專利名稱：一種直線旋轉(zhuǎn)兩自由度哈爾巴赫永磁作動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直線旋轉(zhuǎn)兩自由度永磁作動器，用于需要實現(xiàn)直線和旋轉(zhuǎn)兩自 由度復(fù)合運動的場合。
背景技術(shù)：
實現(xiàn)直線和旋轉(zhuǎn)兩個自由度的作動器目前主要由直線與旋轉(zhuǎn)運動組合的方式通 常是采用兩臺獨立的普通旋轉(zhuǎn)電機，或者一臺直線電機和一臺旋轉(zhuǎn)電機來配合完成，其 定位精度和響應(yīng)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(zhuǎn)作動器，直線作動器推動連接部位實現(xiàn)直線運動，同時，連接部位在 旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)動下實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動。中國專利(申請?zhí)?00680043229)公布了一種直 線旋轉(zhuǎn)兩自由度的注塑成型機，該注塑成型機由分離的直線電機和旋轉(zhuǎn)電機簡單組合而 成，旋轉(zhuǎn)電機套在直線電機之內(nèi)。上述結(jié)構(gòu)的共同缺點是直線作動器與旋轉(zhuǎn)作動器相互 獨立，體積大、可靠性差，協(xié)調(diào)控制復(fù)雜，效率低下。文獻“一種直線旋轉(zhuǎn)永磁作動器 的建模”公布了一種直線旋轉(zhuǎn)永磁作動器，主要由內(nèi)定子、外定子、集中繞組和永磁體 組成，這種結(jié)構(gòu)摒棄了直線旋轉(zhuǎn)兩個單自由度作動器簡單相加的形式，集直線與旋轉(zhuǎn)兩 自由度于一體。但該種結(jié)構(gòu)也存在一定的缺陷，永磁體內(nèi)外側(cè)磁場強度基本相等，動子 的鐵心重量較大，降低了系統(tǒng)響應(yīng)速度和可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題為了克服上述已有的直線旋轉(zhuǎn)兩自由度永磁作動器存在的缺陷，本 發(fā)明提出一種直線旋轉(zhuǎn)兩自由度哈爾巴赫永磁作動器，改善動子內(nèi)外磁場分布，減小動 子的鐵心重量，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和可靠性。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為一種直線旋轉(zhuǎn)兩 自由度哈爾巴赫永磁作動器，包括設(shè)有背軛的定子和動子兩部分，定子由定子齒、定子 槽和集中繞組組成，其中定子齒在定子內(nèi)圓周上沿定子的周向均勻分布在背軛上，沿定 子圓周展開成平面后，定子齒在背軛平面上等距分布；
動子由哈爾巴赫永磁體陣列組成，該永磁體陣列的磁場分布接近正弦分布。優(yōu)選的，定子齒和背軛材質(zhì)均為高導(dǎo)磁材料。優(yōu)選的，定子齒和背軛材質(zhì)為十號鋼或硅鋼片。優(yōu)選的，定子圓周上等距分布六個齒和六個槽，所述六個齒和六個槽上繞有集 中式繞組。優(yōu)選的，在由永磁體陣列排列構(gòu)成動子的外表面，磁場表面極性為N極的永磁 體，與該永磁體共面的永磁體的極性為N極；磁場表面極性為S極的永磁體，與該永磁 體共面的永磁體的極性為S極，在定子的圓周和沿軸線直線方向上，N極和S極永磁體與四周切向充磁的永磁體交替排列，形成哈爾巴赫結(jié)構(gòu)，使得永磁體陣列的磁場分布接近 正弦分布，實現(xiàn)直線和旋轉(zhuǎn)兩個自由度的運動。優(yōu)選的，相鄰定子齒的徑向夾角為60°。優(yōu)選的，定子的寬度等于定子齒間的極弧長度。有益效果由于定子采用集中式繞組，動子采用了哈爾巴赫永磁結(jié)構(gòu)，這種永 磁作動器具有如下優(yōu)點定子不再需要復(fù)雜的分布繞組或定、動子斜槽等措施來獲得正 弦波磁密分布；動子具有很好的磁屏蔽作用，可減小導(dǎo)磁軛厚度，甚至可以省去鐵心； 結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可靠性好，功率密度大；可實現(xiàn)直線與旋轉(zhuǎn)協(xié)調(diào)控制。


圖1為本發(fā)明提供的直線旋轉(zhuǎn)兩自由度哈爾巴赫永磁作動器結(jié)構(gòu)示意圖； 其中有I、定子部分，II、動子部分；
圖2為直線旋轉(zhuǎn)兩自由度哈爾巴赫永磁作動器定子和繞組部分示意圖； 其中有1、集中繞組，2、定子齒，3、背軛； 圖3為定子單元部分示意其中有1、集中繞組，2、定子齒，3、背軛，4、定子槽； 圖4為動子部分結(jié)構(gòu)示意其中有41、切向充磁永磁體，42、軸向充磁永磁體，43、徑向充磁永磁體。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。哈爾巴赫永磁體陣列是永磁體的一種排列方式，它可形成單邊磁場從而具有良 好的自屏蔽效應(yīng)，并且可以產(chǎn)生比剩余磁場強度值更大的靜磁場。參見圖1 一 4，本發(fā)明提供的直線旋轉(zhuǎn)兩自由度哈爾巴赫永磁作動器，其包括設(shè) 有背軛3的定子I和動子II兩部分，定子I由定子齒2、定子槽4和集中繞組1組成，其中 定子齒2在定子I部分圓周上和直線方向均勻分布在背軛3上，即由圓周展開成平面后， 定子齒2在背軛3平面上等距分布；動子II由哈爾巴赫永磁體陣列組成，該永磁體陣列 的磁場分布接近正弦分布。定子齒2和背軛3材質(zhì)均為高導(dǎo)磁材料。比如定子齒2和背軛3材質(zhì)為十號 鋼或硅鋼片。定子I圓周上等距分布六個齒和六個槽，所述六個齒和六個槽上繞有集中式繞組。永磁體陣列排列的特征在于磁場表面極性為N極的永磁體，其四周，永磁體 的極性指向該永磁體；磁場表面極性為S極的永磁體，其四周永磁體的極性背向該永磁 體，在定子部分在圓周和直線方向上，N極和S極永磁體與四周切向充磁的永磁體交替排 列，形成哈爾巴赫結(jié)構(gòu)，使得永磁體陣列的磁場分布接近正弦分布，實現(xiàn)直線和旋轉(zhuǎn)兩 個自由度的運動。
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本發(fā)明提供的直線旋轉(zhuǎn)兩自由度哈爾巴赫永磁作動器，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。一種直線旋轉(zhuǎn)兩自由度哈爾巴赫永磁作動器，定子I由定子齒2和定子槽和集中 繞組1組成，其中定子齒2在圓周上和直線方向均勻分布在背軛3上，即由圓周展開成平 面后，定子齒在背軛平面上等距分布。定子齒2和背軛3材質(zhì)均為高導(dǎo)磁材料，如十號 鋼或硅鋼片等。所述一種直線旋轉(zhuǎn)兩自由度哈爾巴赫永磁作動器，其圓周上等距分布六個齒 槽，相鄰定子齒的夾角為60°。齒槽上繞有集中式繞組1，繞組1由銅導(dǎo)線組成。定子 I的寬度等于定子齒間的極弧長度。所述一種直線旋轉(zhuǎn)兩自由度哈爾巴赫永磁作動器，其動子由哈爾巴赫永磁體陣 列組成，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。在圓周和直線方向上，N極和S極 永磁體與四周切向充磁的永磁體交替排列，形成哈爾巴赫結(jié)構(gòu)，使得永磁體陣列的磁場 分布接近正弦分布，實現(xiàn)直線和旋轉(zhuǎn)兩個自由度的運動。
權(quán)利要求
1.一種直線旋轉(zhuǎn)兩自由度哈爾巴赫永磁作動器，包括設(shè)有背軛(3)的定子(I)和 動子(II)兩部分，其特征在于定子(I)由定子齒(2)、定子槽(4)和集中繞組(1)組成，其中定子齒(2) 在定子(I)內(nèi)圓周上沿定子的周向均勻分布在背軛(3)上，沿定子(I)圓周展開成 平面后，定子齒(2)在背軛(3)平面上等距分布；動子(II)由哈爾巴赫永磁體陣列組成，該永磁體陣列的磁場分布接近正弦分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線旋轉(zhuǎn)兩自由度哈爾巴赫永磁作動器，其特征在于定 子齒(2)和背軛(3)材質(zhì)均為高導(dǎo)磁材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的直線旋轉(zhuǎn)兩自由度哈爾巴赫永磁作動器，其特征在于定 子齒(2)和背軛(3)材質(zhì)為十號鋼或硅鋼片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線旋轉(zhuǎn)兩自由度哈爾巴赫永磁作動器，其特征在于定 子(I)圓周上等距分布六個齒和六個槽，所述六個齒和六個槽上繞有集中式繞組。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線旋轉(zhuǎn)兩自由度哈爾巴赫永磁作動器，其特征在于在 由永磁體陣列排列構(gòu)成動子(II)的外表面，磁場表面極性為N極的永磁體，與該永磁 體共面的永磁體的極性為N極；磁場表面極性為S極的永磁體，與該永磁體共面的永磁 體的極性為S極，在定子(I)的圓周和沿軸線直線方向上，N極和S極永磁體與四周切 向充磁的永磁體交替排列，形成哈爾巴赫結(jié)構(gòu)，使得永磁體陣列的磁場分布接近正弦分 布，實現(xiàn)直線和旋轉(zhuǎn)兩個自由度的運動。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線旋轉(zhuǎn)兩自由度哈爾巴赫永磁作動器，其特征在于相 鄰定子齒(2)的徑向夾角為60°。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線旋轉(zhuǎn)兩自由度哈爾巴赫永磁作動器，其特征在于定 子(I)的寬度等于定子齒(2)間的極弧長度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種直線旋轉(zhuǎn)兩自由度哈爾巴赫永磁作動器，主要包括定子和動子兩部分。定子部分由定子齒槽和集中繞組組成，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，齒槽上繞有集中式繞組。動子由哈爾巴赫永磁體陣列組成，動子采用哈爾巴赫永磁體陣列后，動子表面圓周和沿軸向直線方向上呈正弦分布。本發(fā)明永磁作動器結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可靠性好，功率密度大；可實現(xiàn)直線與旋轉(zhuǎn)協(xié)調(diào)控制，可應(yīng)用于需有直線旋轉(zhuǎn)兩個自由度的運動要求的場合。
文檔編號H02K1/27GK102013739SQ20101053499
公開日2011年4月13日 申請日期2010年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月8日
發(fā)明者房淑華, 林鶴云, 汪先兵, 郭立家, 金平 申請人:東南大學(xué)