旋转直线永磁电机.ppt

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旋转直线永磁旋转直线永磁电机电机制作人：

制作人：

20152015年年55月月1111日日内容内容一、引言一、引言二、二、国内外研究国内外研究现现状状三、三、旋旋转转直直线线永磁永磁电电机的机的结结构构设计设计四、旋转永磁电机的优缺点四、旋转永磁电机的优缺点五、五、两自由度两自由度电电机研究的方向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及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。

和动静态性能。

二、二、国内外研究国内外研究现现状状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年，浙江大学的叶云岳提出了一种直线线旋旋转转混合型异步混合型异步电动电动机机的构想其的构想其结结构如构如图图1.4所示。

所示。

该电该电机的定子上装有两套机的定子上装有两套绕组绕组，共用一个，共用一个实实心心钢动钢动子（子（转转子）。

当其中一套子）。

当其中一套绕组绕组通三相通三相电电流流时时，产产生行波磁生行波磁场场，电电机的机的转转子做直子做直线线运运动动；当另一套；当另一套绕组绕组通三相通三相电电流流时时，则产则产生旋生旋转转磁磁场场，电电机的机的转转子做旋子做旋转转运运动动；若两套；若两套绕组绕组同同时时通通电电，则转则转子可以做旋子可以做旋转转直直线线运运动动，因此，因此该电该电机可以有三种运机可以有三种运动动方式。

方式。

这这种构想的目的是省去相种构想的目的是省去相应应的的中中间传动间传动机构，使整个系机构，使整个系统结统结构构简简化，控制、化，控制、维护维护方便方便。

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。

对对于直于直线电线电机，通常它被机，通常它被认为认为是旋是旋转电转电机在机在结结构方面的一种演构方面的一种演变变，也就是将一台旋也就是将一台旋转电转电机沿径向剖开，然后将机沿径向剖开，然后将电电机的机的圆圆周展开成直周展开成直线线，图图2.2是一台永磁是一台永磁电电机展开成永磁直机展开成永磁直线电线电机的示意机的示意图图这这个气隙磁个气隙磁场场沿展开的直沿展开的直线线方向呈直方向呈直线线分布。

和旋分布。

和旋转电转电机区机区别别的地方是：

的地方是：

当三相当三相电电流随流随时间变时间变化，气隙磁化，气隙磁场场将按三相的相序沿直将按三相的相序沿直线线运运动动也就是直也就是直线电线电机机产产生的气隙磁生的气隙磁场场是行波磁是行波磁场场，而非旋，而非旋转转磁磁场场，行波磁，行波磁场场情况如情况如图图以永磁（旋以永磁（旋转转）电电机机为为例，例，图图2.4所示所示为为一般的三相永磁同步一般的三相永磁同步电电机的工作原机的工作原理，在磁理，在磁场场的作用下，的作用下，转转子将会以同步速度子将会以同步速度转动转动。

图图2.5为为三相永磁同步三相永磁同步电动电动机机的两种工作状的两种工作状态态：

电动电动机状机状态态和理想空和理想空载载状状态态。

旋旋转转直直线线永磁永磁电动电动机作机作为为永磁永磁电电机和永磁直机和永磁直线电线电机的机的结结合体，它的定子中有合体，它的定子中有两套三相两套三相绕组绕组，转转子上没有励磁子上没有励磁绕组绕组，也就是没有自启，也就是没有自启动绕组动绕组。

从前面的描述可。

从前面的描述可知知，不管是旋不管是旋转电转电机机还还是直是直线电线电机，气隙磁机，气隙磁场场才是它才是它们们工作的关工作的关键键。

根据根据2p=8的需的需要将定子的每相要将定子的每相绕组分分别用四个用四个线圈串圈串联而成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。

2.2旋旋转转直直线线永磁永磁电电机的永磁磁路机的永磁磁路永永磁磁电电机与机与电电励磁励磁电电机的最大区机的最大区别别在于它的励磁磁在于它的励磁磁场场是由永磁体是由永磁体产产生。

永磁体在生。

永磁体在电电机中既是磁源，又是磁路的机中既是磁源，又是磁路的组组成部分，永磁体的磁性能不成部分，永磁体的磁性能不仅仅与制造工与制造工艺艺有关，有关，还还与与其形状尺寸、冲磁机的容量和冲磁方向有关。

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同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。

图步电动机的转子结构形式。

图2.112.11是调速永磁同步电动机常见的转子结构形式。

是调速永磁同步电动机常见的转子结构形式。

aa为表面凸出式，为表面凸出式，bb为表面插入式。

为表面插入式。

从径向方向看，从径向方向看，这样这样的排列方式是可以的排列方式是可以实现实现旋旋转转运运动动的，但从的，但从轴轴向方向看，向方向看，却不能却不能实现实现直直线线运运动动。

永磁体交永磁体交错错分布的分布的结结构形式，构形式，这这种形式从径向种形式从径向分析可以分析可以产产生旋生旋转转运运动动，而从而从轴轴向分析也可以向分析也可以产产生生直直线线运运动动。

轴轴向方向向方向的磁的磁场场和径向和径向方向的磁方向的磁场场都都是紊乱的是紊乱的电机机转矩和矩和牵引力的生成原理引力的生成原理电电机作机作为为一个三一个三维维的的实实体，它的内部磁体，它的内部磁场场非常复非常复杂杂，从分布区域和作用来看，从分布区域和作用来看，其内部其内部电电磁磁场场大致包括气隙磁大致包括气隙磁场场、极、极间间漏磁漏磁场场、槽内漏磁、槽内漏磁场场、绕组绕组端部端部电电磁磁场场、叠片叠片铁铁心中的心中的电电磁磁场场、实实心心转转子中的子中的电电磁磁场场等等空载空载永磁永磁电电机的永磁材料怎机的永磁材料怎样选择样选择，其磁通所，其磁通所经过经过的磁路是相通的。

的磁路是相通的。

对对于旋于旋转转直直线线永磁永磁电电机而言，其磁路同机而言，其磁路同样样也包括永磁体、也包括永磁体、软软磁材料和工作气隙。

磁材料和工作气隙。

三、三、旋旋转转直直线线永磁永磁电电机的机的结结构构设计设计为为了了较较好地好地结结合旋合旋转电转电机和直机和直线电线电机的功能特点，将旋机的功能特点，将旋转转直直线线永磁永磁电电机能机能设计为圆设计为圆筒状筒状结结构，从某种程度上，旋构，从某种程度上，旋转转直直线线永永磁磁电电机就机就类类似于一个似于一个圆圆筒型直筒型直线电线电机，管型直机，管型直线电线电机如机如2.19所所示示两套三相两套三相绕组绕组分分别别叠叠压压在径向和在径向和轴轴向定子槽内，运向定子槽内，运动转动转子安子安装在一个机械旋装在一个机械旋转线转线性性圆轴圆轴系系统统或一个气或一个气压轴压轴上，当定子的两套上，当定子的两套绕组绕组中通三相交流中通三相交流电电后，表面附有交后，表面附有交错错分布永磁体的分布永磁体的转转子将会子将会产产生如生如图图2.21中所示的旋中所示的旋转转运运动动和直和直线线运运动动。

直线电机的结构直线电机的结构直线电机的结构直线电机的结构图图2.22是用是用ANSYS建立的旋建立的旋转转直直线线永磁永磁电电机的三机的三维简维简化模型，化模型，图图2.23为为旋旋转转直直线线永磁永磁电电机仿真模型中一机仿真模型中一对对极的极的转转子永磁体子永磁体结结构。

从构。

从图图2.22（c）的模型中可以看出，在一的模型中可以看出，在一对对极的极的转转子子圆圆周上，只有一极永磁体沿周上，只有一极永磁体沿圆圆周方向安装，另一半永磁体安装在沿周方向安装，另一半永磁体安装在沿轴轴向方向的另一半向方向的另一半转转子子轴轴上，上，这这种交种交错错分布的永磁分布的永磁结结构，不构，不仅仅能能够够生成足生成足够够的的转转矩和矩和牵牵引力，而且它的引力，而且它的转转矩和矩和牵牵引力的相互影响非常小，以至于可以引力的相互影响非常小，以至于可以对对旋旋转转运运动动和直和直线线运运动进动进行去耦合控制行去耦合控制。

根据旋根据旋转转直直线线永磁永磁电电机机结结构上的特点，可以构上的特点，可以认为这认为这种种电电机机在空在空间间上具有如上具有如图图2.24描述的描述的6种运种运动变动变化。

化。

缺点缺点：

也存在叠片之也存在叠片之间间的非的非铁铁磁性磁性绝缘层绝缘层减小了定子减小了定子铁铁心在心在轴轴向的有效向的有效长长度度的的问题问题：

同：

同时产时产生的生的涡涡流也不能被叠片很好地限制流也不能被叠片很好地限制优点优点：

直线：

直线永磁永磁电电机机能够实现两自由度运动，能够实现两自由度运动，相相对对于于电电励磁励磁电电机有机有结结构构紧紧凑、体凑、体积积小、效率小、效率较较高等高等优势优势，功率也可从几毫瓦到几千千瓦，永磁，功率也可从几毫瓦到几千千瓦，永磁电电机已机已经经在日常生活、在日常生活、军军事、工事、工业业等方面得到了广泛的等方面得到了广泛的应应用。

用。

为为了了简简化化结结构、减小体构、减小体积积、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、两自由度两自由度电电机研究的方向机研究的方向由于两自由度由于两自由度电电机是将两种不同运机是将两种不同运动动形式和两套运形式和两套运动产动产生源集成到一套系生源集成到一套系统统中，因此两自由度中，因此两自由度电电机和通常机和通常单单自由度自由度电电机相比有机相比有许许多不同的特征，因多不同的特征，因此可以此可以预见预见以下以下这这些方面将成些方面将成为为两自由度两自由度电电机机发发展的研究展