(shí)所述轉(zhuǎn)軸(9)通過套筒與機(jī)殼相連接；所述定子在周向上采用12齒結(jié)構(gòu)，相鄰定子齒的夾角為30° ;在軸向上設(shè)置有三組定子單元，所述定子單元包括定子磁軛(I)、定子極(4)和繞在定子鐵心上的線圈(2)，所述定子單元圓周方向上有12個(gè)定子極；所述動(dòng)子在軸向上包括一個(gè)以上的子動(dòng)子；所述永磁體(5)嵌入在子動(dòng)子內(nèi)部，同時(shí)永磁體(5)沿子動(dòng)子周向的兩端設(shè)置有非導(dǎo)磁體(7)，且軸向上，子動(dòng)子鐵心中的鐵片之間通過非導(dǎo)磁體(7);在同一子動(dòng)子周向剖面上，極對(duì)數(shù)為8，永磁體充磁方向相同，在軸向上，極對(duì)數(shù)為3，相鄰極所在的子動(dòng)子的圓周上的永磁體充磁方向相反。優(yōu)選的:各定子單元之間的距離滿足i/3*(l+2*k)，k = 0，l，2...，τ為動(dòng)子軸向極距。優(yōu)選的:所述線圈⑵的繞組采用單層集中繞組。優(yōu)選的:所述定子鐵心和動(dòng)子鐵心均采用高導(dǎo)磁材料硅鋼片軸向疊制，硅鋼片采用 50W470。優(yōu)選的:所述動(dòng)子長(zhǎng)度在軸向上小于定子長(zhǎng)度。在運(yùn)動(dòng)時(shí)，永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩共同作用構(gòu)成電磁轉(zhuǎn)矩。一種采用中間磁極結(jié)構(gòu)的直線旋轉(zhuǎn)永磁作動(dòng)器控制方法，通過調(diào)節(jié)線圈(2)中繞組的勵(lì)磁電流的大小，可以控制磁通量的大小，從而增加作動(dòng)器直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度調(diào)節(jié)范圍，達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩和推力，控制轉(zhuǎn)速和直線運(yùn)動(dòng)速度的目的。當(dāng)需要做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，集中繞組中電流分解為勵(lì)磁分量和控制分量，繞組中電勵(lì)磁和永磁共同構(gòu)成動(dòng)子勵(lì)磁磁場(chǎng)，和繞組中電流控制分量產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)相互作用，使作動(dòng)器做直線運(yùn)動(dòng)；當(dāng)需要做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)動(dòng)子勵(lì)磁磁場(chǎng)是繞組中電流產(chǎn)生的勵(lì)磁和永磁構(gòu)成周向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，與繞組中電流控制分量產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)相互作用作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)需要做螺旋運(yùn)動(dòng)時(shí)，繞組中電流產(chǎn)生的勵(lì)磁分量16為0，永磁體形成的永磁磁場(chǎng)成螺旋磁場(chǎng)，此時(shí)與繞組中電流產(chǎn)生的控制分量Imi形成的電樞磁場(chǎng)相互作用，可做螺旋運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，通過調(diào)節(jié)電流中產(chǎn)生的勵(lì)磁分量的大小，可以調(diào)節(jié)螺旋磁場(chǎng)的磁通大小，達(dá)到控制螺旋運(yùn)動(dòng)的目的。使作動(dòng)器做直線運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)方法:取繞組中電流I = Ierect(t/T)+IarmCos (ωΓη?+ Θ n+i])n)cos(olnz+ Θ m+ D，其中，rect(t/T) = u(t+T/2+krz π + φ) -2u (t-T/2+krz 3?+φ),Τ = 2jt /wrn,或T = 2 /wln, 為旋轉(zhuǎn)同步角頻率，ω 1η為直線運(yùn)動(dòng)同步角頻率，1]^為旋轉(zhuǎn)方向電流的初始相位，Φ m為直線運(yùn)動(dòng)時(shí)電流的初始相位，k,z 是勵(lì)磁電流在周向或軸向上勵(lì)磁分量之間的相位差，Φ為繞組中勵(lì)磁電流在周向或軸向上的初始相位角，在周向上，定子有四個(gè)電周期，轉(zhuǎn)子有8對(duì)極，分別為O、1/2和3/2，在軸向上，定子有三個(gè)電周期，轉(zhuǎn)子有6對(duì)極；在旋轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)方向上，0m，011取為0、120°和240°，由直線運(yùn)動(dòng)的頻率速度公式V = 2 τ f，以及頻率角頻率換算公式f = ω/2 π，可確定初始位置ω1ηΖ ;通過調(diào)節(jié)的大小，可以調(diào)節(jié)軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而控制軸向推力的大小，擴(kuò)大軸向推力的調(diào)節(jié)范圍；使作動(dòng)器做螺旋運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)方法:通過調(diào)節(jié)的大小，控制周向磁通的大小，擴(kuò)大周向轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)范圍；使作動(dòng)器做螺旋運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)方法:通過調(diào)節(jié)電流中產(chǎn)生的勵(lì)磁分量的大小，可以調(diào)節(jié)螺旋磁場(chǎng)的磁通大小，達(dá)到控制螺旋運(yùn)動(dòng)。有益效果:本專利技術(shù)提供的，相比現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果:1.采用中間磁極結(jié)構(gòu)，大大節(jié)省了永磁的用量，有利于減少作動(dòng)器的飽和度。2.可以通過繞組中電流產(chǎn)生的勵(lì)磁分量調(diào)節(jié)周向和軸向的磁場(chǎng)強(qiáng)度，可以有效的降低損耗。因此其功率密度高、性能好。3.由于永磁體嵌入到動(dòng)子內(nèi)部，增加了動(dòng)子的強(qiáng)度。4.作動(dòng)器動(dòng)子鐵心采用娃鋼片疊制而成，定子鐵心也是用娃鋼片疊制而成，各定子鐵心安裝在非導(dǎo)磁材料的機(jī)殼上。【附圖說明】圖1為采用中間磁極結(jié)構(gòu)的直線旋轉(zhuǎn)永磁作動(dòng)器軸向剖面圖；圖2為一種采用中間磁極結(jié)構(gòu)的直線旋轉(zhuǎn)永磁作動(dòng)器周向結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為采用中間磁極結(jié)構(gòu)的直線旋轉(zhuǎn)永磁作動(dòng)器動(dòng)子結(jié)構(gòu)示意圖；其中，I為定子磁軛、2為線圈、3為非導(dǎo)磁外殼、4為定子極、5為永磁體、6為動(dòng)子鐵心，7為非導(dǎo)磁材料，8為極靴、9為非導(dǎo)磁轉(zhuǎn)軸；【具體實(shí)施方式】下面結(jié)合附圖對(duì)本專利技術(shù)作更進(jìn)一步的說明。一種采用中間磁極結(jié)構(gòu)的直線旋轉(zhuǎn)永磁作動(dòng)器，如圖2所示，包括外殼(3)、定子、動(dòng)子、永磁體(5)以及轉(zhuǎn)軸(9)，外殼(3)、轉(zhuǎn)軸(9)均采用非導(dǎo)磁材料制作；所述定子安裝在外殼(3)上，動(dòng)子安裝在轉(zhuǎn)軸(9)上，且所述動(dòng)子設(shè)置于定子內(nèi)，同時(shí)所述轉(zhuǎn)軸(9)通過套筒與機(jī)殼相連接。各永磁體(5)選用釹鐵硼材料。如圖1所示，定子在周向上采用12齒結(jié)構(gòu)，相鄰定子齒的夾角為30° ;在軸向上設(shè)置有三組定子單元，分別為三組定子單元1、I1、III，所述定子單元包括定子磁軛(I)、定子極(4)和繞在定子鐵心上的線圈(2)，所述定子單元圓周方向上有12個(gè)定子極。各定子單元之間的距離滿足T/3*(l+2*k)，k = 0，l，2...，τ為動(dòng)子軸向極距。所述線圈(2)的繞組采用單層集中繞組，易于安裝。定子軸向采用了三個(gè)電周期。定子鐵心在周向上采用了本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種采用中間磁極結(jié)構(gòu)的直線旋轉(zhuǎn)永磁作動(dòng)器，其特征在于：包括外殼(3)、定子、動(dòng)子、永磁體(5)以及轉(zhuǎn)軸(9)，所述定子安裝在外殼(3)上，動(dòng)子安裝在轉(zhuǎn)軸(9)上，且所述動(dòng)子設(shè)置于定子內(nèi)，同時(shí)所述轉(zhuǎn)軸(9)通過套筒與機(jī)殼相連接；所述定子在周向上采用12齒結(jié)構(gòu)，相鄰定子齒的夾角為30°；在軸向上設(shè)置有三組定子單元，所述定子單元包括定子磁軛(1)、定子極(4)和繞在定子鐵心上的線圈(2)，所述定子單元圓周方向上有12個(gè)定子極；所述動(dòng)子在軸向上包括一個(gè)以上的子動(dòng)子；所述永磁體(5)嵌入在子動(dòng)子內(nèi)部，同時(shí)永磁體(5)沿子動(dòng)子周向的兩端設(shè)置有非導(dǎo)磁體(7)，且軸向上，子動(dòng)子鐵心中的鐵片之間通過非導(dǎo)磁體(7)；在同一子動(dòng)子周向剖面上，極對(duì)數(shù)為8，永磁體充磁方向相同，在軸向上，極對(duì)數(shù)為3，相鄰極所在的子動(dòng)子的圓周上的永磁體充磁方向相反。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：房淑華，郭凱凱，林鶴云，張洋，陽(yáng)輝，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：東南大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：江蘇;32
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