本发明涉及一种永磁同步电机，具体涉及一种轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机。
背景技术：
旋转-直线执行器是一类能够输出旋转、直线和螺旋运动的两自由度电机的总称。现有的旋转-直线执行器从工作原理上分，主要是感应式、磁阻式和永磁式三类。从结构特点上分，主要是两类，一类由相对独立的旋转和直线运动部分组成，两部分具有独立的激磁、磁路互相解耦，最常见的形式是旋转电机和直线电机在轴线或径向方向的某种组合，这种结构往往导致整机尺寸过大、材料利用率较低；另一类旋转和直线运动部分具有共同的激磁、磁路间存在耦合，其控制相对复杂，往往需要研究转矩和推力的解耦控制。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，结构紧凑，控制简单，容错能力强，工作效率高。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：
所述轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，包括定子和转子，转子位于圆环形的定子内侧，所述转子包括导磁转轴以及其表面交替分布的极性为n和s的永磁体片，所述定子包括沿导磁转轴并排设置的定子i和定子ⅱ，定子i包括定子铁芯i和定子绕组i，所述定子铁芯i上开有螺旋齿槽，所述螺旋齿槽的旋向与电机轴线的正方向间为右手螺旋关系，定子铁芯i的螺旋齿槽内均绕制分数槽集中绕组，定子ⅱ包括定子铁芯ⅱ和定子绕组ⅱ，所述定子铁芯ⅱ上开有螺旋齿槽，所述螺旋齿槽的旋向与电机轴线的正方向间为左手螺旋关系，定子铁芯i和定子铁芯ⅱ的螺旋齿槽内均绕制分数槽集中绕组，绕组的相序按顺时针方向依次为a、d、c、f、b、e六相，六相绕组采用六相双y移30°绕组结构。
本发明定子采用螺旋齿槽和绕组，转子结构为表贴棋盘式永磁体阵列的导磁转轴。定子绕组i通入两种相序的六相对称电流时，将产生固定转矩推力比的正、反向左手螺旋运动；定子绕组ⅱ通入两种相序的六相对称电流时，将产生固定转矩推力比的正、反向右手螺旋运动。定子i、ⅱ同时通入大小相等、特定相序的对称六相电流时，两个定子产生的转矩或推力分量因等大反向而抵消，余下推力或转矩分量等大同向而相互增强，从而产生纯直线或纯旋转运动。
优选地，所述定子铁芯i设有12个螺旋齿槽，12个螺旋齿槽按顺时针方向依次编号为1-12，a相绕组包括a’相绕组和a”相绕组，所述a’相绕组上层边在1号槽、下层边在2号槽，a”相绕组上层边在7号槽、下层边在8号槽，a’相和a”相两相带的下层边相连使其共同组成a相绕组；d相绕组包括d’相绕组和d”相绕组，所述d”相绕组上层边在2号槽、下层边在3号槽，d’相绕组上层边在8号槽、下层边在9号槽，d’相和d”相两相带的下层边相连使其共同组成d相绕组；b相绕组包括b’相绕组和b”相绕组，所述b”相绕组上层边在3号槽、下层边在4号槽，b’相绕组上层边在9号槽、下层边在10号槽，b’相和b”相两相带的下层边相连使其共同组成b相绕组；e相绕组包括e’相绕组和e”相绕组，所述e’相绕组上层边在4号槽、下层边在5号槽，e”相绕组上层边在10号槽、下层边在11号槽，e’相和e”相两相带的下层边相连使其共同组成e相绕组；c相绕组包括c’相绕组和c”相绕组，所述c’相绕组上层边在5号槽、下层边在6号槽，c”相绕组上层边在11号槽、下层边在12号槽，c’相和c”相两相带的下层边相连使其共同组成c相绕组；f相绕组包括f’相绕组和f”相绕组，所述f’相绕组上层边在12号槽、下层边在1号槽，f”相绕组上层边在6号槽、下层边在7号槽，f’相和f”相两相带的下层边相连使其共同组成f相绕组。
优选地，所述定子铁芯ⅱ设有12个螺旋齿槽，12个螺旋齿槽按逆时针依次编号为1-12，a相绕组包括a’相绕组和a”相绕组，所述a’相绕组上层边在1号槽、下层边在2号槽，a”相绕组上层边在7号槽、下层边在8号槽，a’相和a”相两相带的下层边相连使其共同组成a相绕组；d相绕组包括d’相绕组和d”相绕组，所述d”相绕组上层边在2号槽、下层边在3号槽，d’相绕组上层边在8号槽、下层边在9号槽，d’相和d”相两相带的下层边相连使其共同组成d相绕组；b相绕组包括b’相绕组和b”相绕组，所述b”相绕组上层边在3号槽、下层边在4号槽，b’相绕组上层边在9号槽、下层边在10号槽，b’相和b”相两相带的下层边相连使其共同组成b相绕组；e相绕组包括e’相绕组和e”相绕组，所述e’相绕组上层边在4号槽、下层边在5号槽，e”相绕组上层边在10号槽、下层边在11号槽，e’相和e”相两相带的下层边相连使其共同组成e相绕组；c相绕组包括c’相绕组和c”相绕组，所述c’相绕组上层边在5号槽、下层边在6号槽，c”相绕组上层边在11号槽、下层边在12号槽，c’相和c”相两相带的下层边相连使其共同组成c相绕组；f相绕组包括f’相绕组和f”相绕组，所述f’相绕组上层边在12号槽、下层边在1号槽，f”相绕组上层边在6号槽、下层边在7号槽，f’相和f”相两相带的下层边相连使其共同组成f相绕组。
优选地，所述定子设置在机壳内部，机壳两端分别固定连接定子端板，定子端板通过轴套和轴承与导磁转轴连接。
优选地，所述轴套采用石墨烯轴套，所述轴承采用石墨滑动轴承，石墨烯轴套具有抗腐蚀、抗高温等优点，石墨滑动轴承具有润滑性能较好，摩擦损耗小等优点，使用寿命长。
优选地，所述转子上的永磁体为十极结构，每圈永磁体包括五块永磁体n和五块永磁体s。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明除具有永磁电机效率高、功率和出力密度高等优点外，还具有其他螺旋电机所不具备的结构紧凑和可容错运行等优点。定子采用螺旋齿槽和螺旋绕组，单个定子通入六相对称正弦电流时，产生螺旋推进的行波磁场，与转子的棋盘式永磁体阵列相互作用同时产生圆周方向的电磁转矩和轴向方向的电磁推力，即单个定子的激励就能够产生螺旋运动，两个定子同时激励时还可产生旋转和直线运动，特别适用运动形式为螺旋的直接驱动应用场合。
电动机输出旋转或直线运动时，不需要执行复杂的转矩和推力解耦控制算法。而只需要根据旋转或直线运动的速度和方向，在定子i和定子ⅱ的绕组中通入相同频率和幅值、特定相序的六相对称正弦电流，其控制思路大大简化。另外，电机定子铁芯所需的螺旋齿槽结构可以通过传统的分数槽集中绕组旋转电机冲片通过片与片之间错开一定角度装叠而成，与一些旋转-直线执行器的特殊结构铁芯相比，在制造上难度较低。电机六相绕组其中任意一相绕组发生断路故障时，仍能实现电机的正常运行，增加了电机的可靠性。
附图说明
图1为本发明结构图。
图2为转子的永磁体排布和充磁方向示意图。
图3为定子铁芯i俯视图。
图4图3中a-a剖视图。
图5定子铁芯i立体图。
图6定子绕组i结构图之一。
图7定子绕组i结构图之二。
图8槽电动势星形图。
图9定子绕组展开图。
图10为定子铁芯ⅱ俯视图。
图11图10中a-a剖视图。
图12定子铁芯ⅱ立体图。
图13定子绕组ⅱ结构图之一。
图14定子绕组ⅱ结构图之二。
图15双y移30°相带图。
图中：1、轴承；2、轴套；3、定子端板；4、机壳；5、定子铁芯i；6、定子绕组i；7、永磁体n，8、永磁体s；9、导磁轴承；10、定子铁芯ⅱ；11、定子绕组ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例做进一步描述：
实施例1
如图1-2所示，本实施例所述轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，包括定子和转子，转子位于圆环形的定子内侧，所述转子包括导磁转轴9以及其表面交替分布的极性为n和s的永磁体片，所述定子包括沿导磁转轴9并排设置的定子i和定子ⅱ，定子i包括定子铁芯i5和定子绕组i6，所述定子铁芯i5上开有螺旋齿槽，所述螺旋齿槽的旋向与电机轴线的正方向间为右手螺旋关系，定子铁芯i5的螺旋齿槽内均绕制分数槽集中绕组，定子ⅱ包括定子铁芯ⅱ10和定子绕组ⅱ11，所述定子铁芯ⅱ10上开有螺旋齿槽，所述螺旋齿槽的旋向与电机轴线的正方向间为左手螺旋关系，定子铁芯i5和定子铁芯ⅱ10的螺旋齿槽内均绕制分数槽集中绕组，绕组的相序按顺时针方向依次为a、d、c、f、b、e六相，六相绕组采用六相双y移30°绕组结构。
其中，定子和转子设置在机壳4内部，机壳4两端分别固定连接定子端板3，定子端板3通过轴套2和轴承1与导磁转轴9连接；轴套2采用石墨烯轴套，所述轴承1采用石墨滑动轴承，石墨烯轴套具有抗腐蚀、抗高温等优点，石墨滑动轴承具有润滑性能较好，摩擦损耗小等优点，使用寿命长；转子上的永磁体为十极结构，每圈永磁体包括五块永磁体n7和五块永磁体s8，轴向上装贴的永磁体圈数视电机需要的轴向行程而定。
如图3-9所示，定子铁芯i设有12个螺旋齿槽，12个螺旋齿槽按顺时针方向依次编号为1-12，a相绕组包括a’相绕组和a”相绕组，所述a’相绕组上层边在1号槽、下层边在2号槽，a”相绕组上层边在7号槽、下层边在8号槽，a’相和a”相两相带的下层边相连使其共同组成a相绕组；d相绕组包括d’相绕组和d”相绕组，所述d”相绕组上层边在2号槽、下层边在3号槽，d’相绕组上层边在8号槽、下层边在9号槽，d’相和d”相两相带的下层边相连使其共同组成d相绕组；b相绕组包括b’相绕组和b”相绕组，所述b”相绕组上层边在3号槽、下层边在4号槽，b’相绕组上层边在9号槽、下层边在10号槽，b’相和b”相两相带的下层边相连使其共同组成b相绕组；e相绕组包括e’相绕组和e”相绕组，所述e’相绕组上层边在4号槽、下层边在5号槽，e”相绕组上层边在10号槽、下层边在11号槽，e’相和e”相两相带的下层边相连使其共同组成e相绕组；c相绕组包括c’相绕组和c”相绕组，所述c’相绕组上层边在5号槽、下层边在6号槽，c”相绕组上层边在11号槽、下层边在12号槽，c’相和c”相两相带的下层边相连使其共同组成c相绕组；f相绕组包括f’相绕组和f”相绕组，所述f’相绕组上层边在12号槽、下层边在1号槽，f”相绕组上层边在6号槽、下层边在7号槽，f’相和f”相两相带的下层边相连使其共同组成f相绕组。
如图10-14所示，定子铁芯ⅱ设有12个螺旋齿槽，12个螺旋齿槽按逆时针依次编号为1-12，a相绕组包括a’相绕组和a”相绕组，所述a’相绕组上层边在1号槽、下层边在2号槽，a”相绕组上层边在7号槽、下层边在8号槽，a’相和a”相两相带的下层边相连使其共同组成a相绕组；d相绕组包括d’相绕组和d”相绕组，所述d”相绕组上层边在2号槽、下层边在3号槽，d’相绕组上层边在8号槽、下层边在9号槽，d’相和d”相两相带的下层边相连使其共同组成d相绕组；b相绕组包括b’相绕组和b”相绕组，所述b”相绕组上层边在3号槽、下层边在4号槽，b’相绕组上层边在9号槽、下层边在10号槽，b’相和b”相两相带的下层边相连使其共同组成b相绕组；e相绕组包括e’相绕组和e”相绕组，所述e’相绕组上层边在4号槽、下层边在5号槽，e”相绕组上层边在10号槽、下层边在11号槽，e’相和e”相两相带的下层边相连使其共同组成e相绕组；c相绕组包括c’相绕组和c”相绕组，所述c’相绕组上层边在5号槽、下层边在6号槽，c”相绕组上层边在11号槽、下层边在12号槽，c’相和c”相两相带的下层边相连使其共同组成c相绕组；f相绕组包括f’相绕组和f”相绕组，所述f’相绕组上层边在12号槽、下层边在1号槽，f”相绕组上层边在6号槽、下层边在7号槽，f’相和f”相两相带的下层边相连使其共同组成f相绕组。
定子铁芯i5的齿槽旋向与电机轴线的正方向间为右手螺旋关系，共12槽，按照顺时针方向，槽内依次为a、d、c、f、b、e六相绕组，abc三个相带彼此相差120°，def三个相带分别滞后于abc相带30°，由此组成了双y移30°的相带分布，相带分布图如图15所示，槽电动势星形图如图8所示，绕组分布类型为叠绕组，每相占据4个槽，即2对节距为1的集中绕组线圈。
当定子绕组i6中通入六相对称、且相序为a-e-b-f-c-d的正弦电流时，将产生运动方向与轴线成螺旋关系的行波磁场，该磁场可分解为圆周方向和轴线方向同时推移的行波磁场。而转子永磁体阵列在圆周和轴线两个垂直的方向同时产生交变的磁场，定子磁场的两个分量分别与转子永磁体产生的两个方向的交变磁场相互作用，就同时产生了圆周方向的电磁转矩和轴线方向的电磁推力，从而转子输出螺旋运动，且旋向与电机轴线为左手螺旋关系。定子绕组i6中通入相序为a-d-c-f-b-e的六相对称正弦电流时，转矩和推力同时反向，转子仍将输出左手螺旋运动。定子ii与定子i的区别仅在于其螺旋齿槽旋向相反，与定子轴线的正方向间为左手螺旋关系，定子铁芯ⅱ10按照顺时针方向依次为a、c、b三相。定子绕组ⅱ11通入两种相序的六相对称正弦电流时，转子将输出两个方向的右手螺旋运动。因此，定子i、定子ⅱ单独通电时，按照通电相序的不同，将分别输出正向、反向的左手和右手螺旋运动，即实现了两自由度运动中不同方向旋转和直线运动的任意组合。
纯旋转运动和纯直线运动由定子i和定子ⅱ同时激励实现。定子i通入相序为a-e-b-f-c-d的六相对称正弦电流时，将产生正方向的转矩和负方向的推力；定子ⅱ通入相序为a-e-b-f-c-d的六相对称正弦电流时，将产生负方向的转矩和负方向的推力。定子i和ⅱ的绕组同时通入上述相序、幅值和频率均相等的六相对称正弦电流时，两个定子产生的转矩将因等大方向而相互抵消，推力则因等大同向而相互叠加，因此转子将输出负方向的直线运动。类似地，在定子绕组i6和定子绕组ⅱ11通入的相电流幅值和频率相等的条件下，相应改变其相序，还可以输出正方向的直线运动、正方向的旋转运动以及负方向的旋转运动。至此，该电机各方向螺旋运动、旋转运动和直线运动的都已实现，是一种名副其实的两自由度、旋转-直线运动永磁执行器。
对于电机的容错属性，具体来说，当定子i或定子ⅱ的六相绕组中任意一相开路甚至每个定子中有两相开路故障时，该电机通过调节剩余几相输入电流的幅值和相位，使得剩余几相电流仍然能够产生正向圆形旋转的磁动势从而使电机恢复正常运行当定子i或定子ⅱ的六相绕组中任意一相开路甚至每个定子中有两相开路故障时，该电机通过调节剩余几相输入电流的幅值和相位，使得剩余几相电流仍然能够产生正向圆形旋转的磁动势从而使电机恢复正常运行。
1.一种轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，包括定子和转子，转子位于圆环形的定子内侧，其特征在于，所述转子包括导磁转轴(9)以及其表面交替分布的极性为n和s的永磁体片，所述定子包括沿导磁转轴(9)并排设置的定子i和定子ⅱ，定子i包括定子铁芯i(5)和定子绕组i(6)，所述定子铁芯i(5)上开有螺旋齿槽，所述螺旋齿槽的旋向与电机轴线的正方向间为右手螺旋关系，定子铁芯i(5)的螺旋齿槽内均绕制分数槽集中绕组，定子ⅱ包括定子铁芯ⅱ(10)和定子绕组ⅱ(11)，所述定子铁芯ⅱ(10)上开有螺旋齿槽，所述螺旋齿槽的旋向与电机轴线的正方向间为左手螺旋关系，定子铁芯i(5)和定子铁芯ⅱ(10)的螺旋齿槽内均绕制分数槽集中绕组，绕组的相序按顺时针方向依次为a、d、c、f、b、e六相，六相绕组采用六相双y移30°绕组结构。
2.根据权利要求1所述的轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，其特征在于，绕组a、b、c三相带依次相差120°，绕组d、e、f三相带分别依次滞后于a、b、c三相带30°。
3.根据权利要求1或2所述的轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，其特征在于，所述定子铁芯i(5)设有12个螺旋齿槽，12个螺旋齿槽按顺时针方向依次编号为1-12，a相绕组包括a’相绕组和a”相绕组，所述a’相绕组上层边在1号槽、下层边在2号槽，a”相绕组上层边在7号槽、下层边在8号槽，a’相和a”相两相带的下层边相连使其共同组成a相绕组；d相绕组包括d’相绕组和d”相绕组，所述d”相绕组上层边在2号槽、下层边在3号槽，d’相绕组上层边在8号槽、下层边在9号槽，d’相和d”相两相带的下层边相连使其共同组成d相绕组；b相绕组包括b’相绕组和b”相绕组，所述b”相绕组上层边在3号槽、下层边在4号槽，b’相绕组上层边在9号槽、下层边在10号槽，b’相和b”相两相带的下层边相连使其共同组成b相绕组；e相绕组包括e’相绕组和e”相绕组，所述e’相绕组上层边在4号槽、下层边在5号槽，e”相绕组上层边在10号槽、下层边在11号槽，e’相和e”相两相带的下层边相连使其共同组成e相绕组；c相绕组包括c’相绕组和c”相绕组，所述c’相绕组上层边在5号槽、下层边在6号槽，c”相绕组上层边在11号槽、下层边在12号槽，c’相和c”相两相带的下层边相连使其共同组成c相绕组；f相绕组包括f’相绕组和f”相绕组，所述f’相绕组上层边在12号槽、下层边在1号槽，f”相绕组上层边在6号槽、下层边在7号槽，f’相和f”相两相带的下层边相连使其共同组成f相绕组。
4.根据权利要求1或2所述的轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，其特征在于，所述定子铁芯ⅱ(10)设有12个螺旋齿槽，12个螺旋齿槽按逆时针依次编号为1-12，a相绕组包括a’相绕组和a”相绕组，所述a’相绕组上层边在1号槽、下层边在2号槽，a”相绕组上层边在7号槽、下层边在8号槽，a’相和a”相两相带的下层边相连使其共同组成a相绕组；d相绕组包括d’相绕组和d”相绕组，所述d”相绕组上层边在2号槽、下层边在3号槽，d’相绕组上层边在8号槽、下层边在9号槽，d’相和d”相两相带的下层边相连使其共同组成d相绕组；b相绕组包括b’相绕组和b”相绕组，所述b”相绕组上层边在3号槽、下层边在4号槽，b’相绕组上层边在9号槽、下层边在10号槽，b’相和b”相两相带的下层边相连使其共同组成b相绕组；e相绕组包括e’相绕组和e”相绕组，所述e’相绕组上层边在4号槽、下层边在5号槽，e”相绕组上层边在10号槽、下层边在11号槽，e’相和e”相两相带的下层边相连使其共同组成e相绕组；c相绕组包括c’相绕组和c”相绕组，所述c’相绕组上层边在5号槽、下层边在6号槽，c”相绕组上层边在11号槽、下层边在12号槽，c’相和c”相两相带的下层边相连使其共同组成c相绕组；f相绕组包括f’相绕组和f”相绕组，所述f’相绕组上层边在12号槽、下层边在1号槽，f”相绕组上层边在6号槽、下层边在7号槽，f’相和f”相两相带的下层边相连使其共同组成f相绕组。
5.根据权利要求1所述的轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，其特征在于，所述定子i和定子ⅱ设置在机壳(4)内部，机壳(4)两端分别固定连接定子端板(3)，定子端板(3)通过轴套(2)和轴承(1)与导磁转轴(9)连接。
6.根据权利要求5所述的轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，其特征在于，所述轴套(2)采用石墨烯轴套，所述轴承(1)采用石墨滑动轴承。
7.根据权利要求1所述的轴向级联双定子两自由度运动的永磁同步电动机，其特征在于，所述转子上的永磁体为十极结构。
技术总结