专利名称：高功率密度两自由度电机的永磁体阵列的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高功率密度两自由度电机的永磁体阵列，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、高精度的两自由度平面驱 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，传动精 度和速度都受到限制，且需经常调校，造成成本高、可靠性差、体积较大。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，在两自由度平面驱动装置、 特别是精密两自由度平面驱动装置中具有广阔的应用前景。
图4所示为现有的一种永磁同步平面电机次级永磁体阵列结构。该永磁体 阵列由具有正方形截面形状的永磁体以两维阵列方式排列而成。其结构特点 是各行或各列由磁化方向一致(向上或向下)、等间隔(极距)排开的一组 永磁体构成，因此阵列的结构简单、制造方便、成本低。
但是，该永磁体阵列只利用了一半空间，因此采用该永磁体阵列的两自由 度电机的气隙磁密与功率密度低，而且由于电枢反应磁场直接作用于永磁体 上，当电流较大时，永磁体可能产生不可逆去磁。
发明内容
为了解决现有永磁同步平面电机次级永磁体阵列结构存在的由于空间利 用率低而带来的气隙磁密与功率密度低，当电枢电流较大时，永磁体可能产生 不可逆去磁的问题，本发明提出一种高功率密度两自由度电机的永磁体阵列。
本发明的高功率密度两自由度电机的永磁体阵列，它包括(m-l)X (n-l)个 永磁体，它还包括mXn个平板形导磁体，所述永磁体阵列中，每一行由n个平板形导磁体与n-l个永磁体间隔紧密排列组成，所述平板形导磁体与所述 永磁体沿Y轴方向的宽度相等，相邻的两个永磁体的充磁方向相反，且充磁 方向沿X轴方向；每一列由m个平板形导磁体与m-l个永磁体紧密排列组成， 所述平板形导磁体与所述永磁体沿X轴方向的长度相等，相邻的两个永磁体 的充磁方向相反，且充磁方向沿Y轴方向，所述平板形导磁体与永磁体沿Z 轴方向等高，并且沿X轴方向充磁的永磁体与沿Y轴方向充磁的永磁体的磁 化方向厚度相同；每个平板形导磁体与两个、三个或四个永磁体紧密相邻，当 所述两个、三个或四个永磁体的磁化方向均为指向所述平板形导磁体时，所述 平板形导磁体的磁力线方向沿Z轴向外；当所述两个、三个或四个永磁体的 磁化方向均为背向所述平板形导磁体时，所述平板形导磁体的磁化方向为沿Z 轴向内。
本发明还提供另一种高功率密度两自由度电机的永磁体阵列，它在前述技 术方案的基础之上，将磁力线方向沿Z轴向外的平板形导磁体置换成与其形 状相同的、且磁力线方向沿Z轴向外的平板形永磁体，将磁力线方向沿Z轴 向内的平板形导磁体置换成与其外形相同的、且磁力线方向沿Z轴向内的平
板形的永磁体。具体结构为它包括多个永磁体、多个平板形永磁体和多个平
板形导磁体，所述平板形永磁体与所述平板形导磁体外形相同，所述永磁体 阵列中，每一行由平板形永磁体、永磁体和平板形导磁体间隔紧密排列组成，
所述平板形永磁体与所述永磁体沿Y轴方向的宽度相等，相邻的两个永磁体 的充磁方向相反，且充磁方向沿X轴方向；每一列由平板形永磁体、永磁体
和平板形导磁体间隔紧密排列组成，所述平板形永磁体与所述永磁体沿x轴
方向的长度相等，相邻的两个永磁体的充磁方向相反，且充磁方向沿Y轴方 向，所述平板形永磁体与永磁体沿Z轴方向等高，并且沿X轴方向充磁的永 磁体与沿Y轴方向充磁的永磁体的磁化方向厚度相同；每个平板形永磁体与
两个、三个或四个永磁体紧密相邻，当所述两个、三个或四个永磁体的磁化方
向均为指向所述平板形永磁体时，所述平板形永磁体的磁力线方向沿z轴向
外；当所述两个、三个或四个永磁体的磁化方向均为背向所述平板形永磁体时， 所述平板形永磁体的磁化方向为沿Z轴向内。
本发明的永磁体阵列充分利用了阵列的空间，有效地提高了永磁体阵列的 气隙磁密与功率密度，提高系统的可靠性。现有的永磁体阵列，都是永磁体紧密连接，并且与电枢线圈隔气隙相对， 在电机工作过程中，电枢绕组中的电流产生的电枢反应磁场作用于永磁体阵 列，当所述电枢绕组中的电流比较大或者有突变时，会产生比较强的电枢反应 磁场作用于永磁体的某一小范围上，使所述永磁体产生不可逆去磁。本发明的 永磁体阵列中，在永磁体之间设置有导磁体，所述导磁体起到磁轭的作用，即 疏导磁场的作用，当电枢绕组中的电流比较大或者有突变时而产生较强的电枢 反应磁场作用于永磁体阵列时，本发明中的导磁体能够有效的分散磁场，防止 永磁体阵列的某一小范围内的电枢反应磁场强度过强，从而有效地避免了永磁 体产生不可逆去磁的问题。
本发明的两自由度电机的永磁体阵列，能够有效提高两自由度电机的气隙 磁密以及功率密度，并且避免了永磁体产生不可逆去磁的现象，进而提高了电 机系统的可靠性。本发明适用于现有的平面电机、球形电机以及直线-旋转电 机系统。
图1是具体实施方式
一所述的高功率密度两自由度电机的永磁体阵列的
结构示意图；图2是具体实施方式
二所述的高功率密度两自由度电机的永磁体 阵列的结构示意图；图3是具体实施方式
三所述的高功率密度两自由度电机的 永磁体阵列的结构示意图；图4是现有两自由度电机的永磁体阵列的结构示意 图。
具体实施例方式
具体实施方式
一、参见图1说明本实施方式。本实施方式所述的高功率 密度两自由度电机的永磁体阵列，它包括(m-l)X(n-l)个永磁体l，它还包括m Xn个平板形导磁体2，所述永磁体阵列中，每一行由n个平板形导磁体2与 n-l个永磁体1间隔紧密排列组成，所述平板形导磁体2与所述永磁体1沿Y 轴方向的宽度相等，相邻的两个永磁体1的充磁方向相反，且充磁方向沿X轴 方向；每一列由m个平板形导磁体2与m-l个永磁体1紧密排列组成，所述 平板形导磁体2与所述永磁体1沿X轴方向的长度相等，相邻的两个永磁体1 的充磁方向相反，且充磁方向沿Y轴方向，所述平板形导磁体2与永磁体1 沿Z轴方向等高，并且沿X轴方向充磁的永磁体与沿Y轴方向充磁的永磁体 的磁化方向厚度相同；每个平板形导磁体2与两个、三个或四个永磁体紧密相邻，当所述两个、三个或四个永磁体的磁化方向均为指向所述平板形导磁体2
时，所述平板形导磁体2的磁力线方向沿Z轴向外；当所述两个、三个或四个
永磁体的磁化方向均为背向所述平板形导磁体2时，所述平板形导磁体2的磁 化方向为沿Z轴向内。
本实施方式中的永磁体1可以采用高性能的稀土永磁体，平板形导磁体2 采用导磁性能好的铁磁材料。
具体实施方式
二、 参见图2说明本实施方式。本实施方式所述的高功率 密度两自由度电机的永磁体阵列与具体实施方式
一的区别在于，在与每个平板 形导磁体2的四个角相邻的空间位置上，嵌有条形永磁体3，所述条形永磁体 3和与其相邻的四个永磁体1都紧密相邻，所述条形永磁体3沿对角线方向平 行充磁，所述充磁方向指向与其相邻的、磁力线方向沿Z轴向内的平板形导磁 体2。
本实施方式中的永磁体1和条形永磁体3可以采用高性能的稀土永磁体， 平板形导磁体2采用导磁性能好的铁磁材料。
本实施方式中的条形永磁体3在阵列中的充磁方向同与其相邻的四个永磁 体l的充磁方向均成45。角。
具体实施方式
三、参见图3说明本实施方式。本实施方式所述的高功率 密度两自由度电机的永磁体阵列，是在具体实施方式
一或二的基础上，将磁力 线方向沿Z轴向外的平板形导磁体2置换成与其形状相同的、且磁力线方向沿 Z轴向外的平板形永磁体1 ，将磁力线方向沿Z轴向内的平板形导磁体2置换 成与其外形相同的、且磁力线方向沿Z轴向内的平板形的永磁体1，具体结构 为
它包括多个永磁体l、多个平板形永磁体4和多个平板形导磁体2，所述 平板形永磁体4与所述平板形导磁体1外形相同，所述永磁体阵列中，每一 行由平板形永磁体4、永磁体1和平板形导磁体2间隔紧密排列组成，所述平 板形永磁体4与所述永磁体1沿Y轴方向的宽度相等，相邻的两个永磁体1 的充磁方向相反，且充磁方向沿X轴方向；每一列由平板形永磁体4、永磁体 1和平板形导磁体2间隔紧密排列组成，所述平板形永磁体4与所述永磁体1 沿X轴方向的长度相等，相邻的两个永磁体1的充磁方向相反，且充磁方向沿 Y轴方向，所述平板形永磁体4与永磁体1沿Z轴方向等高，并且沿X轴方向充磁的永磁体1与沿Y轴方向充磁的永磁体1的磁化方向厚度相同；每个平 板形永磁体4与两个、三个或四个永磁体1紧密相邻，当所述两个、三个或四 个永磁体1的磁化方向均为指向所述平板形永磁体4时，所述平板形永磁体4
的磁力线方向沿Z轴向外；当所述两个、三个或四个永磁体1的磁化方向均为
背向所述平板形永磁体4时，所述平板形永磁体4的磁化方向为沿Z轴向内。
本实施方式中，将部分平板形永磁体4置换成与其外形结构相同的平板形 导磁体2，提高了永磁体阵列的磁感应强度。
本实施方式中的的永磁体1和平板形永磁体4可采用高性能的稀土永磁 体，平板形导磁体2可采用导磁性能好的铁磁材料。
具体实施方式
四、本实施方式所述的高功率密度两自由度电机的永磁体 阵列与具体实施方式
三的区别在于，在与每个平板形永磁体4的四个角相邻的 空间位置上，嵌有条形永磁体3，所述条形永磁体3和与其相邻的四个永磁体 l都紧密相邻，所述条形永磁体3沿对角线方向平行充磁，所述充磁方向指向 与其相邻的、磁力线方向沿Z轴向内的平板形永磁体4。
本实施方式中所述的永磁体1、平板形永磁体4和条形永磁体3可以采用 高性能的稀土永磁体。
权利要求
1、一种高功率密度两自由度电机的永磁体阵列，它包括(m-1)×(n-1)个永磁体(1)，其特征在于，它还包括m×n个平板形导磁体(2)，所述永磁体阵列中，每一行由n个平板形导磁体(2)与n-1个永磁体(1)间隔紧密排列组成，所述平板形导磁体(2)与所述永磁体(1)沿Y轴方向的宽度相等，相邻的两个永磁体(1)的充磁方向相反，且充磁方向沿X轴方向；每一列由m个平板形导磁体(2)与m-1个永磁体(1)紧密排列组成，所述平板形导磁体(2)与所述永磁体(1)沿X轴方向的长度相等，相邻的两个永磁体(1)的充磁方向相反，且充磁方向沿Y轴方向，所述平板形导磁体(2)与永磁体(1)沿Z轴方向等高，并且沿X轴方向充磁的永磁体(1)与沿Y轴方向充磁的永磁体(1)的磁化方向厚度相同；每个平板形导磁体(2)与两个、三个或四个永磁体(1)紧密相邻，当所述两个、三个或四个永磁体(1)的磁化方向均为指向所述平板形导磁体(2)时，所述平板形导磁体(2)的磁力线方向沿Z轴向外；当所述两个、三个或四个永磁体的磁化方向均为背向所述平板形导磁体(2)时，所述平板形导磁体(2)的磁化方向为沿Z轴向内。
2、 根据权利要求1所述的一种高功率密度两自由度电机的永磁体阵列， 其特征在于，在与每个平板形导磁体(2)的四个角相邻的空间位置上，嵌有 条形永磁体(3)，所述条形永磁体(3)和与其相邻的四个永磁体(1)都紧密 相邻，所述条形永磁体(3)沿对角线方向平行充磁，所述充磁方向指向与其 相邻的、磁力线方向沿Z轴向内的平板形导磁体(2)。
3、 根据权利要求1所述的高功率密度两自由度电机的永磁体阵列，其 特征在于永磁体(1)采用稀土永磁体。
4、 根据权利要求1或2所述的高功率密度两自由度电机的永磁体阵列， 其特征在于平板形导磁体(2)为铁磁材料。
5、 根据权利要求2所述的高功率密度两自由度电机的永磁体阵列，其 特征在于条形永磁体(3)采用稀土永磁体。
6、 一种高功率密度两自由度电机的永磁体阵列，它包括多个永磁体 (1),其特征在于，它还包括多个平板形永磁体(4)和多个平板形导磁体(2),所述平板形永磁体(4)与所述平板形导磁体(1)外形相同，所述永磁体阵 列中，每一行由平板形永磁体(4)、永磁体(1)和平板形导磁体(2)间隔紧 密排列组成，所述平板形永磁体(4)与所述永磁体(1)沿Y轴方向的宽度相等，相邻的两个永磁体(1)的充磁方向相反，且充磁方向沿X轴方向；每 一列由平板形永磁体(4)、永磁体(1)和平板形导磁体(2)间隔紧密排列组成，所述平板形永磁体(4)与所述永磁体(1)沿X轴方向的长度相等，相 邻的两个永磁体(1)的充磁方向相反，且充磁方向沿Y轴方向，所述平板形 永磁体(4)与永磁体(1)沿Z轴方向等高，并且沿X轴方向充磁的永磁体 (1)与沿Y轴方向充磁的永磁体(1)的磁化方向厚度相同；每个平板形永 磁体(4)与两个、三个或四个永磁体(1)紧密相邻，当所述两个、三个或四 个永磁体(1)的磁化方向均为指向所述平板形永磁体(4)时，所述平板形永 磁体(4)的磁力线方向沿Z轴向外；当所述两个、三个或四个永磁体(1) 的磁化方向均为背向所述平板形永磁体(4)时，所述平板形永磁体(4)的磁 化方向为沿Z轴向内。
7、 根据权利要求6所述的高功率密度两自由度电机的永磁体阵列，其 特征在于，在与每个平板形永磁体(4)或每个平板形导磁体(2)的四个角相 邻的空间位置上，嵌有条形永磁体(3)，所述条形永磁体(3)和与其相邻的 四个永磁体(1)都紧密相邻，所述条形永磁体(3)沿对角线方向平行充磁， 所述充磁方向指向与其相邻的、磁力线方向沿Z轴向内的平板形永磁体(4)。
8、 根据权利要求7所述的高功率密度两自由度电机的永磁体阵列，其 特征在于，所述条形永磁体(3)采用稀土永磁体。
9、 根据权利要求6、 7或8所述的高功率密度两自由度电机的永磁体阵 列，其特征在于，所述永磁体(1)和平板形永磁体(4)均采用稀土永磁体。
10、 根据权利要求6、 7、 8所述的高功率密度两自由度电机的永磁体阵 列，其特征在于所述平板形导磁体(2)为铁磁材料。
全文摘要
一种高功率密度两自由度电机的永磁体阵列，属于电机领域。它解决了现有永磁体阵列存在的气隙磁密以及功率密度低，永磁体产生不可逆去磁的问题。本发明的永磁体阵列由永磁体与导磁体构成，每一行由n个导磁体与(n-1)个永磁体紧密排列构成，与每个导磁体相邻的两个永磁体的充磁方向相反，且充磁方向沿X方向；每一列由m个导磁体与(m-1)个永磁体紧密排列构成，与每个导磁体相邻的两个永磁体的充磁方向相反，且充磁方向沿Y方向，所有导磁体与永磁体沿X向、Y向均等长排列，并且沿Z方向等高，X方向充磁的永磁体与Y方向充磁的永磁体磁化方向厚度相同。本发明的永磁体阵列适用于现有两自由度的平面电机、球形电机以及直线-旋转电机。
文档编号H02K15/03GK101615826SQ20091007206
公开日2009年12月30日 申请日期2009年5月19日 优先权日2009年5月19日
发明者寇宝泉, 赫 张, 鲁 张 申请人:哈尔滨工业大学