[发明专利]一种直线旋转两自由度磁悬浮无轴承永磁作动器

说明书

技术领域

本发明涉及一种直线旋转两自由度磁悬浮无轴承永磁作动器，用于需要实现直线和旋转两自由度复合运动的场合。

背景技术

目前，直线和旋转两个自由度的作动器主要采用分别驱动直线与旋转运动两台电机组合的方式实现。两台电机通常为两台独立的旋转电机，或者一台直线电机和一台旋转电机，其配合完成的两自由度的作动器定位精度和响应速度较差，体积较大。美国专利(专利号：4806068)公布了一种用于机器人的直线旋转作动器，直线作动器推动连接部位实现直线运动，旋转电机驱动连接部位实现旋转运动。中国专利(申请号：200680043229)公布了一种直线旋转两自由度的注塑成型机，该注塑成型机由分离的直线和旋转电机组合构成，旋转电机嵌套于直线电机内。上述结构的共同缺点是直线作动器与旋转作动器相互独立，体积大、可靠性差，协调控制复杂，效率低下。G.Krebs在文献“Modeling of a Linear and Rotary Permanent Magnet Actuator”公布了一种直线旋转永磁作动器，主要由内定子、外定子、集中绕组和永磁体整列构成，这种结构摒弃了由两个单自由度作动器组合构成直线旋转两个单自由度作动器的形式，在单个电磁机构内实现了直线与旋转两自由度运动。但该种结构也存在一定的缺陷，主要是永磁体内外侧磁场强度基本相等，动子的铁心重量较大，降低了系统响应速度和可靠性。

发明内容

技术问题：为了克服上述已有的直线旋转两自由度永磁作动器存在的缺陷，本发明提出了一种磁悬浮无轴承结构的直线旋转两自由度永磁作动器，改善作动器气隙磁场分布，减小动子的铁心重量，提高系统的响应速度和可靠性。

技术方案：本发明公布的一种直线旋转两自由度磁悬浮无轴承永磁作动器，主要包括定子和动子两部分。

定子部分由定子铁心、驱动绕组和悬浮绕组构成，动子部分由动子铁心和沿周向和轴向均交错极性的表贴永磁阵列构成。

所述直线旋转两自由度磁悬浮无轴承永磁作动器，定子槽沿周向和轴向均均匀分布，并采用开口槽，定子齿数沿周向为6，沿轴向为3；每个定子齿均绕有分别用于控制定子悬浮和产生定子运动两套集中绕组。

所述直线旋转两自由度磁悬浮无轴承永磁作动器，动子轴向长度短，且表贴有48极的瓦片状永磁体阵列。

有益效果：由于定子采用集中绕组，动子采用了磁悬浮无轴承永磁结构，这种永磁作动器具有如下优点：定子不再需要复杂的分布绕组或定、动子斜槽等措施来获得气隙磁密的正弦波分布；动子具有很好的磁屏蔽作用，可减小导磁轭厚度，甚至可以省去铁心，悬浮控制的偏置磁场由永磁体提供，无需额外励磁电流，悬浮功耗比小、效率高；结构简单紧凑，可靠性好，功率密度大，利于高速运行；可实现直线与旋转协调控制，可应用于直线旋转两自由度的运动要求的场合。

附图说明

图1为一种直线旋转两自由度磁悬浮无轴承永磁作动器结构示意图；

其中有：I、定子部分，II、动子部分；

图2为直线旋转两自由度磁悬浮无轴承永磁作动器定子和绕组部分示意图；

其中有：1、驱动绕组，2、悬浮绕组，3、定子齿，4、背轭铁；

图3为定子单元部分示意图；

图4为动子部分结构示意图。

具体实施方式

所述一种直线旋转两自由度磁悬浮无轴承永磁作动器，其具体实施方式如图1所示，主要包括定子部分I和动子部分II。定子如图2所示，由定子单元(图3所示)排列组成。图4为永磁作动器动子永磁体排列。

所述一种直线旋转两自由度磁悬浮无轴承永磁作动器，定子部分由定子齿槽，转矩绕组和悬浮绕组组成，其中定子齿在圆周上和直线方向均匀分布在背轭上，即由圆周展开成平面后，定子齿在背轭平面上等距分布，六个齿槽均匀分布在圆周上，定子每一齿槽绕有一套悬浮绕组和一套转矩绕组。定子齿和背轭材质均为高导磁材料，如十号钢或硅钢片等。

所述一种直线旋转两自由度磁悬浮无轴承永磁作动器，其圆周上等距分布六个齿槽，相邻定子齿的夹角为60°。定子每一齿槽绕有一套悬浮绕组和一套转矩绕组，绕组由铜导线组成。定子单元的宽度等于定子齿间的弧度长度。

所述一种直线旋转两自由度磁悬浮无轴承永磁作动器，其动子轴向长度短，且将很薄的瓦片状永磁体贴在动子表面形成48极的永磁动子，如图4所示。该永磁体排列的特征为：表面极性为N极的永磁体，其四周(动子两端部为三周)永磁体的极性指向该永磁体；反之，表面极性为S极的永磁体，其四周(动子端部为三周)永磁体的极性背向该永磁体。永磁材料稳定性好，矫顽力大，剩磁高，易加工，且漏磁较小,加工装配工艺简单,结构强度较好。