[發(fā)明專利]復(fù)合電流驅(qū)動(dòng)九相平面電機(jī)、直線-旋轉(zhuǎn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910138883.1
• 申請(qǐng)日: 2009-05-14
• 公開（公告）號(hào): CN101599677A
• 公開（公告）日: 2009-12-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 寇寶泉;貴獻(xiàn)國;吳紅星;李立毅;張魯;張赫
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H02K16/00
• 分類號(hào): H02K16/00;H02K41/00;H02K57/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標(biāo)事務(wù)所
• 代理人: 張宏威

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種復(fù)合電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器，屬于電機(jī)領(lǐng)域及其控制領(lǐng)域。具體涉及到一種高推力密度平面電機(jī)及直線-旋轉(zhuǎn)電機(jī)。

背景技術(shù)

現(xiàn)代精密、超精密加工裝備對(duì)高響應(yīng)、高速度、高精度的平面驅(qū)動(dòng)、直線旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置有著迫切的需求，如機(jī)械加工、電子產(chǎn)品生產(chǎn)、機(jī)械裝卸、機(jī)械加工、制造自動(dòng)化儀表設(shè)備甚至機(jī)器人驅(qū)動(dòng)等。通常這些裝置由旋轉(zhuǎn)式電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，再由皮帶、滾珠絲桿等機(jī)械裝置將電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。由于機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動(dòng)精度和速度都受到限制，且需經(jīng)常調(diào)校，具有成本高、可靠性差、體積大、維護(hù)復(fù)雜的缺點(diǎn)。

現(xiàn)有的平面驅(qū)動(dòng)電機(jī)和直線-旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)避免了上述采用電動(dòng)機(jī)和機(jī)械裝置配合實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)、直線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)所具有的缺點(diǎn)，但仍存在繞組的利用率低、推力密度低、系統(tǒng)效率低以及控制難度大等問題。

最初的平面驅(qū)動(dòng)裝置是由兩臺(tái)直接驅(qū)動(dòng)的直線電機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，采用層疊式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)增加了傳動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜性，從本質(zhì)上沒有擺脫低維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)疊加形成高維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的模式。對(duì)于底層的直線電機(jī)，要承載上層直線電機(jī)及其相關(guān)機(jī)械部件的總質(zhì)量，從而嚴(yán)重影響了定位和控制精確度。而直接利用電磁能產(chǎn)生平面運(yùn)動(dòng)的平面電機(jī)，具有出力密度高、低熱耗、高速度、高精度和高可靠性的特點(diǎn)，因省去了從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到直線運(yùn)動(dòng)再到平面運(yùn)動(dòng)的中間轉(zhuǎn)換裝置，可把控制對(duì)象同電機(jī)做成一體化結(jié)構(gòu)，具有反應(yīng)快、靈敏度高、隨動(dòng)性好及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)平面電機(jī)電磁推力的產(chǎn)生原理，可以將平面電機(jī)分為變磁阻型、同步型和感應(yīng)型。其中，同步型平面電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、推力大、效率高和響應(yīng)速度快等良好的綜合性能，在二維平面驅(qū)動(dòng)裝置、特別是精密二維平面驅(qū)動(dòng)裝置中具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖8和圖9所示為現(xiàn)有的一種永磁同步平面電機(jī)結(jié)構(gòu)。該電機(jī)中包括定子和動(dòng)子兩大部件，它的工作原理類似于三相旋轉(zhuǎn)永磁同步電機(jī)，定子包含鐵心和4個(gè)相互垂直放置的推力繞組，每個(gè)繞組有獨(dú)立的3個(gè)相，X向推力繞組4用于驅(qū)動(dòng)動(dòng)子沿X方向運(yùn)動(dòng)，Y向推力繞組1用于驅(qū)動(dòng)動(dòng)子沿Y方向運(yùn)動(dòng)。動(dòng)子包含動(dòng)子平臺(tái)和4個(gè)永磁體陣列5，永磁體陣列5排列在動(dòng)子平臺(tái)的下表面，通過控制相應(yīng)的三相繞組電流，動(dòng)子平臺(tái)就可以在平面上做定位運(yùn)動(dòng)。

該永磁同步平面電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)平面的定位運(yùn)動(dòng)，但存在電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、平面運(yùn)動(dòng)的范圍小、繞組的利用率低、推力密度低、系統(tǒng)效率低等問題。

國際上對(duì)直線-旋轉(zhuǎn)電機(jī)的研究還很少，技術(shù)不成熟。文獻(xiàn)《一種兩自由度三相直線-旋轉(zhuǎn)永磁電機(jī)》(Chen，L.Hofmann，W.Design?of?OneRotary-linear?Permanent?Magnet?Motor?with?Two?Independently?Energized?ThreePhase?Windings.Power?Electronics?and?Drive?Systems，2007.PEDS′07.7thInternational?Conference。27-30Nov.2007.P：1372-1376)提出了圖19所示的直線-旋轉(zhuǎn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)。該電機(jī)電樞采用兩套繞組，一套用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場與轉(zhuǎn)子永磁體相互作用，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電磁力，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；另一套繞組用來產(chǎn)生沿軸向平移的行波磁場，該磁場與轉(zhuǎn)子(動(dòng)子)永磁體相互作用，產(chǎn)生軸向電磁力，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子做直線運(yùn)動(dòng)。該電機(jī)的主要缺點(diǎn)是用兩套繞組分別產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場與平移磁場，繞組體積、重量大、推力密度低；繞組的利用率低、損耗大；結(jié)構(gòu)與加工工藝復(fù)雜，成本高；兩套繞組存在電磁耦合，控制難度大。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有平面電機(jī)和直線-旋轉(zhuǎn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、繞組的利用率低、推力密度低、系統(tǒng)效率低以及控制難度大等問題，本發(fā)明提出一種復(fù)合電流驅(qū)動(dòng)九相平面電機(jī)、直線-旋轉(zhuǎn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器。

本發(fā)明的復(fù)合電流驅(qū)動(dòng)九相平面電機(jī)，它包括電樞部件和永磁體勵(lì)磁部件，電樞部件和永磁體勵(lì)磁部件之間為氣隙，其中電樞部件包括電樞繞組和電樞鐵心；永磁體勵(lì)磁部件包括永磁體陣列和永磁體軛板；電樞部件中的線圈距τ_t與永磁體勵(lì)磁部件中的永磁體陣列極距τ_p之間滿足關(guān)系3nτ_t＝(3n±1)τ_p，每個(gè)平面電機(jī)由i個(gè)單元電機(jī)構(gòu)成，每個(gè)單元電機(jī)中包括9個(gè)線圈和2個(gè)永磁體，所述9個(gè)線圈組成3×3的矩陣，每個(gè)線圈為一個(gè)相電樞繞組，一共有9個(gè)相電樞繞組，分別表示為；A相、B相、C相、D相、E相、F相、G相、H相、I相電樞繞組，所述九個(gè)相電樞繞組星形連接。