一种双定子直线旋转哈尔巴赫永磁作动器

摘要

本发明提供一种双定子直线旋转哈尔巴赫永磁作动器，包括转子轴以及与转子轴同轴设置的转子部分、定子部分，转子部分与转子轴固定连接，转子轴通过套筒轴承定位安装于机壳，定子部分置于转子部分外围，定位安装于机壳。其两个定子在直线方向彼此独立，定子中不存在沿轴向的磁场，仅含有沿径向的磁场，可以采用硅钢片叠片，可有效降低损耗；每个独立的定子均为集中绕组的定子结构，结构简单，易于加工；研究表明，转子沿直线位置与两个定子上的电流幅值的大小呈线性关系，易于进行作动器的控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种作动器，特别是涉及一种直线旋转永磁作动器。

背景技术

在工业和民用领域中，直线旋转形式的运动非常常见，比如螺丝旋转螺进、油井钻井等。迄今为止，有多种直线旋转电磁驱动机构的形式，比如专利名称为“往复线性电机（Reciprocating linear motor）”的美国专利（US 3441819）和专利名称为“线性－旋转直接驱动式电机和控制系统（Linear and rotary direct current stepping motors and control system）”的美国专利（US 3453510）。这类直线旋转电磁驱动机构也是当前多自由度驱动机构研究中的一个重要方面。

直线作动器可以驱动直线运动，旋转作动器可以驱动旋转运动，两者的组合可以实现直线旋转驱动的最简单的解决方案。名称为“具有内置式直线-旋转直接驱动装置的塑料注射成型机”的中国专利（CN 200680043229）提供了一种共轴方式的直线旋转两自由度的注塑成型机，它由分立的直线作动器和旋转作动器简单组合而成，旋转作动器套在直线作动器之内。名称为“用于机器人的旋转线性作动器（Rotary linear actuator for use in robotic manipulators）”的美国专利（US 4806068）提供了一种不共轴方式的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，连接部位在旋转电机的转动下实现旋转运动。这两种结构的共同缺点在于直线驱动器与旋转驱动器相互独立，体积大、可靠性差，协调控制复杂，不易实现精确控制，同时永磁的利用不完全。此外，每个驱动器需要一个独立电源，电源的数量较多。

螺旋直驱的方式（Y. Fujimoto, T. Kominami, H. Hamada. Development and Analysis of a High Thrust Force Direct-Drive Linear Actuator[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009, 56(05): 1383–1392）利用直线电机原理实现的螺旋驱动机构的解决方案，可以避免使用两个作动器实现螺旋运动带来的缺点，但是螺旋运动固定了螺距，转子只能在固定的方向上作螺旋运动，用途受到限制。

使用单个电磁机构也可以实现直线和旋转运动的直线旋转作动器，这类机构在旋转方向展开后往往类似于平面电机，在单独做旋转运动时是一种旋转电机，可以连续的旋转运动而没有有限行程的限制。这种直线旋转作动器按照定转子结构现有两种主要拓扑方式，名称为“电磁式作动器（ Electromagnetic actuator）”的日本专利（JP 2004040894）和名称为“用于双方向定位的具有位置译码器的驱动机构（Driving mechanism having position encoder for two-dimensional positioning）”的美国专利（US 20100060086）分别提供了采用单定子和双定子的单运动部件直线旋转作动器。双定子单运动部件直线旋转作动器有两种电源驱动方式，一种是内外定子分别提供直线和旋转的驱动。另一种是名称为“紧凑型直线旋转作动器（Compact linear and rotary actuator）”的欧洲专利（EP 1780878）中提出的内外定子同时提供直线和旋转的驱动。第一种驱动方式与采用两个驱动器有类似之处，不同点在于：虽然直线和旋转电机共用运动部件使电机结构更趋紧凑，但是由于两个定子中不同方向的磁场交汇于运动部件，运动部件上的磁场极其复杂，很难进行分析和控制。第二种驱动方式虽然可以增加运动部件和定子表面的相互作用，提供更大的推力和扭矩，但是机构过于复杂，定子部分须为钟形，制造、安装的难度都很大。

在上述三种直线旋转运动的驱动方案中，第一种使用两个驱动器的方案需要两个电机，并且传动机构复杂，体积庞大；第二种螺旋驱动机构驱动方式不灵活，只能做固定的螺旋运动；第三种直线旋转电机方案虽然定子略为复杂，但是无论从拓扑结构的紧凑性还是运动的定位精度都具有明显的优势，是一种极具发展前景的多自由度驱动机构。

单定子单运动部件直线旋转作动器虽然不如双定子单运动部件直线旋转作动器功率密度高，但是由于直线方向上的线性位移没有限制，以及制造的简单，使其具有更加广泛的应用前景。

目前的单定子单运动部件直线旋转作动器一般采用名称为“旋转－轴向直线运动合成型电机（Rotary and axial linear motion combination type motor）”的日本专利（JP 62-40052）和名称为“双径向磁场反应式直线旋转步进电机” 的中国专利（CN 200810042746）中的定子中的磁场具有直线旋转两个径向的形式，理论上虽然可以在定子磁轭的区域有更多的导磁面积，但是这样的复杂磁场严重的增加了定子加工的难度，特别是硅钢片的叠片十分困难，从而增加了定子损耗。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种用于有限直线行程的双定子直线旋转哈尔巴赫永磁作动器，改善动子内外磁场分布，减少动子的铁心重量，提高系统的响应速度和可靠性，提高系统效率。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：

一种双定子直线旋转哈尔巴赫永磁作动器，包括转子轴以及与转子轴同轴设置的转子部分、定子部分，转子部分与转子轴7固定连接，转子轴7通过套筒轴承9定位安装于机壳8，定子部分置于转子部分外围，定位安装于机壳8，所述的定子部分包括同轴并列设置的第一定子组件、第二定子组件，且第一定子组件、第二定子组件相互独立；转子部分包括转子铁心⑸以及分布在转子铁心外表面的哈尔巴赫永磁阵列6。

第一定子组件包括第一定子铁心1以及绕制其上的第一定子绕组2，第二定子组件包括第二定子铁心3以及绕制其上的第二定子绕组4；第一定子铁心1和第二定子铁心3之间留有空气隙10。

转子铁心5沿轴向长度大于第一定子铁心1或第二定子铁心3沿轴向长度与空气隙10沿轴向长度之和。

所述的哈尔巴赫永磁体阵列6在旋转方向的级数和第一定子铁心1或第二定子铁心3上的齿数不等。

第一定子铁心1和第二定子铁心3在圆周方向上均为凸极式且不少于六个齿。

沿旋转方向，定子槽数为3的整数倍。

定子绕组的方式为集中式。

定子铁心和转子均采用硅钢片沿轴向叠片方式。

所述的哈尔巴赫永磁阵列6以柱状分布在转子铁心5外表面时，组成哈尔巴赫永磁阵列6的各永磁体极性在旋转方向上交错设置。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

由于本发明提供的双定子直线旋转哈尔巴赫永磁作动器的两个定子在直线方向彼此独立，定子中不存在沿轴向的磁场，仅含有沿径向的磁场，可以采用硅钢片叠片，可有效降低损耗；每个独立的定子均为集中绕组的定子结构，结构简单，易于加工；研究表明，转子沿直线位置与两个定子上的电流幅值的大小呈线性关系，易于进行作动器的控制。

附图说明

图1为本发明双定子直线旋转哈尔巴赫永磁作动器沿轴向剖面示意图； 

图2为双定子直线旋转哈尔巴赫永磁作动器沿径向剖面示意图；

图3为双定子直线旋转哈尔巴赫永磁作动器的三维示意图；

其中：1、第一定子铁心，2、第一定子绕组，3、第二定子铁心，4、第二定子绕组，5、转子铁心，6、哈尔巴赫永磁阵列，7、转子轴，8、机壳，9、套筒轴承。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

本发明提供的双定子直线旋转哈尔巴赫永磁作动器，如图1-3所示，其主要包括第一定子铁心1，第一定子绕组2，第二定子铁心 3，第二定子绕组4，转子铁心5， 哈尔巴赫永磁阵列6，转子轴7，机壳8，套筒轴承9。

在机壳8内固定的沿轴向并列布置的第一定子铁心1与第二定子铁心3，第一定子铁心1上绕制有第一定子绕组2，第二定子铁心3上绕制有第二定子绕组4；置于第一定子铁心1与第二定子铁心3内部的转子铁心5，其外表贴有哈尔巴赫永磁阵列6，并固定于转子轴7上，转子轴7通过套筒轴承9与机壳8相连。沿直线方向包含有两套相同且独立的定子装置，分别为第一定子铁心1和绕制其上的第一定子绕组2，第二定子铁心3和绕制其上的第二定子绕组4；第一定子铁心1和第二定子铁心3之间留有空气隙10。沿直线方向仅包含一套转子机构，且转子铁心5沿轴向长度大于第一定子铁心1或第二定子铁心3沿轴向长度与空气隙10沿轴向长度之和。

所述定子均为硅钢片沿轴向叠片结构，在圆周方向，第一定子铁心1与第二定子铁心3均为凸极式且不少于六个齿，且采用集中绕组的形式。

永磁体阵列6中永磁体在圆柱形运动部件2外表贴时以柱状分布，永磁体极性在旋转方向交错。

永磁体阵列6在旋转方向的级数和第一定子铁心1（第二定子铁心3）上的齿数不等。

需要螺旋运动时，第一定子绕组2中通入电流                                                ，第二定子绕组4中通入电流，其中，为电流峰值，为旋转方向电流的初始相位，取，和。为沿旋转方向的定子齿、和。其中，为电流峰值，为旋转方向电流的初始相位，取，和。为沿旋转方向的定子齿、和C。