專利名稱：直線旋轉(zhuǎn)永磁作動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種作動(dòng)器，特別涉及一種單徑向磁路直線旋轉(zhuǎn)永磁作動(dòng)器。
背景技術(shù)：
直線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是一種常見的運(yùn)動(dòng)形式，比如最常見的螺絲旋轉(zhuǎn)、電鉆鉆頭。直 線旋轉(zhuǎn)電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是驅(qū)動(dòng)直線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的一種重要方式，可參見美國(guó)專利號(hào)為US 3441819，專利名稱為往復(fù)線性電機(jī)(reciprocating linear motor)，美國(guó)專利號(hào)為US 3453510，專利名稱為線性-旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動(dòng)式電機(jī)和控制系統(tǒng)Linear and rotary direct currentst印ping motors and control system)。這種直線旋轉(zhuǎn)電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)也是當(dāng)前多 自由度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)研究中的一個(gè)重要方面。實(shí)現(xiàn)直線旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的最簡(jiǎn)單的解決方案法是使用兩個(gè)獨(dú)立作動(dòng)器，第一個(gè)為直線 作動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)，第二個(gè)為旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。直線作動(dòng)器和旋轉(zhuǎn) 作動(dòng)器的組合有兩種方式，共軸方式和不共軸方式。中國(guó)專利號(hào)為CN 200680043229，名稱 為具有內(nèi)置式直線-旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動(dòng)裝置的塑料注射成型機(jī)，提供了一種共軸方式的直線旋 轉(zhuǎn)兩自由度的注塑成型機(jī)，它由分立的直線作動(dòng)器和旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器簡(jiǎn)單組合而成，旋轉(zhuǎn)作動(dòng) 器套在直線作動(dòng)器之內(nèi)。美國(guó)專利號(hào)為US 4806068，名稱為用于機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)直線作動(dòng)器 (Rotarylinear actuator for use in robotic manipulators)提供了一禾中不共軸方式的 用于機(jī)器人的直線旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器，直線作動(dòng)器推動(dòng)連接部位實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，連接部位在 旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這兩種結(jié)構(gòu)的共同缺點(diǎn)是直線驅(qū)動(dòng)器與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器相互 獨(dú)立，體積大、可靠性差，協(xié)調(diào)控制復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)精確控制，同時(shí)永磁的利用不完全。此外， 每個(gè)驅(qū)動(dòng)器需要一個(gè)獨(dú)立電源，增加了電源的數(shù)量。為了避免使用兩個(gè)作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)螺旋運(yùn)動(dòng)帶來的缺點(diǎn)，也可以使用一種螺旋直驅(qū) 的方式(Y. Fujimoto, T. Kominami, H. Hamada. Development and Analysis of a High Thrust ForceDirect-Drive Linear Actuator[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009，56 (05) : 1383-1392)利用直線電機(jī)原理實(shí)現(xiàn)的螺旋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的解決方 案，但是這樣的螺旋運(yùn)動(dòng)由于固定了螺距，轉(zhuǎn)子只能在固定的方向上作螺旋運(yùn)動(dòng)，用途受到 限制。另一種解決方案是使用單個(gè)電磁機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的直線旋轉(zhuǎn)作動(dòng) 器，在旋轉(zhuǎn)方向展開后類似于平面電機(jī)，而直線旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器在單獨(dú)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)是一種 旋轉(zhuǎn)電機(jī)，可以連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而沒有有限行程的限制。這種直線旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器按照定 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)現(xiàn)有兩種主要拓?fù)浞绞?，日本專利?hào)為JP 2004040894，名稱為電磁式作動(dòng)器 (Electromagnetic actuator)和美國(guó)專利號(hào)為US 20100060086，名稱為用于雙方向定 1 立白勺具有1 立置i華石馬器白勺馬區(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(Driving mechanism having position encoder for two-dimensional positioning)所提供的單定子單運(yùn)動(dòng)部件直線旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器和雙定子單 運(yùn)動(dòng)部件直線旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器。雙定子單運(yùn)動(dòng)部件直線旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器有兩種電源驅(qū)動(dòng)方式，一種 是內(nèi)外定子分別提供直線和旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)。另一種是歐洲專利號(hào)為EP 1780878，名稱為緊湊型直線旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器(Compact linear androtary actuator)中提出的內(nèi)外定子同時(shí)提供直 線和旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)。第一種驅(qū)動(dòng)方式與采用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器有類似之處，不同點(diǎn)在于雖然直線和 旋轉(zhuǎn)電機(jī)共用運(yùn)動(dòng)部件使電機(jī)結(jié)構(gòu)更趨緊湊，但是由于兩個(gè)定子中不同方向的磁場(chǎng)交匯于 運(yùn)動(dòng)部件，運(yùn)動(dòng)部件上的磁場(chǎng)極其復(fù)雜，很難進(jìn)行分析和控制。第二種驅(qū)動(dòng)方式雖然可以增 加運(yùn)動(dòng)部件和定子表面的相互作用，提供更大的推力和扭矩，但是機(jī)構(gòu)過于復(fù)雜，定子部分 須為鐘形，制造、安裝的難度都很大，并且運(yùn)動(dòng)部件直線方向上的位移極其有限的。在上述三種直線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方案中，第一種使用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器的方案需要兩個(gè) 電機(jī)，并且傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大；第二種螺旋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式不靈活，只能做固定的 螺旋運(yùn)動(dòng)；第三種直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)方案雖然定子略為復(fù)雜，但是無論從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的緊湊性還 是運(yùn)動(dòng)的定位精度都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，是一種極具發(fā)展前景的多自由度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。單定子單運(yùn)動(dòng)部件直線旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器雖然不如雙定子單運(yùn)動(dòng)部件直線旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器 功率密度高，但是由于直線方向上的線性位移沒有限制，以及制造的簡(jiǎn)單，使其具有更加廣 泛的應(yīng)用前景。目前的單定子單運(yùn)動(dòng)部件直線旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器一般采用日本專利號(hào)為JP 62-40052， 名稱為旋轉(zhuǎn)-軸向直線運(yùn)動(dòng)合成型電機(jī)(Rotary and axial linear motion combination typemotor)和中國(guó)專利號(hào)為CN 200810042746，名稱為雙徑向磁場(chǎng)反應(yīng)式直線旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電 機(jī)中的定子中的磁場(chǎng)具有直線旋轉(zhuǎn)兩個(gè)徑向的形式，理論上雖然可以在定子磁軛的區(qū)域有 更多的導(dǎo)磁面積，但是這樣的復(fù)雜磁場(chǎng)嚴(yán)重的增加了定子加工的難度，特別是硅鋼片的疊 片十分困難，從而增加了定子損耗。
發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本實(shí)用新型的目的在于提出一種直線旋轉(zhuǎn)永磁作動(dòng)器，使作動(dòng)器能夠 使用簡(jiǎn)單的定子疊片結(jié)構(gòu)，同時(shí)降低定子損耗。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案為一種直線旋轉(zhuǎn) 永磁作動(dòng)器，該作動(dòng)器包括定子、與定子連接的設(shè)有運(yùn)動(dòng)部件軸的圓柱形運(yùn)動(dòng)部件、貼于圓 柱形運(yùn)動(dòng)部件上表的永磁體陣列和與圓柱形運(yùn)動(dòng)部件連接的設(shè)有端部的外殼，定子固定于 外殼上，外殼的端部中間有開孔，開孔內(nèi)嵌有套筒軸承，套筒軸承內(nèi)固定圓柱形運(yùn)動(dòng)部件的 軸；圓柱形運(yùn)動(dòng)部件與軸同心；定子在軸向至少包括三個(gè)相同的軸向單極定子，即第一軸向單極定子、第二軸向 單極定子、第三軸向單極定子，且所述軸向單極定子均為硅鋼片沿軸向疊片結(jié)構(gòu)，在圓周方 向，第一軸向單極定子為凸極式且不少于六個(gè)齒，且采用集中繞組的形式。優(yōu)選的，永磁體陣列中永磁體在圓柱形運(yùn)動(dòng)部件表貼時(shí)以柱狀分布，永磁體極性 在旋轉(zhuǎn)和軸向直線方向均互相交錯(cuò)。優(yōu)選的，永磁體陣列在旋轉(zhuǎn)方向的級(jí)數(shù)和第一軸向單極定子上的齒數(shù)不等；永磁 體陣列在軸向直線方向的級(jí)數(shù)和對(duì)應(yīng)的定子在軸向直線方向上的齒數(shù)不等。優(yōu)選的，軸向單極定子間采用非導(dǎo)磁分隔塊分隔，固定于外殼上。優(yōu)選的，定子在圓周方向包含6個(gè)相同的圓周方向單極定子，且均為硅鋼片沿圓 周方向疊片結(jié)構(gòu)，在軸向，圓周方向單極定子為凸極式且不少于3個(gè)齒，采用集中繞組的形 式。[0016]有益效果本實(shí)用新型提供的單徑向磁路的直線旋轉(zhuǎn)永磁作動(dòng)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 易于加工，定子可以采用硅鋼片疊片構(gòu)成，降低損耗；進(jìn)一步的，單徑向磁路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于 進(jìn)行作動(dòng)器的控制。

圖1為實(shí)用新型明沿圓周徑向磁場(chǎng)的直線旋轉(zhuǎn)永磁作動(dòng)器沿軸向剖面示意圖；圖2為沿圓周徑向磁場(chǎng)的直線旋轉(zhuǎn)永磁作動(dòng)器沿徑向剖面示意圖；圖3為沿圓周徑向磁場(chǎng)的直線旋轉(zhuǎn)永磁作動(dòng)器的部分剖面三維示意圖；圖4為本發(fā)明沿軸徑向磁場(chǎng)的直線旋轉(zhuǎn)永磁作動(dòng)器沿軸向剖面示意圖；圖5為沿軸徑向磁場(chǎng)的直線旋轉(zhuǎn)永磁作動(dòng)器沿徑向剖面示意圖；圖6為沿軸徑向磁場(chǎng)的直線旋轉(zhuǎn)永磁作動(dòng)器的部分剖面三維示意圖。圖7為單徑向磁路的直線旋轉(zhuǎn)永磁作動(dòng)器的繞組展開圖；其中有永磁體陣列1，圓柱形運(yùn)動(dòng)部件2，運(yùn)動(dòng)部件軸2-1，定子3，第一軸向單極 定子3-a，第二軸向單極定子3-b，第三軸向單極定子3-c ；集中繞組4，非導(dǎo)磁分隔塊5，外 殼6，外殼端部6-1，外殼端部開孔6-2，套筒軸承7。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。本實(shí)用新型提供的直線旋轉(zhuǎn)永磁作動(dòng)器，如圖1-7所示，其主要包括永磁體陣列 1、圓柱形運(yùn)動(dòng)部件2、定子3，集中繞組4、非導(dǎo)磁分隔5、外殼6、套筒軸承7。該作動(dòng)器包括定子3、與定子3連接的設(shè)有運(yùn)動(dòng)部件軸2-1的圓柱形運(yùn)動(dòng)部件2、 貼于圓柱形運(yùn)動(dòng)部件2上表的永磁體陣列1和與圓柱形運(yùn)動(dòng)部件2連接的設(shè)有端部6-1的 外殼6，定子3固定于外殼6上，外殼6的端部6-1中間有開孔6-2，開孔6_2內(nèi)嵌有套筒軸 承7，套筒軸承7內(nèi)固定圓柱形運(yùn)動(dòng)部件2的軸2-1 ；圓柱形運(yùn)動(dòng)部件2與軸2-1同心；定子3在軸向至少包括三個(gè)相同的軸向單極定子，即第一軸向單極定子3_a、第二 軸向單極定子3-b、第三軸向單極定子3-c，且所述軸向單極定子均為硅鋼片沿軸向疊片結(jié) 構(gòu)，在圓周方向，第一軸向單極定子3-a為凸極式且不少于六個(gè)齒，且采用集中繞組4的形 式。永磁體陣列1中永磁體在圓柱形運(yùn)動(dòng)部件2表貼時(shí)以柱狀分布，永磁體極性在旋 轉(zhuǎn)和軸向直線方向均互相交錯(cuò)。永磁體陣列1在旋轉(zhuǎn)方向的級(jí)數(shù)和第一軸向單極定子3-a上的齒數(shù)不等；永磁體 陣列1在軸向直線方向的級(jí)數(shù)和對(duì)應(yīng)的定子3在軸向直線方向上的齒數(shù)不等。軸向單極定子間采用非導(dǎo)磁分隔塊5分隔，固定于外殼6上。定子3在圓周方向包含6個(gè)相同的圓周方向單極定子，且均為硅鋼片沿圓周方向 疊片結(jié)構(gòu)，在軸向，圓周方向單極定子為凸極式且不少于3個(gè)齒，采用集中繞組4的形式。具體而言，在機(jī)殼6內(nèi)，固定有定子3，定子3由3個(gè)相同的軸向單極定子3_a、3_b、 3-c構(gòu)成，軸向單極定子之間采用非導(dǎo)磁分隔塊5分隔，軸向單極定子為凸極結(jié)構(gòu)，凸極齒 上繞有集中繞組4 ；在外殼6的端部6-1中間有開孔6-2，孔6-2內(nèi)嵌有套筒軸承7，套筒軸 承7內(nèi)固定圓柱形運(yùn)動(dòng)部件2的軸2-1 ；圓柱形運(yùn)動(dòng)部件2與軸2-1同心，位于機(jī)殼6內(nèi)部，圓柱形運(yùn)動(dòng)部件2上表貼有永磁體陣列1，在旋轉(zhuǎn)和軸向直線方向極性均互相交錯(cuò)。定子3在軸向至少包括三個(gè)相同的軸向單極定子，即第一軸向單極定子3_a、第二 軸向單極定子3-b、第三軸向單極定子3-c，且所述軸向單極定子均為硅鋼片沿軸向疊片結(jié) 構(gòu)，在圓周方向，第一軸向單極定子3-a為凸極式且不少于六個(gè)齒，且采用集中繞組4的形 式。永磁體陣列1中永磁體在圓柱形運(yùn)動(dòng)部件2表貼時(shí)以柱狀分布，永磁體極性在旋 轉(zhuǎn)和軸向直線方向均互相交錯(cuò)。永磁體陣列1在旋轉(zhuǎn)方向的級(jí)數(shù)和第一軸向單極定子3_a上的齒數(shù)不等；永磁體 陣列1在軸向直線方向的級(jí)數(shù)和對(duì)應(yīng)的定子3在軸向直線方向上的齒數(shù)不等。軸向單極定子間采用非導(dǎo)磁分隔塊5分隔，固定于外殼6上。定子3在圓周方向包含6個(gè)相同的圓周方向單極定子，且均為硅鋼片沿圓周方向 疊片結(jié)構(gòu)，在軸向，圓周方向單極定子為凸極式且不少于3個(gè)齒，采用集中繞組4的形式。需要直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，繞組中取電流，其中，Imax為電流峰值，ωω為直線同步角頻率，yn 和Ym分別為旋轉(zhuǎn)和直線方向電流的初始相位，θη*、均取0，2π/3和-2π/3。η為沿 旋轉(zhuǎn)方向的定子齒Α、Β和C，m為沿直線方向的定子齒a、b和C。此時(shí)能流沿圖7中的ζ方 向。需要旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，繞組中取電流
權(quán)利要求1.一種直線旋轉(zhuǎn)永磁作動(dòng)器，其特征在于該作動(dòng)器包括定子(3)、與定子(3)連接的 設(shè)有運(yùn)動(dòng)部件軸(2 - 1)的圓柱形運(yùn)動(dòng)部件(2)、貼于圓柱形運(yùn)動(dòng)部件(2)上表的永磁體陣 列(1)和與圓柱形運(yùn)動(dòng)部件(2)連接的設(shè)有端部(6 - 1)的外殼(6)，定子(3)固定于外殼(6)，外殼(6)的端部(6-1)中間有開孔(6-2)，開孔(6-2)內(nèi)嵌有套筒軸承(7)，套筒軸承(7)內(nèi)固定圓柱形運(yùn)動(dòng)部件(2)的軸(2-1)；圓柱形運(yùn)動(dòng)部件(2)與軸心(2-1)同心；定子(3) 在軸向至少包括三個(gè)相同的軸向單極定子，即第一軸向單極定子(3-a)、第二軸向單極定子 (3-b)、第三軸向單極定子(3-c)，且所述軸向單極定子均為硅鋼片沿軸向疊片結(jié)構(gòu)，在圓周 方向，第一軸向單極定子(3-a)為凸極式且不少于六個(gè)齒，且采用集中繞組(4)的形式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線旋轉(zhuǎn)永磁作動(dòng)器，其特征在于永磁體陣列(1)中永磁體 在圓柱形運(yùn)動(dòng)部件(2)表貼時(shí)以柱狀分布，永磁體極性在旋轉(zhuǎn)和軸向直線方向均互相交錯(cuò) 排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1直線旋轉(zhuǎn)永磁作動(dòng)器，其特征在于永磁體陣列(1)在旋轉(zhuǎn)方向的級(jí) 數(shù)與第一軸向單極定子(3-a)上的齒數(shù)不等；永磁體陣列(1)在軸向直線方向的級(jí)數(shù)與對(duì) 應(yīng)的定子(3)在軸向直線方向上的齒數(shù)不等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線旋轉(zhuǎn)永磁作動(dòng)器，其特征在于軸向單極定子間采用非 導(dǎo)磁分隔塊(5)分隔，固定于外殼(6)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線旋轉(zhuǎn)永磁作動(dòng)器，其特征在于定子(3)在圓周方向包 含6個(gè)相同的圓周方向單極定子，且均為硅鋼片沿圓周方向疊片結(jié)構(gòu)，在軸向，圓周方向單 極定子為凸極式且不少于3個(gè)齒，采用集中繞組(4)的形式。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種直線旋轉(zhuǎn)永磁作動(dòng)器，其特征在于該作動(dòng)器包括定子(3)、與定子(3)連接的設(shè)有運(yùn)動(dòng)部件軸(2－1)的圓柱形運(yùn)動(dòng)部件(2)、貼于圓柱形運(yùn)動(dòng)部件(2)上表的永磁體陣列(1)和與圓柱形運(yùn)動(dòng)部件(2)連接的設(shè)有端部(6－1)的外殼(6)，定子(3)固定于外殼(6)，外殼(6)的端部(6-1)中間有開孔(6-2)，開孔(6-2)內(nèi)嵌有套筒軸承(7)，套筒軸承(7)內(nèi)固定圓柱形運(yùn)動(dòng)部件(2)的軸(2-1)；圓柱形運(yùn)動(dòng)部件(2)與軸心(2-1)同心。本結(jié)構(gòu)使作動(dòng)器能夠使用簡(jiǎn)單的定子疊片，同時(shí)降低定子損耗。
文檔編號(hào)H02K16/00GK201846217SQ20102060189
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月11日
發(fā)明者房淑華, 林鶴云, 汪先兵, 郭立家, 金平 申請(qǐng)人:東南大學(xué)