同心式绕组结构永磁同步平面电机

摘要

同心式绕组结构永磁同步平面电机，属于电机领域。它解决了现有永磁同步平面电机存在的结构复杂、平面运动范围小、绕组利用率低、推力密度小、系统效率低等问题。本发明所述电机初级的电枢绕组固定在平板形的初级基板的气隙侧，每个相电枢绕组由若干同心的矩形线圈构成，每相邻的两个矩形线圈相邻边的中心线之间的距离L

说明书

技术领域

本发明涉及一种永磁同步平面电机，属于电机领域。

背景技术··

现代精密、超精密加工装备对高响应、高速度、高精度的平面驱动装置有着迫切的需 求，如机械加工、电子产品生产、机械装卸、制造自动化仪表设备甚至机器人驱动等。通 常这些装置由旋转式电动机产生动力驱动，再由皮带、滚珠丝杆等机械装置，转换为直线 运动。由于机械装置复杂，且存在传动精度和速度都受到限制，以及在使用过程中需经常 调校，造成成本高、可靠性差、体积较大的缺点。

最初的平面驱动装置是由两台直接驱动的直线电机来实现的，该种平面驱动装置采用 层叠式驱动结构，这种结构增加了传动系统的复杂性，从本质上没有摆脱低维运动机构叠 加形成高维运动机构的模式。对于底层的直线电机，要承载上层直线电机及其相关机械部 件的总质量，从而严重影响了定位和控制精确度。

直接利用电磁能产生平面运动的平面电机，具有出力密度高、低热耗、高速度、高精 度和高可靠性的特点，因省去了从旋转运动到直线运动再到平面运动的中间转换装置，可 把控制对象同电机做成一体化结构，具有反应快、灵敏度高、随动性好及结构简单等优点。

根据平面电机电磁推力的产生原理，可以将平面电机分为变磁阻型、同步型和感应型。 其中，同步型平面电机具有结构简单、推力大、效率高和响应速度快等良好的综合性能， 在二维平面驱动装置、特别是精密二维平面驱动装置中具有广阔的应用前景。

图19和20所示为现有的一种永磁同步平面电机结构。该电机中包括定子和动子两大部 件，它的工作原理类似于三相旋转永磁同步电机，定子包含铁心和4个相互垂直放置的推力 绕组，每个绕组有独立的3个相，X向推力绕组用于驱动动子沿X方向运动，Y向推力绕组 用于驱动动子沿Y方向运动。动子包含动子平台和4个永磁体阵列，永磁体阵列排列在动子 平台的下表面，通过控制相应的三相绕组电流，动子平台就可以在平面上做定位运动。

但是，该永磁同步平面电机存在电机结构复杂、平面运动的范围小、绕组的利用率低、 推力密度小、系统效率低等问题。

发明内容

为了解决现有永磁同步平面电机存在的结构复杂、平面运动的范围小、绕组的利用率 低、推力密度小、系统效率低等问题，本发明提出一种同心式绕组结构永磁同步平面电机。

本发明所述的一种同心式绕组结构永磁同步平面电机由初级、次级和气隙构成，所述 初级包括初级基板和电枢绕组，次级包括次级轭板和永磁体，初级和次级之间为气隙，定 义该平面电机的动子能够沿XOY平面运动，

电枢绕组固定在平板形的初级基板的气隙侧，每个相电枢绕组由若干同心的矩形线圈 构成，每相邻的两个矩形线圈相邻边的中心线之间的距离L_l与次级永磁体极距τ_m相等，所 述若干个矩形线圈由里到外依次串联连接，每相邻的两个矩形线圈的绕向相反，每个矩形 线圈相对的两条线圈边的中心线之间的距离与次级永磁体极距τ_m之间满足如下关系： L_c＝(2k+1)τ_m，其中，k为自然数。

上述同心式绕组结构永磁同步平面电机的次级为表面永磁体结构、内嵌永磁体结构或 Halbach永磁体阵列结构。

上述同心式绕组结构永磁同步平面电机的次级结构还可以是下述五种结构：

结构一：所述次级包括次级轭板和多个磁极单元，所述磁极单元是底面为正方形的立 方体，每个磁极单元的气隙侧表面的对角线均平行于X轴或Y轴，多个磁极单元紧密排列 并固定在次级轭板的气隙侧，相邻的磁极单元的充磁方向相反；每个磁极单元由一块径向 充磁的永磁体和中心磁极组成，所述中心磁极为轴对称结构，该中心磁极的轴截面为两个 矩形组成的多边形，并且气隙侧的矩形小于另一个矩形，所述中心磁极的对称轴垂直于次 级轭板的表面，所述中心磁极嵌入在径向充磁的永磁体的中心，所述中心磁极的高度与径 向充磁的永磁体的高度相同，所述中心磁极的为径向充磁。

结构二：所述次级包括次级轭板和多个磁极单元，所述次级单元为底面为正方形的立 方体，每个磁极单元的对角线均平行于X轴或Y轴，多个磁极单元紧密排列并固定在次级 轭板的气隙侧，相邻的磁极单元的充磁方向相反；每个磁极单元由四块平行充磁永磁体、 一块垂直充磁永磁体和一块聚磁体构成，所述平行充磁是指充磁方向平行于永磁体气隙侧 表面，所述垂直充磁是指充磁方向垂直于永磁体气隙侧表面，垂直充磁永磁体和聚磁体均 为底面为正方形的立方体，所述聚磁体的底面小于垂直充磁永磁体的底面，该聚磁体堆叠 在垂直充磁永磁体的正上方组成中心磁极，该中心磁极位于磁极单元的中心位置，四块平 行充磁永磁体为底面投影为等腰梯形的不规则形状，所述等腰梯形的地角为45°，所述平 行充磁永磁体的高度与中心磁极的高度相等，所述四块平行充磁永磁体分别位于中心磁极 的四周，并与中心磁极的外表面紧密接触，所述四块平行充磁的永磁体的充磁方向均为指 向或者背离中心磁极，且所述充磁方向与X轴或Y轴平行。

结构三：所述次级包括次级轭板和多个磁极单元，所述次级单元为底面为正方形的立 方体，每个磁极单元的对角线均平行于X轴或Y轴，多个磁极单元紧密排列并固定在次级 轭板的气隙侧，相邻的磁极单元的充磁方向相反；每个磁极单元由四块径向充磁永磁体、 一块垂直充磁永磁体和一块聚磁体构成，所述径向充磁是指充磁方向平行于永磁体气隙侧 表面并且均指向磁极单元的中心，所述垂直充磁是指充磁方向垂直于永磁体气隙侧表面， 垂直充磁永磁体和聚磁体均为底面为正方形的立方体，所述聚磁体的底面小于垂直充磁永 磁体的底面，该聚磁体堆叠在垂直充磁永磁体的正上方组成中心磁极，该中心磁极位于磁 极单元的中心位置，四块平行充磁永磁体为底面投影为等腰梯形的不规则形状，所述等腰 梯形的地角为45°，所述平行充磁永磁体的高度与中心磁极的高度相等，所述四块平行充 磁永磁体分别位于中心磁极的四周，并与中心磁极的外表面紧密接触，所述四块平行充磁 的永磁体的充磁方向均为指向或者背离中心磁极，且所述充磁方向与X轴或Y轴平行。

结构四：所述次级包括次级轭板和多个磁极单元，所述次级单元为底面为正方形的立 方体，每个磁极单元的对角线均平行于X轴或Y轴，多个磁极单元紧密排列并固定在次级 轭板的气隙侧，相邻的磁极单元的充磁方向相反；每个磁极单元由四块径向充磁永磁体和 两块垂直充磁永磁体构成，所述径向充磁是指充磁方向平行于永磁体气隙侧表面并且均指 向磁极单元的中心，所述垂直充磁是指充磁方向垂直于永磁体气隙侧表面，所述两块垂直 充磁永磁体均为底面为正方形的立方体，其中一块垂直充磁永磁体的底面小于另一块垂直 充磁永磁体的底面，两块垂直充磁永磁体堆叠在一起组成中心磁极，其中地面小的垂直永 磁体位于上方，该中心磁极位于磁极单元的中心位置，四块平行充磁永磁体为底面投影为 等腰梯形的不规则形状，所述等腰梯形的地角为45°，所述平行充磁永磁体的高度与中心 磁极的高度相等，所述四块平行充磁永磁体分别位于中心磁极的四周，并与中心磁极的外 表面紧密接触，所述四块平行充磁的永磁体的充磁方向均为指向或者背离中心磁极，且所 述充磁方向与X轴或Y轴平行。

结构五：所述次级包括次级轭板和多个磁极单元，所述次级单元为底面为正方形的立 方体，每个磁极单元的对角线均平行于X轴或Y轴，多个磁极单元紧密排列并固定在次级 轭板的气隙侧，相邻的磁极单元的充磁方向相反；每个磁极单元由四块平行充磁永磁体和 两块垂直充磁永磁体构成，所述平行充磁是指充磁方向平行于永磁体气隙侧表面，所述垂 直充磁是指充磁方向垂直于永磁体气隙侧表面，所述两块垂直充磁永磁体均为底面为正方 形的立方体，其中一块垂直充磁永磁体的底面小于另一块垂直充磁永磁体的底面，两块垂 直充磁永磁体堆叠在一起组成中心磁极，其中地面小的垂直永磁体位于上方，该中心磁极 位于磁极单元的中心位置，四块平行充磁永磁体为底面投影为等腰梯形的不规则形状，所 述等腰梯形的地角为45°，所述平行充磁永磁体的高度与中心磁极的高度相等，所述四块 平行充磁永磁体分别位于中心磁极的四周，并与中心磁极的外表面紧密接触，所述四块平 行充磁的永磁体的充磁方向均为指向或者背离中心磁极，且所述充磁方向与X轴或Y轴平 行。

本发明所述的平面电机采用同心式电枢绕组，利用复合电流驱动，可以实现电机动子 的X、Y二维平面运动，具有平面运动范围无限制、结构简单、推力密度大、动态特性好、 绕组的利用率高、温度分布均匀、热变形小、定位精度高等特点。同时，本发明容易构成 大推力平面电机，次级设计的自由度大、相间连线少、可靠性高。

附图说明

图1是具体实施方式一所述的一种初级的气隙侧的视图，该次级的每相电枢绕组由两 个同心的正方形线圈组成。

图2是具体实施方式一所述的一种初级的气隙侧的视图，该次级的每相电枢绕组由三 个同心的正方形线圈组成。

图3是具体实施方式一所述的一种初级的气隙侧的视图，该次级的每相电枢绕组由两 个同心的长方形线圈组成。

图4是图1和图3的A-A剖视图。

图5是图2的D-D剖视图。

图6是具体实施方式二所述的一种初级的气隙侧的视图，该次级的每相电枢绕组由三 个同心的正方形线圈组成，并且还包括有四个X向偏摆控制绕组和四个Y向偏摆控制绕组。

图7是图6的B-B剖视图。

图8是具体实施方式六和七所述的次级中的一个磁极单元5的俯视图。

图9是当磁极单元5是具体实施方式七所述的由永磁体和聚磁体组成时的C-C剖视图。

图10是当磁极单元5是具体实施方式六所述的仅由永磁体组成时的C-C剖视图。

图11是具体实施方式六所述的次级的结构示意图。

图12是图11的G-G剖视图。

图13是具体实施方式五所述的磁极单元5的结构示意图；

图14是当图13中的中心磁极52是由两块圆柱形永磁体组成时的E-E剖面图；

图15是当图13中的中心磁极52是一块永磁体时的E-E剖面图；

图16是具体实施方式五所述的次级结构示意图；

图17是图16的F-F剖面图；

图18是具体实施方式十所述的次级结构示意图；

图19是一种现有永磁同步平面电机的结构示意图；图20是图19所示永磁同步平面电 机的次级结构示意图。

具体实施方式

实施方式一：本实施方式所述的同心式绕组结构永磁同步平面电机由初级、次级和 气隙构成所述初级包括初级基板2和电枢绕组，次级包括次级轭板4和永磁体，初级和次 级之间为气隙，定义该平面电机的动子能够沿XOY平面运动，

电枢绕组固定在平板形的初级基板2的气隙侧，每个相电枢绕组由若干同心的矩形线 圈1构成，每相邻的两个矩形线圈1相邻边的中心线之间的距离L_l与次级永磁体极距τ_m相 等，所述若干个矩形线圈1由里到外依次串联连接，每相邻的两个矩形线圈1的绕向相反， 每个矩形线圈1相对的两条线圈边的中心线之间的距离与次级永磁体极距τ_m之间满足如下 关系：L_c＝(2k+1)τ_m，其中，k为自然数。

参见图1、2、3、4和图，是本实施方式所述的初级结构的三种具体结构，其中：

图1是本实施方式所述的一种初级结构示意图，图4是图1的A-A剖视图，该种结构 中的每相电枢绕组均是由两个同心的正方形线圈组成。

图2是本实施方式所述的一种初级结构示意图，图5是图2的D-D剖视图，该种结构 中的每相电枢绕组均是由三个同心的正方形线圈组成。

图3是本实施方式所述的一种初级结构示意图，图4是图3的A-A剖视图，该种结构 中的每相电枢绕组均是由两个同心的长方形线圈组成。

实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的同心式绕组结构永磁同步平面电 机的区别在于，所述初级还包括偏摆控制绕组，

偏摆控制绕组固定在平板形的初级基板2的气隙侧，且位于电枢绕组的四周，偏摆控 制绕组由X向偏摆控制绕组和Y向偏摆控制绕组组成，其中，

X向偏摆控制绕组由偶数个线圈组成，所述偶数个线圈均匀分成两组，属于同一组的 两个线圈的中心线位于一条直线上，且平行于X轴，所述线圈的有效边均平行于X轴，属 于同一组的多个线圈中相邻线圈的绕向相反，两组线圈分别位于电枢绕组的Y向两侧，且 对称分布，位于电枢绕组两侧同一位置的两个线圈的绕向相反，

Y向偏摆控制绕组由偶数个线圈组成，所述偶数个线圈均匀分成两组，属于同一组的 两个线圈的中心线位于一条直线上，且平行于Y轴，所述线圈的有效边均平行于Y轴，属 于同一组的多个线圈中相邻线圈的绕向相反，两组线圈分别位于电枢绕组的X向两侧，且 对称分布，位于电枢绕组两侧同一位置的两个线圈的绕向相反，

构成偏摆控制绕组的每个线圈的两个有效边中心线之间的距离与次级永磁体极距τ_m相 等，位于基板同一端两个线圈的中心线之间的距离其中i为大于2的自然数。

所述偏摆控制绕组用于控制次级的偏转角度和水平角度的，所述偏摆控制绕组可以采 用一个驱动器来驱动控制，也可采用多个控制器来控制。

当采用一个控制器控制时，可以将X向偏摆控制绕组的多个线圈顺次首尾相连后与控 制器连接，然后将Y向偏摆控制绕组的多个线圈顺次首尾相连后与控制器连接，所述控制 器根据实际需要同时控制X向偏摆控制绕组和Y向偏摆控制绕组。

当需要将X向或Y向偏摆控制绕组分别控制时，则可以将X向或Y向偏摆控制绕组 中的每个线圈分别采用驱动器控制。

参见图6和7所示，图6和7所示是本实施方式所述的一种初级结构，该种结构中， X向偏摆控制绕组由四个跑道形线圈组成，每两个线圈为一组，属于同一组的两个线圈的 中心线位于一条直线上，且平行于X轴，所述两个线圈的有效边均平行于X轴，属于同一 组的两个线圈的绕向相反，两组线圈分别位于电枢绕组的Y向两侧，且对称分布，位于初 级基板2对角上的两个线圈的绕向相反，

Y向偏摆控制绕组由四个跑道形线圈组成，每两个线圈为一组，属于同一组的两个线 圈的中心线位于一条直线上，且平行于Y轴，所述两个线圈的有效边均平行于Y轴，属于 同一组的两个线圈的绕向相反，两组线圈分别位于电枢绕组的X轴两侧，且对称分布，位 于初级基板2对角上的两个线圈的绕向相反，

具体实施方式一或二中所述的、构成电枢绕组的矩形线圈1，可以为长方形线圈，还 可以是正方形线圈，为了工艺方便，所述线圈的拐角处可以圆角。

具体实施方式一或二中所述的初级基板2可以由非磁性材料构成，也可以由磁性材料 构成。

实施方式三：本实施方式与具体实施方式二所述的同心式绕组结构永磁同步平面电 机的区别在于，所述的偏摆控制绕组线圈为长方形或跑道形，每个线圈两个端部之间的距 离L_e与次级永磁体极距τ_m之间满足如下关系：L_e＝2nτ_m，其中n为正整数，所述两个端部 是指线圈中的非有效边。

实施方式四：具体实施方式一、二或三所述的次级为表面永磁体结构、内嵌永磁体 结构、Halbach永磁体阵列结构或其它次级永磁体结构。

次级永磁体采用高性能的稀土永磁体。

具体实施方式一、二或三所述的相数可以为二相，也可以为三相、五相、六相等多相。 所述电机既可以为动初级结构，也可以为动次级结构。

实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一二、或三所述的同心式绕组结构永磁 同步平面电机的次级结构的进一步限定。本实施方式所述的次级包括次级轭板4和多个磁 极单元5，所述磁极单元5是底面为正方形的立方体，每个磁极单元5的气隙侧表面的对 角线均平行于X轴或Y轴，多个磁极单元5紧密排列并固定在次级轭板4的气隙侧，相邻 的磁极单元5的充磁方向相反；

每个磁极单元5由一块径向充磁的永磁体和中心磁极52组成，所述中心磁极52为轴 对称结构，该中心磁极52的轴截面为两个矩形组成的多边形，并且气隙侧的矩形小于另一 个矩形，所述中心磁极52的对称轴垂直于次级轭板4的表面，所述中心磁极52嵌入在径 向充磁的永磁体的中心，所述中心磁极52的高度与径向充磁的永磁体的高度相同，所述中 心磁极52的为径向充磁。

参见图16，是一种本实施方式所述的次级结构示意图。本实施方式中的中心磁极52 是有两块圆柱形永磁体叠加组成，参见图13和图14所示，所述两块圆柱形永磁体还可以 做成一体结构，即：所述中心次级采用一块永磁体实现，参见图13和图15所示。

实施方式六：参见图8、10、11和12说明本实施方式。本实施方式是对具体实施 方式一二、或三所述的同心式绕组结构永磁同步平面电机的次级结构的进一步限定。本实 施方式所述的次级包括次级轭板4和多个磁极单元5，所述次级单元为底面为正方形的立 方体，每个磁极单元5的对角线均平行于X轴或Y轴，多个磁极单元5紧密排列并固定在 次级轭板4的气隙侧，相邻的磁极单元5的充磁方向相反；

每个磁极单元5由四块平行充磁永磁体51、一块垂直充磁永磁体和一块聚磁体构成， 所述平行充磁是指充磁方向平行于永磁体气隙侧表面，所述垂直充磁是指充磁方向垂直于 永磁体气隙侧表面，垂直充磁永磁体和聚磁体均为底面为正方形的立方体，所述聚磁体的 底面小于垂直充磁永磁体的底面，该聚磁体堆叠在垂直充磁永磁体的正上方组成中心磁极 52，该中心磁极52位于磁极单元5的中心位置，四块平行充磁永磁体51为底面投影为等 腰梯形的不规则形状，所述等腰梯形的地角为45°，所述平行充磁永磁体51的高度与中 心磁极52的高度相等，所述四块平行充磁永磁体51分别位于中心磁极52的四周，并与中 心磁极52的外表面紧密接触，所述四块平行充磁的永磁体的充磁方向均为指向或者背离中 心磁极52，且所述充磁方向与X轴或Y轴平行。

实施方式七：参见图8、9、11和12说明本实施方式。本实施方式是对具体实施方 式一或二所述的同心式绕组结构永磁同步平面电机的次级结构的进一步限定。本实施方式 所述的次级包括次级轭板4和多个磁极单元5，所述次级单元为底面为正方形的立方体， 每个磁极单元5的对角线均平行于X轴或Y轴，多个磁极单元5紧密排列并固定在次级轭 板4的气隙侧，相邻的磁极单元5的充磁方向相反；

每个磁极单元5由四块径向充磁永磁体、一块垂直充磁永磁体和一块聚磁体构成，所 述径向充磁是指充磁方向平行于永磁体气隙侧表面并且均指向磁极单元5的中心，所述垂 直充磁是指充磁方向垂直于永磁体气隙侧表面，垂直充磁永磁体和聚磁体均为底面为正方 形的立方体，所述聚磁体的底面小于垂直充磁永磁体的底面，该聚磁体堆叠在垂直充磁永 磁体的正上方组成中心磁极52，该中心磁极52位于磁极单元5的中心位置，四块平行充 磁永磁体51为底面投影为等腰梯形的不规则形状，所述等腰梯形的地角为45°，所述平 行充磁永磁体51的高度与中心磁极52的高度相等，所述四块平行充磁永磁体51分别位于 中心磁极52的四周，并与中心磁极52的外表面紧密接触，所述四块平行充磁的永磁体的 充磁方向均为指向或者背离中心磁极52，且所述充磁方向与X轴或Y轴平行。

实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的同心式绕组结构永磁同步 平面电机的次级结构的进一步限定。本实施方式所述的次级包括次级轭板4和多个磁极单 元5，所述次级单元为底面为正方形的立方体，每个磁极单元5的对角线均平行于X轴或 Y轴，多个磁极单元5紧密排列并固定在次级轭板4的气隙侧，相邻的磁极单元5的充磁 方向相反；

每个磁极单元5由四块径向充磁永磁体和两块垂直充磁永磁体构成，所述径向充磁是 指充磁方向平行于永磁体气隙侧表面并且均指向磁极单元5的中心，所述垂直充磁是指充 磁方向垂直于永磁体气隙侧表面，所述两块垂直充磁永磁体均为底面为正方形的立方体， 其中一块垂直充磁永磁体的底面小于另一块垂直充磁永磁体的底面，两块垂直充磁永磁体 堆叠在一起组成中心磁极52，其中地面小的垂直永磁体位于上方，该中心磁极52位于磁 极单元5的中心位置，四块平行充磁永磁体51为底面投影为等腰梯形的不规则形状，所述 等腰梯形的地角为45°，所述平行充磁永磁体51的高度与中心磁极52的高度相等，所述 四块平行充磁永磁体51分别位于中心磁极52的四周，并与中心磁极52的外表面紧密接触， 所述四块平行充磁的永磁体的充磁方向均为指向或者背离中心磁极52，且所述充磁方向与 X轴或Y轴平行。

实施方式九：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的同心式绕组结构永磁同步 平面电机的次级结构的进一步限定。本实施方式所述的次级包括次级轭板4和多个磁极单 元5，所述次级单元为底面为正方形的立方体，每个磁极单元5的对角线均平行于X轴或 Y轴，多个磁极单元5紧密排列并固定在次级轭板4的气隙侧，相邻的磁极单元5的充磁 方向相反；

每个磁极单元5由四块平行充磁永磁体51和两块垂直充磁永磁体构成，所述平行充 磁是指充磁方向平行于永磁体气隙侧表面，所述垂直充磁是指充磁方向垂直于永磁体气隙 侧表面，所述两块垂直充磁永磁体均为底面为正方形的立方体，其中一块垂直充磁永磁体 的底面小于另一块垂直充磁永磁体的底面，两块垂直充磁永磁体堆叠在一起组成中心磁极 52，其中地面小的垂直永磁体位于上方，该中心磁极52位于磁极单元5的中心位置，四块 平行充磁永磁体51为底面投影为等腰梯形的不规则形状，所述等腰梯形的地角为45°， 所述平行充磁永磁体51的高度与中心磁极52的高度相等，所述四块平行充磁永磁体51分 别位于中心磁极52的四周，并与中心磁极52的外表面紧密接触，所述四块平行充磁的永 磁体的充磁方向均为指向或者背离中心磁极52，且所述充磁方向与X轴或Y轴平行。

具体实施方式五至九所述的电机结构中，组成中心磁极52的两块永磁体可以做成一 体结构。

实施方式十：本实施方式是对具体实施方式一、二或三所述的同心式绕组结构永磁 同步平面电机的次级结构的进一步限定。本实施方式所述的次级参见图18所示，该次级包 括次级轭板6和永磁体7，所述次级轭板6为平板结构，所述次级轭板6上均匀分有2i×2h 个永磁体单元格，其中i、h均为大于1的整数，永磁体7嵌入在所述永磁体单元格中，并 且所有永磁体7平行、垂直均不相邻，位于同一行或列的永磁体7的充磁方向相同，位于 相邻行或列的永磁体7的充磁方向相反。