[發明專利]一種直線旋轉兩自由度磁懸浮無軸承永磁作動器

無效

• 申請號: 201210328342.7
• 申請日: 2012-09-06
• 公開（公告）號: CN102843015A
• 公開（公告）日: 2012-12-26
• 發明（設計）人: 房淑華;林鶴云;金平;張俊;劉紅星;柳慶東;夏苗
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H02K41/06
• 分類號: H02K41/06
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明涉及一種直線旋轉兩自由度磁懸浮無軸承永磁作動器，用于需要實現直線和旋轉兩自由度復合運動的場合。

背景技術

目前，直線和旋轉兩個自由度的作動器主要采用分別驅動直線與旋轉運動兩臺電機組合的方式實現。兩臺電機通常為兩臺獨立的旋轉電機，或者一臺直線電機和一臺旋轉電機，其配合完成的兩自由度的作動器定位精度和響應速度較差，體積較大。美國專利(專利號：4806068)公布了一種用于機器人的直線旋轉作動器，直線作動器推動連接部位實現直線運動，旋轉電機驅動連接部位實現旋轉運動。中國專利(申請號：200680043229)公布了一種直線旋轉兩自由度的注塑成型機，該注塑成型機由分離的直線和旋轉電機組合構成，旋轉電機嵌套于直線電機內。上述結構的共同缺點是直線作動器與旋轉作動器相互獨立，體積大、可靠性差，協調控制復雜，效率低下。G.Krebs在文獻“Modeling?of?a?Linear?and?Rotary?Permanent?Magnet?Actuator”公布了一種直線旋轉永磁作動器，主要由內定子、外定子、集中繞組和永磁體整列構成，這種結構摒棄了由兩個單自由度作動器組合構成直線旋轉兩個單自由度作動器的形式，在單個電磁機構內實現了直線與旋轉兩自由度運動。但該種結構也存在一定的缺陷，主要是永磁體內外側磁場強度基本相等，動子的鐵心重量較大，降低了系統響應速度和可靠性。

發明內容

技術問題：為了克服上述已有的直線旋轉兩自由度永磁作動器存在的缺陷，本發明提出了一種磁懸浮無軸承結構的直線旋轉兩自由度永磁作動器，改善作動器氣隙磁場分布，減小動子的鐵心重量，提高系統的響應速度和可靠性。

技術方案：本發明公布的一種直線旋轉兩自由度磁懸浮無軸承永磁作動器，主要包括定子和動子兩部分。

定子部分由定子鐵心、驅動繞組和懸浮繞組構成，動子部分由動子鐵心和沿周向和軸向均交錯極性的表貼永磁陣列構成。

所述直線旋轉兩自由度磁懸浮無軸承永磁作動器，定子槽沿周向和軸向均均勻分布，并采用開口槽，定子齒數沿周向為6，沿軸向為3；每個定子齒均繞有分別用于控制定子懸浮和產生定子運動兩套集中繞組。

所述直線旋轉兩自由度磁懸浮無軸承永磁作動器，動子軸向長度短，且表貼有48極的瓦片狀永磁體陣列。

有益效果：由于定子采用集中繞組，動子采用了磁懸浮無軸承永磁結構，這種永磁作動器具有如下優點：定子不再需要復雜的分布繞組或定、動子斜槽等措施來獲得氣隙磁密的正弦波分布；動子具有很好的磁屏蔽作用，可減小導磁軛厚度，甚至可以省去鐵心，懸浮控制的偏置磁場由永磁體提供，無需額外勵磁電流，懸浮功耗比小、效率高；結構簡單緊湊，可靠性好，功率密度大，利于高速運行；可實現直線與旋轉協調控制，可應用于直線旋轉兩自由度的運動要求的場合。

附圖說明

圖1為一種直線旋轉兩自由度磁懸浮無軸承永磁作動器結構示意圖；

其中有：I、定子部分，II、動子部分；

圖2為直線旋轉兩自由度磁懸浮無軸承永磁作動器定子和繞組部分示意圖；

其中有：1、驅動繞組，2、懸浮繞組，3、定子齒，4、背軛鐵；

圖3為定子單元部分示意圖；

圖4為動子部分結構示意圖。

具體實施方式

所述一種直線旋轉兩自由度磁懸浮無軸承永磁作動器，其具體實施方式如圖1所示，主要包括定子部分I和動子部分II。定子如圖2所示，由定子單元(圖3所示)排列組成。圖4為永磁作動器動子永磁體排列。

所述一種直線旋轉兩自由度磁懸浮無軸承永磁作動器，定子部分由定子齒槽，轉矩繞組和懸浮繞組組成，其中定子齒在圓周上和直線方向均勻分布在背軛上，即由圓周展開成平面后，定子齒在背軛平面上等距分布，六個齒槽均勻分布在圓周上，定子每一齒槽繞有一套懸浮繞組和一套轉矩繞組。定子齒和背軛材質均為高導磁材料，如十號鋼或硅鋼片等。

所述一種直線旋轉兩自由度磁懸浮無軸承永磁作動器，其圓周上等距分布六個齒槽，相鄰定子齒的夾角為60°。定子每一齒槽繞有一套懸浮繞組和一套轉矩繞組，繞組由銅導線組成。定子單元的寬度等于定子齒間的弧度長度。

所述一種直線旋轉兩自由度磁懸浮無軸承永磁作動器，其動子軸向長度短，且將很薄的瓦片狀永磁體貼在動子表面形成48極的永磁動子，如圖4所示。該永磁體排列的特征為：表面極性為N極的永磁體，其四周(動子兩端部為三周)永磁體的極性指向該永磁體；反之，表面極性為S極的永磁體，其四周(動子端部為三周)永磁體的極性背向該永磁體。永磁材料穩定性好，矯頑力大，剩磁高，易加工，且漏磁較小,加工裝配工藝簡單,結構強度較好。