旋转直线永磁电机

1、旋转直线永磁旋转直线永磁电机电机 制作人：制作人： 2015 2015 年年 5 5 月月 11 11 日日 内容内容一、引言一、引言 二、二、国内外研究现状国内外研究现状 三、三、旋转直线永磁电机的结构设计旋转直线永磁电机的结构设计四、旋转永磁电机的优缺点四、旋转永磁电机的优缺点五、五、两自由度电机研究的方向两自由度电机研究的方向 引引言言 旋转直线永磁旋转直线永磁电机是一种无中间传动机构的新型电机，电机是一种无中间传动机构的新型电机，这种电机可以分别做直线运动、旋转运动以及两者合成的这种电机可以分别做直线运动、旋转运动以及两者合成的螺旋运动。螺旋运动。优点：机械集成度高，电机结构材料和驱动

2、控制系统元件优点：机械集成度高，电机结构材料和驱动控制系统元件利用率高，机电一体化。利用率高，机电一体化。缺点：两自由度的驱缺点：两自由度的驱动技术多采用两个或多个旋转电机以动技术多采用两个或多个旋转电机以及及中间传动装置中间传动装置来实现来实现-系统控制方式复杂，系统体积系统控制方式复杂，系统体积大零部件多维护量大、价格昂贵，需要承受较大的轴向力，大零部件多维护量大、价格昂贵，需要承受较大的轴向力，致使磨损严重，系统可靠性降低。致使磨损严重，系统可靠性降低。 在两自由度机械系统中，采用一台两自由度电机来代替两个或多个旋转电机在两自由度机械系统中，采用一台两自由度电机来代替两个或多个旋转电机及

3、传动装置，可以大大简化机械系统的结构，减小体积及重量，从而提高系统的精及传动装置，可以大大简化机械系统的结构，减小体积及重量，从而提高系统的精度和动静态性能。度和动静态性能。 二、二、国内外研究现状国内外研究现状 2020世纪世纪5050年代初，为了改善感应电机的调速性能，英国的威廉姆斯等年代初，为了改善感应电机的调速性能，英国的威廉姆斯等人研制出了一种变速球形感应电机，这种电机的定转子都可以动，是有记人研制出了一种变速球形感应电机，这种电机的定转子都可以动，是有记载的最早的多自由度电机。早期由于电机理论的不完善，再加上机械制造载的最早的多自由度电机。早期由于电机理论的不完善，再加上机械制造水

4、平的限制，多自由电机遇到很多难题，可靠性差尤甚。直到水平的限制，多自由电机遇到很多难题，可靠性差尤甚。直到2020世纪世纪7070、8080年代载人航天、机器人等技术的发展直接激发了多自由度电机的发展，年代载人航天、机器人等技术的发展直接激发了多自由度电机的发展，特别是以新材料微电子技术为代表的第三次科学技术革命的开展，为多自特别是以新材料微电子技术为代表的第三次科学技术革命的开展，为多自由度电机的结构设计制造和电机驱动控制系统的实现提供了有利的条件。由度电机的结构设计制造和电机驱动控制系统的实现提供了有利的条件。 2001 年，浙江大学的叶云岳提出了一种直线旋转混合型异步电动机年，浙江大学的

5、叶云岳提出了一种直线旋转混合型异步电动机的构想其结构如图的构想其结构如图 1.4 所示。该电机的定子上装有两套绕组，共用一个所示。该电机的定子上装有两套绕组，共用一个实心钢动子（转子）。当其中一套绕组通三相电流时，产生行波磁场，实心钢动子（转子）。当其中一套绕组通三相电流时，产生行波磁场，电机的转子做直线运动；当另一套绕组通三相电流时，则产生旋转磁场，电机的转子做直线运动；当另一套绕组通三相电流时，则产生旋转磁场，电机的转子做旋转运动；若两套绕组同时通电，则转子可以做旋转直线电机的转子做旋转运动；若两套绕组同时通电，则转子可以做旋转直线运动，因此该电机可以有三种运动方式。这种构想的目的是省去相

6、应的运动，因此该电机可以有三种运动方式。这种构想的目的是省去相应的中间传动机构，使整个系统结构简化，控制、维护方便中间传动机构，使整个系统结构简化，控制、维护方便。二、二、 旋转直线永磁电机的工作原理旋转直线永磁电机的工作原理 旋转直线永磁电机综合了亚琛工业大学的平面两自由度电机和哈尔滨工业大学的 HB 型两自由度平面电机的一些特点主要表现在：旋转直线永磁电机将采用交错分布的永磁结构；旋转运动部分和直线运动部分共用一套转子。 对于直线电机，通常它被认为是旋转电机在结构方面的一种演变，对于直线电机，通常它被认为是旋转电机在结构方面的一种演变，也就是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展开成

7、直线，也就是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展开成直线，图图 2.2 是一台永磁电机展开成永磁直线电机的示意图是一台永磁电机展开成永磁直线电机的示意图 这个气隙磁场沿展开的直线方向呈直线分布。和旋转电机区别的地方是：这个气隙磁场沿展开的直线方向呈直线分布。和旋转电机区别的地方是：当三相电流随时间变化，气隙磁场将按三相的相序沿直线运动也就是直线电当三相电流随时间变化，气隙磁场将按三相的相序沿直线运动也就是直线电机产生的气隙磁场是行波磁场，而非旋转磁场，行波磁场情况如图机产生的气隙磁场是行波磁场，而非旋转磁场，行波磁场情况如图 以永磁（旋转）电机为例，图以永磁（旋转）电机为例，图 2.4

8、 所示为一般的三相永磁同步电机的工作原所示为一般的三相永磁同步电机的工作原理，在磁场的作用下，转子将会以同步速度转动。图理，在磁场的作用下，转子将会以同步速度转动。图 2.5 为三相永磁同步电动机为三相永磁同步电动机的两种工作状态：电动机状态和理想空载状态。的两种工作状态：电动机状态和理想空载状态。 旋转直线永磁电动机作为永磁电机和永磁直线电机的结合体，它的定子中旋转直线永磁电动机作为永磁电机和永磁直线电机的结合体，它的定子中有两套三相绕组，转子上没有励磁绕组，也就是没有自启动绕组。从前面的描有两套三相绕组，转子上没有励磁绕组，也就是没有自启动绕组。从前面的描述可知述可知，不管是旋转电机还是直

9、线电机，气隙磁场才是它们工作的关键。不管是旋转电机还是直线电机，气隙磁场才是它们工作的关键。 根据根据2 p = 8的需的需要将定子的每相要将定子的每相绕组分别用四个绕组分别用四个线圈串联而成线圈串联而成径向绕组相反径向绕组相反 旋转磁场和行波磁场是旋转直线永磁电动机工作的前提，为了实现它的多自由度运动，需要设计相应的 8 极旋转磁场和行波磁场。两套三相绕组的W 匝数相同、形状尺寸一样、轴线在空间互差 120。三相绕组上的三相 三 、 相电流的波形如图 2.7 所示。 tiimAsin)120sin(tiimB)120sin(tiimB2.2旋转直线永磁电机的永磁磁路旋转直线永磁电机的永磁磁路

10、 永永磁电机与电励磁电机的最大区别在于它的励磁磁场是由永磁体产生。永磁体磁电机与电励磁电机的最大区别在于它的励磁磁场是由永磁体产生。永磁体在电机中既是磁源，又是磁路的组成部分，永磁体的磁性能不仅与制造工艺有关，在电机中既是磁源，又是磁路的组成部分，永磁体的磁性能不仅与制造工艺有关，还与其形状尺寸、冲磁机的容量和冲磁方向有关。还与其形状尺寸、冲磁机的容量和冲磁方向有关。 旋转直线永磁电机的转子上没有启动绕组，所以其转子结构将参照调速永磁旋转直线永磁电机的转子上没有启动绕组，所以其转子结构将参照调速永磁同步电动机的转子结构形式。图同步电动机的转子结构形式。图 2.11 2.11 是调速永磁同步电动

11、机常见的转子结构形是调速永磁同步电动机常见的转子结构形式。式。a a 为表面凸出式，为表面凸出式，b b 为表面插入式。为表面插入式。 从径向方向看，这样从径向方向看，这样的排列方式是可以实现旋转的排列方式是可以实现旋转运动的，但从轴向方向看，运动的，但从轴向方向看，却不能实现直线运动却不能实现直线运动。 永磁体交错分布的结永磁体交错分布的结构形式，这种形式从径向构形式，这种形式从径向分析可以产生旋转运动，分析可以产生旋转运动，而从轴向分析也可以产生而从轴向分析也可以产生直线运动。直线运动。 轴向方向轴向方向的磁场和径向的磁场和径向方向的磁场都方向的磁场都是紊乱的是紊乱的电机转矩和牵引力的生成

12、原理电机转矩和牵引力的生成原理 电机作为一个三维的实体，它的内部磁场非常复杂电机作为一个三维的实体，它的内部磁场非常复杂，从分布区域和作用来从分布区域和作用来看，其内部电磁场大致包括气隙磁场、极间漏磁场、槽内漏磁场、绕组端部电看，其内部电磁场大致包括气隙磁场、极间漏磁场、槽内漏磁场、绕组端部电磁场、叠片铁心中的电磁场、实心转子中的电磁场等磁场、叠片铁心中的电磁场、实心转子中的电磁场等空载空载 永磁电机的永磁材料怎样选择，其磁通所经过的磁路是相通的。对于旋转直永磁电机的永磁材料怎样选择，其磁通所经过的磁路是相通的。对于旋转直线永磁电机而言，其磁路同样也包括永磁体、软磁材料和工作气隙。线永磁电机而

13、言，其磁路同样也包括永磁体、软磁材料和工作气隙。三、三、 旋转直线永磁电机的结构设计旋转直线永磁电机的结构设计 为了较好地结合旋转电机和直线电机的功能特点，将旋转为了较好地结合旋转电机和直线电机的功能特点，将旋转直线永磁电机能设计为圆筒状结构，从某种程度上，旋转直线直线永磁电机能设计为圆筒状结构，从某种程度上，旋转直线永磁电机就类似于一个圆筒型直线电机，管型直线电机如永磁电机就类似于一个圆筒型直线电机，管型直线电机如2.19 所示所示 两套三相绕组分别叠压在径向和轴向定子槽内，运动转子安两套三相绕组分别叠压在径向和轴向定子槽内，运动转子安装在一个机械旋转线性圆轴系统或一个气压轴上，当定子的两套

14、装在一个机械旋转线性圆轴系统或一个气压轴上，当定子的两套绕组中通三相交流电后，表面附有交错分布永磁体的转子将会产绕组中通三相交流电后，表面附有交错分布永磁体的转子将会产生如图生如图 2.21 中所示的旋转运动和直线运动。中所示的旋转运动和直线运动。 图图 2.22 是用是用 ANSYS 建立的旋转直线永磁电机的三维简建立的旋转直线永磁电机的三维简化模型，化模型， 图图 2.23 为旋转直线永磁电机仿真模型中一对极的转子永磁体结构。从为旋转直线永磁电机仿真模型中一对极的转子永磁体结构。从图图 2.22(c)的模型中可以看出，在一对极的转子圆周上，只有一极永磁体沿的模型中可以看出，在一对极的转子圆

15、周上，只有一极永磁体沿圆周方向安装，另一半永磁体安装在沿轴向方向的另一半转子轴上，这种圆周方向安装，另一半永磁体安装在沿轴向方向的另一半转子轴上，这种交错分布的永磁结构，不仅能够生成足够的转矩和牵引力，而且它的转矩交错分布的永磁结构，不仅能够生成足够的转矩和牵引力，而且它的转矩和牵引力的相互影响非常小，以至于可以对旋转运动和直线运动进行去耦和牵引力的相互影响非常小，以至于可以对旋转运动和直线运动进行去耦合控制合控制。 根据旋转直线永磁电机结构上的特点，可以认为这种电机根据旋转直线永磁电机结构上的特点，可以认为这种电机在空间上具有如图在空间上具有如图 2.24 描述的描述的 6 种运动变化。种运

16、动变化。 缺点缺点：也存在叠片之间的非铁磁性绝缘层减小了定子铁心在轴向的有效长也存在叠片之间的非铁磁性绝缘层减小了定子铁心在轴向的有效长度的问题：同时产生的涡流也不能被叠片很好地限制度的问题：同时产生的涡流也不能被叠片很好地限制 优点优点：直线：直线永磁电机永磁电机能够实现两自由度运动，能够实现两自由度运动，相对于电励磁电机有结构紧相对于电励磁电机有结构紧凑、体积小、效率较高等优势，功率也可从几毫瓦到几千千瓦，永磁电机已经凑、体积小、效率较高等优势，功率也可从几毫瓦到几千千瓦，永磁电机已经在日常生活、军事、工业等方面得到了广泛的应用。为了简化结构、减小体积、在日常生活、军事、工业等方面得到了广

17、泛的应用。为了简化结构、减小体积、提高效率提高效率。四、旋转永磁电机的优缺点：四、旋转永磁电机的优缺点：五、五、两自由度电机研究的方向两自由度电机研究的方向 由于两自由度电机是将两种不同运动形式和两套运动产生源集成到一套系由于两自由度电机是将两种不同运动形式和两套运动产生源集成到一套系统中，因此两自由度电机和通常单自由度电机相比有许多不同的特征，因统中，因此两自由度电机和通常单自由度电机相比有许多不同的特征，因此可以预见以下这些方面将成为两自由度电机发展的研究热点。此可以预见以下这些方面将成为两自由度电机发展的研究热点。(1)开发新结构新原理的两自由度电机。由于工业应用方面的拓展，使用环境开发

18、新结构新原理的两自由度电机。由于工业应用方面的拓展，使用环境和应用要求不断变化，现有的两自由度电机结构可能不能满足要求，因此需和应用要求不断变化，现有的两自由度电机结构可能不能满足要求，因此需要根据环境性能需要，继续研发具有新结构和新原理的两自由度电机。要根据环境性能需要，继续研发具有新结构和新原理的两自由度电机。 (2)对已有的电机模型进行结构的优化。和传统电机一样，对两自由对已有的电机模型进行结构的优化。和传统电机一样，对两自由度度电动机电动机的结构进行优化，可以使电机结构简单，便于制造，提高电机的机械集成度的结构进行优化，可以使电机结构简单，便于制造，提高电机的机械集成度及材料的利用率，

19、扩大动子的偏转范围，简化支撑结构，减轻重量，减小体及材料的利用率，扩大动子的偏转范围，简化支撑结构，减轻重量，减小体积。另外还可以通过结构优化来简化各自由度之间的电磁力学耦合关系，提积。另外还可以通过结构优化来简化各自由度之间的电磁力学耦合关系，提高系统的性能和稳定性。高系统的性能和稳定性。 (3)两自由度电机电磁场的计算问题。电磁场的计算问题是两自由度电机控制两自由度电机电磁场的计算问题。电磁场的计算问题是两自由度电机控制的理论基础。由于两自由度电机结构的特殊性，其磁场具有边界条件复杂、的理论基础。由于两自由度电机结构的特殊性，其磁场具有边界条件复杂、各向异性、非线性、端部效应的问题，而且两自由度电机的电磁场大都是典各向异性、非线性、端部效应的问题，而且两自由度电机的电磁场大都是典型的三维场，很难使用二维场来进行简化，因此两自由度电机电磁场的分析型的三维场，很难使用二维场来进行简化，因此两自由度电机电磁场的分析计算