一种直线旋转两自由度哈尔巴赫永磁作动器

摘要

本发明涉及一种直线旋转两自由度哈尔巴赫永磁作动器，主要包括定子和动子两部分。定子部分由定子齿槽和集中绕组组成，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，齿槽上绕有集中式绕组。动子由哈尔巴赫永磁体阵列组成，动子采用哈尔巴赫永磁体阵列后，动子表面圆周和沿轴向直线方向上呈正弦分布。本发明永磁作动器结构简单紧凑，可靠性好，功率密度大；可实现直线与旋转协调控制，可应用于需有直线旋转两个自由度的运动要求的场合。

权利要求

1. 一种直线旋转两自由度哈尔巴赫永磁作动器，包括设有背轭（3）的定子（I）和动子（II）两部分，其特征在于：定子（I）由定子齿（2）、定子槽（4）和集中绕组（1）组成，其中定子齿（2）在定子（I）内圆周上沿定子的周向均匀分布在背轭（3）上，沿定子（I）圆周展开成平面后，定子齿（2）在背轭（3）平面上等距分布；

动子（II）由哈尔巴赫永磁体阵列组成，该永磁体阵列的磁场分布接近正弦分布。

2.根据权利要求1所述的直线旋转两自由度哈尔巴赫永磁作动器，其特征在于：定子齿（2）和背轭（3）材质均为高导磁材料。

3.根据权利要求2所述的直线旋转两自由度哈尔巴赫永磁作动器，其特征在于：定子齿（2）和背轭（3）材质为十号钢或硅钢片。

4. 根据权利要求1所述的直线旋转两自由度哈尔巴赫永磁作动器，其特征在于：定子（I）圆周上等距分布六个齿和六个槽，所述六个齿和六个槽上绕有集中式绕组。

5. 根据权利要求1所述的直线旋转两自由度哈尔巴赫永磁作动器，其特征在于：在由永磁体阵列排列构成动子（II）的外表面，磁场表面极性为N极的永磁体，与该永磁体共面的永磁体的极性为N极；磁场表面极性为S极的永磁体，与该永磁体共面的永磁体的极性为S极，在定子（I）的圆周和沿轴线直线方向上，N极和S极永磁体与四周切向充磁的永磁体交替排列，形成哈尔巴赫结构，使得永磁体阵列的磁场分布接近正弦分布，实现直线和旋转两个自由度的运动。

6.根据权利要求1所述的直线旋转两自由度哈尔巴赫永磁作动器，其特征在于：相邻定子齿（2）的径向夹角为60°。

7.根据权利要求1所述的直线旋转两自由度哈尔巴赫永磁作动器，其特征在于：定子（I）的宽度等于定子齿（2）间的极弧长度。

说明书

一种直线旋转两自由度哈尔巴赫永磁作动器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种直线旋转两自由度永磁作动器，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

[0002] 实现直线和旋转两个自由度的作动器目前主要由直线与旋转运动组合的方式通常是采用两台独立的普通旋转电机，或者一台直线电机和一台旋转电机来配合完成，其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，同时，连接部位在旋转电机的转动下实现旋转运动。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电机和旋转电机简单组合而成，旋转电机套在直线电机之内。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。文献“一种直线旋转永磁作动器的建模”公布了一种直线旋转永磁作动器，主要由内定子、外定子、集中绕组和永磁体组成，这种结构摒弃了直线旋转两个单自由度作动器简单相加的形式，集直线与旋转两自由度于一体。但该种结构也存在一定的缺陷，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

[0003] 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，本发明提出一种直线旋转两自由度哈尔巴赫永磁作动器，改善动子内外磁场分布，减小动子的铁心重量，提高系统的响应速度和可靠性。

[0004] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种直线旋转两自由度哈尔巴赫永磁作动器，包括设有背轭的定子和动子两部分，定子由定子齿、定子槽和集中绕组组成，其中定子齿在定子内圆周上沿定子的周向均匀分布在背轭上，沿定子圆周展开成平面后，定子齿在背轭平面上等距分布；

[0005] 动子由哈尔巴赫永磁体阵列组成，该永磁体阵列的磁场分布接近正弦分布。

[0006] 优选的，定子齿和背轭材质均为高导磁材料。

[0007] 优选的，定子齿和背轭材质为十号钢或硅钢片。

[0008] 优选的，定子圆周上等距分布六个齿和六个槽，所述六个齿和六个槽上绕有集中式绕组。

[0009] 优选的，在由永磁体阵列排列构成动子的外表面，磁场表面极性为N极的永磁体，与该永磁体共面的永磁体的极性为N极；磁场表面极性为S极的永磁体，与该永磁体共面的永磁体的极性为S极，在定子的圆周和沿轴线直线方向上，N极和S极永磁体与四周切向充磁的永磁体交替排列，形成哈尔巴赫结构，使得永磁体阵列的磁场分布接近正弦分布，实现直线和旋转两个自由度的运动。

[0010] 优选的，相邻定子齿的径向夹角为60°。

[0011] 优选的，定子的宽度等于定子齿间的极弧长度。

[0012] 有益效果：由于定子采用集中式绕组，动子采用了哈尔巴赫永磁结构，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正弦波磁密分布；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；结构简单紧凑，可靠性好，功率密度大；可实现直线与旋转协调控制。

附图说明

[0013] 图1为本发明提供的直线旋转两自由度哈尔巴赫永磁作动器结构示意图；

[0014] 其中有：I、定子部分，II、动子部分；

[0015] 图2为直线旋转两自由度哈尔巴赫永磁作动器定子和绕组部分示意图；

[0016] 其中有：1、集中绕组，2、定子齿，3、背轭；

[0017] 图3为定子单元部分示意图；

[0018] 其中有：1、集中绕组，2、定子齿，3、背轭，4、定子槽；

[0019] 图4为动子部分结构示意图；

[0020] 其中有：41、切向充磁永磁体，42、轴向充磁永磁体，43、径向充磁永磁体。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图对本发明做进一步说明。

[0022] 哈尔巴赫永磁体阵列是永磁体的一种排列方式，它可形成单边磁场从而具有良好的自屏蔽效应，并且可以产生比剩余磁场强度值更大的静磁场。

[0023] 参见图1－4，本发明提供的直线旋转两自由度哈尔巴赫永磁作动器，其包括设有背轭3的定子I和动子II两部分，定子I由定子齿2、定子槽4和集中绕组1组成，其中定子齿2在定子I部分圆周上和直线方向均匀分布在背轭3上，即由圆周展开成平面后，定子齿2在背轭3平面上等距分布；动子II由哈尔巴赫永磁体阵列组成，该永磁体阵列的磁场分布接近正弦分布。

[0024] 定子齿2和背轭3材质均为高导磁材料。比如：定子齿2和背轭3材质为十号钢或硅钢片。

[0025] 定子I圆周上等距分布六个齿和六个槽，所述六个齿和六个槽上绕有集中式绕组。

[0026] 永磁体阵列排列的特征在于：磁场表面极性为N极的永磁体，其四周，永磁体的极性指向该永磁体；磁场表面极性为S极的永磁体，其四周永磁体的极性背向该永磁体，在定子部分在圆周和直线方向上，N极和S极永磁体与四周切向充磁的永磁体交替排列，形成哈尔巴赫结构，使得永磁体阵列的磁场分布接近正弦分布，实现直线和旋转两个自由度的运动。

[0027] 本发明提供的直线旋转两自由度哈尔巴赫永磁作动器，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。

[0028] 一种直线旋转两自由度哈尔巴赫永磁作动器，定子I由定子齿2和定子槽和集中绕组1组成，其中定子齿2在圆周上和直线方向均匀分布在背轭3上，即由圆周展开成平面后，定子齿在背轭平面上等距分布。定子齿2和背轭3材质均为高导磁材料，如十号钢或硅钢片等。

[0029] 所述一种直线旋转两自由度哈尔巴赫永磁作动器，其圆周上等距分布六个齿槽，相邻定子齿的夹角为60°。齿槽上绕有集中式绕组1，绕组1由铜导线组成。定子I的宽度等于定子齿间的极弧长度。

[0030] 所述一种直线旋转两自由度哈尔巴赫永磁作动器，其动子由哈尔巴赫永磁体阵列组成，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。在圆周和直线方向上，N极和S极永磁体与四周切向充磁的永磁体交替排列，形成哈尔巴赫结构，使得永磁体阵列的磁场分布接近正弦分布，实现直线和旋转两个自由度的运动。