高动态动磁式的直线旋转一体式二自由度电机的制作方法与工艺

本发明涉及电机，尤其涉及一种高动态动磁式的直线旋转一体式二自由度电机。

背景技术：
现有的电机一般只能提供单自由度的旋转运动（旋转电机）或者直线运动（直线电机），而直线旋转二自由度电机可以在一个电机里实现二自由度的直线和旋转复合运动。在医疗、半导体封装、航空等领域，存在大量的二自由度直线旋转复合运动需求，并且要求运动驱动部件体积小，重量轻。传统的实现方案是建立两套独立的电机系统及其传动装置分别驱动直线和旋转运动，系统体积大，响应较慢。现代工业的迅速发展对各类运动系统的响应速度、定位精度提出更高更苛刻的要求，传统的两套独立电机系统分别驱动直线和旋转运动的方案，其缺陷已经越来越明显，迫切需要体积紧凑、性能优异、运动平滑的直线旋转二自由度电机。针对二自由度直线旋转复合运动，传统的实现方案是建立两套独立的电机系统及其传动装置分别驱动直线和旋转运动，系统体积大，响应较慢。此外，实用新型专利《高频直线旋转电机》（专利号：201020582357.2，公开号：201830127U）提供了一种新型实现方式，该专利的直线旋转电机的直线运动部分和旋转运动部分分别是一个直线音圈电机和一个小型旋转伺服电机。该发明的工作原理是：将旋转电机装在线性导轨的滑块上，然后由直线音圈推动滑块带动旋转电机整体直线运动，所以，从旋转电机延长出的输出轴就可以同时输出直线和旋转运动。根据该专利描述，这种高频直线旋转电机具有快速、平滑、无嵌齿、无滞后响应的特性，可以实现高频高精度的运动。另外一种直线旋转电机实现方案是直线旋转混合运动步进电机。发明专利《双径向磁场反应式直线旋转步进电机》（专利号：200810042746.3，公开号：101355290A）提供了一种步进电机实现方式，该专利的直线旋转电机的定子是由直线步进电机和旋转步进电机的定子合并而成，动子铁芯由叠压的硅钢片形成小齿均匀分布的圆柱形。该发明的工作原理和步进电机相同，动子在定子的产生的磁阻变化下可作直线或旋转运动。根据该专利描述，这种直线旋转步进电机具有机结构简单，加工工艺简单，控制简单，传动刚度大，成本低的优点。中国专利《一种动磁式直线旋转二自由度电机》（专利号：2011104202009，公开号：102497080A）提供了一种直线旋转二自由度电机，该专利中动子由直线动子和旋转动子串联构成电机动子。旋转动子旋转时直线动子旋转，直线动子直线运动时推拉旋转动子直线运动，是少有的能够实现直线旋转复合运动的电机专利。电机直线运动时定子部分采用无刷绕组和音圈绕组，整个电机结构紧凑，体积小，动子无需引流电线和电刷，实现了直线旋转电机的一体化。实用新型专利《高频直线旋转电机》（专利号：201020582357.2，公开号：201830127U）的直线旋转电机本质上只是将两个单自由度电机安装在一起，并非真正意义上的一体式直线旋转二自由度电机，体积仍然较大。步进式的直线旋转电机继承了步进电机的缺点。直线旋转步进电机一般采用开环控制，所以运动精度相对低。直线旋转步进电机存在步距角和步距，不适合微行程高响应的运动场合，而且运动平滑性比电磁式电机差，容易产生丢步和过冲现象。在低速运动时，有振荡，噪声大。在电机实现方式上，根据结构的不同，电机可以分为动磁式、动圈式和动铁式三类。动铁式电机由定子（线圈及磁轭）提供磁源，动子由软铁构成，一般设计成实心以传递磁通，质量较大，而且运动复位误差较大，所以不适用于快速频繁往复运动的场合。动圈式电机的运动部分主体是线圈，在定子磁场作用下运动，其运动部分质量轻。但是由于通电动子线圈在定子产生的磁场中运动，所以动子线圈必须要有引流电线或者电刷。动磁式电机的运动部分主要是磁铁和磁轭，在定子磁场作用下运动，运动部分质量介于动铁式和动圈式之间，但是动子无需引流电线和电刷。现有的直线或者旋转电机技术中，动铁式电机由于动子质量大，不适用于需要高加速、快速频繁往复运动的工作场合。动圈式直线或旋转电机能够实现高加速度，但是动子线圈必须延伸出引流用的电线或者电刷，当线圈在气隙中长时间快速频繁往复运动时，会导致电线接口处金属疲劳而挠断，并且电流产生的焦耳热也很难散出，线圈不能通入大电流，从而限制了电机的输出推力和扭矩。动磁式电机具有结构简单紧凑、运动部分质量/惯量较小、无电刷无引流线、寿命长的优点，并且随着铷铁硼等具有高磁通量新型永磁材料的广泛应用，动磁式电机使用少量的磁铁就能产生较大的力（力矩），从而能够实现大加速度。在中国专利《一种动磁式直线旋转二自由度电机》（专利号：2011104202009，公开号：102497080A）提供的直线旋转二自由度电机，虽然实现了直线旋转电机的一体化，但在动子结构上，直线动子与旋转动子串联，安装时需要分别安装直线动子和旋转动子，而且直线动子部分和旋转动子部分都带有磁轭，会导致整体动子的质量较大，影响电机动态性能。另外，环形旋转动子内侧无支撑，只靠一个杯状隔磁座与直线动子连接，不仅进一步增加了动子质量，而且电机在水平安装的时候，动子处于悬臂梁状态，需要承受自身重力引起的弯矩，容易产生变形，导致电机转矩输出不均匀，也影响电机的长期可靠性。

技术实现要素：
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种高动态动磁式的直线旋转一体式二自由度电机。本发明提供了一种高动态动磁式的直线旋转一体式二自由度电机，包括同轴安装的动子和定子，所述动子包括同轴安装的电机轴、前磁环和后磁环，所述前磁环、后磁环分别套设并固定在所述电机轴的外圆周侧面，所述定子包括同轴安装的前端盖、后端盖、磁轭、隔磁座、无刷电机定子模组、前音圈模组和后音圈模组，其中，所述电机轴的前端通过轴承与所述前端盖连接，所述电机轴的后端通过轴承与所述后端盖连接，所述磁轭的前端与所述前端盖固定连接，所述前磁环在轴向方向上设置在所述前端盖、后磁环之间，所述后磁环在轴向方向上设置在所述后端盖、前磁环之间，所述磁轭的后端与所述后端盖固定连接，所述磁轭、隔磁座均为环状，所述隔磁座套设在所述磁轭之内，所述隔磁座的内圆周侧面上设有隔磁凹槽，所述无刷电机定子模组设置在所述隔磁凹槽之内，所述前音圈模组、后音圈模组均为环状，所述前音圈模组、后音圈模组分别套设在所述磁轭之内，所述前音圈模组在轴向方向上设置在所述前端盖、隔磁座之间，所述后音圈模组在轴向方向上设置在所述后端盖、隔磁座之间，所述动子套设在所述前音圈模组、无刷电机定子模组、后音圈模组之内。作为本发明的进一步改进，所述隔磁凹槽为环形凹槽。作为本发明的进一步改进，所述磁轭包括外磁轭、前磁轭和后磁轭，所述外磁轭、前磁轭和后磁轭均为环状，所述前磁轭、后磁轭套设在所述外磁轭之内，所述前磁轭在轴向方向上设置在所述前端盖、隔磁座之间，所述前音圈模组套设在所述前磁轭之内，所述后磁轭在轴向方向上设置在所述后端盖、隔磁座之间，所述后音圈模组套设在所述后磁轭之内。作为本发明的进一步改进，所述前磁轭与所述外磁轭过渡配合，所述后磁轭与所述外磁轭过渡配合，所述隔磁座与所述外磁轭过渡配合，所述旋转电机定子模组粘合在所述隔磁座的隔磁凹槽之内。作为本发明的进一步改进，所述前磁环与所述前磁轭在轴向上至少有局部相重合，所述后磁环与所述后磁轭在轴向上至少有局部相重合。作为本发明的进一步改进，所述前音圈模组包括前音圈支撑环和前音圈，所述前音圈缠绕在所述前音圈支撑环的外圆周侧面，所述后音圈模组包括后音圈支撑环和后音圈，所述后音圈缠绕在所述后音圈支撑环的外圆周侧面。作为本发明的进一步改进，所述前音圈与所述后音圈均为单相绕组，所述前音圈与所述后音圈串联且绕线方向相反。作为本发明的进一步改进，所述前音圈支撑环与所述前磁轭过盈配合，所述后音圈支撑环与所述后磁轭过盈配合。作为本发明的进一步改进，所述前音圈支撑环的外圆周侧面设有前音圈缠绕凹槽，所述前音圈缠绕在所述前音圈缠绕凹槽内，所述后音圈支撑环的外圆周侧面设有前音圈缠绕凹槽，所述后音圈缠绕在所述后音圈缠绕凹槽内。作为本发明的进一步改进，所述前音圈缠绕凹槽为环形凹槽，所述后音圈缠绕凹槽为环形凹槽。作为本发明的进一步改进，所述隔磁座的前端面与所述前磁轭的后端面相贴合，所述隔磁座的后端面与所述后磁轭的前端面相贴合，所述前磁轭的前端面与所述前端盖的后端面相贴合，所述后磁轭的后端面与所述后端盖的前端面相贴合，所述外磁轭的前端通过螺栓与所述前端盖固定连接，所述外磁轭的后端通过螺栓与所述后端盖固定连接。作为本发明的进一步改进，所述前磁环靠近所述后磁环的后端设有前磁凸齿，所述前磁凸齿沿所述前磁环的周向间隔均匀设置，相邻的二个所述前磁凸齿之间为前磁插槽，所述后磁环靠近所述前磁环的前端设有后磁凸齿，所述后磁凸齿沿所述后磁环的周向间隔均匀设置，相邻的二个所述后磁凸齿之间为后磁插槽，所述前磁凸齿插设在所述后磁插槽内，所述后磁凸齿插设在所述前磁插槽内。作为本发明的进一步改进，所述前磁凸齿、后磁凸齿的数量均与设计的所需性能的实现旋转运动的无刷电机动子磁极数相同。作为本发明的进一步改进，所述前磁环为一体磁铁，所述后磁环为一体磁铁。作为本发明的进一步改进，所述前音圈模组与所述前磁环之间设有气隙，所述后音圈模组与所述后磁环之间设有气隙，所述无刷电机定子模组与所述前磁环之间设有气隙，所述无刷电机定子模组与所述后磁环之间设有气隙，所述前音圈模组与所述前端盖之间设有气隙，所述后音圈模组与所述后端盖之间设有气隙。作为本发明的进一步改进，所述无刷电机定子模组包括硅钢片定子和旋转绕组，所述旋转绕组嵌设在所述硅钢片定子内。作为本发明的进一步改进，所述旋转绕组为三相绕组。作为本发明的进一步改进，所述电机轴的前端通过旋转直线轴承与所述前端盖连接，所述电机轴的后端通过旋转直线轴承与所述后端盖连接。作为本发明的进一步改进，所述前磁环与所述后磁环均为径向充磁，所述前磁环与所述后磁环的极性相反。作为本发明的进一步改进，所述动子由同轴安装的电机轴、前磁环和后磁环组成。作为本发明的进一步改进，所述隔磁座包括相抱合形成环状的第一弧形隔磁座和第二弧形隔磁座。作为本发明的进一步改进，所述第一弧形隔磁座为半圆环形，所述第二弧形隔磁座为半圆环形。作为本发明的进一步改进，所述前端盖为非磁性材料，所述前端盖上设有前端盖通孔，所述后端盖为非磁性材料，所述后端盖上设有所述后端盖通孔。本发明的有益效果是：通过上述方案，能够实现驱动动子同时作直线和旋转的复合运动，也能够实现驱动动子单独作直线，也能够实现驱动动子单独作旋转运动，并且能够调节动子的运动方向及运动输出速度和输出力/力矩，动子无电刷无引流线，不会产生火花和折断引流线的问题，使用寿命长，少维护，旋转动子与直线动子一体化成一个动子，动子结构简单、紧凑，惯量小，动态性能优，定子依次串联组成，装配方便。附图说明图1是本发明一种高动态动磁式的直线旋转一体式二自由度电机的剖面结构示意图；图2是本发明一种高动态动磁式的直线旋转一体式二自由度电机的分解结构示意图；图3是本发明一种高动态动磁式的直线旋转一体式二自由度电机的前磁环的主视图；图4是本发明一种高动态动磁式的直线旋转一体式二自由度电机的前磁环的立体结构示意图；图5是本发明一种高动态动磁式的直线旋转一体式二自由度电机的后磁环的主视图；图6是本发明一种高动态动磁式的直线旋转一体式二自由度电机的后磁环的立体结构示意图；图7是本发明一种高动态动磁式的直线旋转一体式二自由度电机的第一弧形隔磁座的立体结构示意图；图8是本发明一种高动态动磁式的直线旋转一体式二自由度电机的第一弧形隔磁座的主视图；图9是本发明一种高动态动磁式的直线旋转一体式二自由度电机的第一弧形隔磁座的仰视图；图10是本发明一种高动态动磁式的直线旋转一体式二自由度电机的第二弧形隔磁座的立体结构示意图；图11是本发明一种高动态动磁式的直线旋转一体式二自由度电机的第二弧形隔磁座的主视图；图12是本发明一种高动态动磁式的直线旋转一体式二自由度电机的第二弧形隔磁座的仰视图；图13是本发明一种高动态动磁式的直线旋转一体式二自由度电机的前端盖的主视图；图14是本发明一种高动态动磁式的直线旋转一体式二自由度电机的后端盖的主视图；图15是本发明一种高动态动磁式的直线旋转一体式二自由度电机的前音圈模组的结构示意图；图16是本发明一种高动态动磁式的直线旋转一体式二自由度电机的后音圈模组的结构示意图。具体实施方式下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。图1至图16中的附图标号为：电机轴1；前端盖2；前磁轭3；外磁轭4；旋转绕组5；硅钢片定子6；第一弧形隔磁座7；后磁轭8；后端盖9；后磁环10；后磁凸齿101；后磁插槽102；后音圈支撑环11；后音圈12；第二弧形隔磁座13；前磁环14；前磁凸齿141；前磁插槽142；前音圈15；前音圈支撑环16。如图1至图16所示，一种高动态动磁式的直线旋转一体式二自由度电机，包括同轴安装的动子和定子，所述动子包括同轴安装的电机轴1、前磁环14和后磁环10，所述前磁环14、后磁环10分别套设并固定在所述电机轴1的外圆周侧面，所述前磁环14、后磁环10位于所述电机轴1的中部，所述定子包括同轴安装的前端盖2、后端盖9、磁轭、隔磁座、无刷电机定子模组、前音圈模组和后音圈模组，其中，所述电机轴1的前端通过轴承与所述前端盖2连接，所述电机轴1的后端通过轴承与所述后端盖9连接，所述磁轭的前端与所述前端盖2固定连接，所述前磁环14在轴向方向上设置在所述前端盖2、后磁环10之间，所述后磁环10在轴向方向上设置在所述后端盖6、前磁环14之间，所述磁轭的后端与所述后端盖9固定连接，所述磁轭、隔磁座均为环状，所述隔磁座套设在所述磁轭之内，所述隔磁座的内圆周侧面上设有隔磁凹槽，所述无刷电机定子模组设置在所述隔磁凹槽之内，所述前音圈模组、后音圈模组均为环状，所述前音圈模组、后音圈模组分别套设在所述磁轭之内，所述前音圈模组在轴向方向上设置在所述前端盖2、隔磁座之间，所述后音圈模组在轴向方向上设置在所述后端盖9、隔磁座之间，所述动子套设在所述前音圈模组、无刷电机定子模组、后音圈模组之内。如图1至图16所示，所述隔磁凹槽为环形凹槽。如图1至图16所示，所述磁轭包括外磁轭4、前磁轭3和后磁轭8，所述外磁轭4、前磁轭3和后磁轭8均为环状，所述前磁轭3、后磁轭8套设在所述外磁轭4之内，所述前磁轭3在轴向方向上设置在所述前端盖2、隔磁座之间，所述前音圈模组套设在所述前磁轭3之内，所述后磁轭8在轴向方向上设置在所述后端盖9、隔磁座之间，所述后音圈模组套设在所述后磁轭8之内。如图1至图16所示，所述前磁轭3与所述外磁轭4过渡配合，所述后磁轭8与所述外磁轭4过渡配合，所述隔磁座与所述外磁轭4过渡配合，所述旋转电机定子模组粘合在所述隔磁座的隔磁凹槽之内。如图1至图16所示，所述前磁环14与所述前磁轭3在轴向上至少有局部相重合，所述后磁环10与所述后磁轭8在轴向上至少有局部相重合。如图1至图16所示，所述前音圈模组包括前音圈支撑环16和前音圈15，所述前音圈15缠绕在所述前音圈支撑环16的外圆周侧面，所述后音圈模组包括后音圈支撑环11和后音圈12，所述后音圈12缠绕在所述后音圈支撑环11的外圆周侧面。如图1至图16所示，所述前音圈15与所述后音圈12均为单相绕组，所述前音圈15与所述后音圈12串联且绕线方向相反。如图1至图16所示，所述前音圈支撑环16与所述前磁轭3过盈配合，所述后音圈支撑环11与所述后磁轭8过盈配合。如图1至图16所示，所述前音圈支撑环16的外圆周侧面设有前音圈缠绕凹槽，所述前音圈15缠绕在所述前音圈缠绕凹槽内，所述后音圈支撑环11的外圆周侧面设有前音圈缠绕凹槽，所述后音圈12缠绕在所述后音圈缠绕凹槽内。如图1至图16所示，所述前音圈缠绕凹槽为环形凹槽，所述后音圈缠绕凹槽为环形凹槽。如图1至图16所示，所述隔磁座的前端面与所述前磁轭3的后端面相贴合，所述隔磁座的后端面与所述后磁轭8的前端面相贴合，所述前磁轭3的前端面与所述前端盖2的后端面相贴合，所述后磁轭8的后端面与所述后端盖9的前端面相贴合，所述外磁轭4的前端通过螺栓与所述前端盖2固定连接，所述外磁轭4的后端通过螺栓与所述后端盖9固定连接。如图1至图16所示，所述前磁环14靠近所述后磁环10的后端设有前磁凸齿141，所述前磁凸齿141沿所述前磁环14的周向间隔均匀设置，相邻的二个所述前磁凸齿141之间为前磁插槽142，所述后磁环10靠近所述前磁环14的前端设有后磁凸齿101，所述后磁凸齿101沿所述后磁环10的周向间隔均匀设置，相邻的二个所述后磁凸齿101之间为后磁插槽102，所述前磁凸齿141插设在所述后磁插槽102内，所述后磁凸齿101插设在所述前磁插槽142内。如图1至图16所示，所述前磁凸齿141、后磁凸齿101的数量均与设计的所需性能的实现旋转运动的无刷电机动子磁极数相同。如图1至图16所示，所述前磁环14为一体磁铁，所述后磁环10为一体磁铁。如图1至图16所示，所述无刷电机定子模组包括硅钢片定子6和旋转绕组5，所述旋转绕组5嵌设在所述硅钢片定子6内。如图1至图16所示，所述前音圈模组的前音圈支撑环16与所述前磁环14之间设有气隙，所述后音圈模组的后音圈支撑环11与所述后磁环10之间设有气隙，所述无刷电机定子模组的硅钢片定子6与所述前磁环14之间设有气隙，所述无刷电机定子模组的硅钢片定子6与所述后磁环10之间设有气隙，所述前音圈模组的前音圈支撑环16与所述前端盖2之间设有气隙，所述后音圈模组的后音圈支撑环11与所述后端盖9之间设有气隙。如图1至图16所示，所述旋转绕组5为三相绕组。如图1至图16所示，所述电机轴1的前端通过旋转直线轴承与所述前端盖2连接，所述电机轴1的后端通过旋转直线轴承与所述后端盖9连接。如图1至图16所示，所述前磁环14与所述后磁环10均为径向充磁，所述前磁环14与所述后磁环10的极性相反，若前磁环14外侧为N极内侧为S极，则后磁环10外侧为S极内侧为N极；若前磁环14外侧为S极内侧为N极，则后磁环10外侧为N极内侧为S极。如图1至图16所示，所述前磁凸齿141、后磁凸齿101在圆周上错开均匀分布，构成N极与S极相间的圆周分布磁环。如图1至图16所示，所述动子仅仅由同轴安装的电机轴1、前磁环14和后磁环10组成。如图1至图16所示，所述隔磁座包括相抱合形成环状的第一弧形隔磁座7和第二弧形隔磁座13，所述隔磁座也可以由三个、四个甚至更多个弧形隔磁座相抱合形成。如图1至图16所示，所述第一弧形隔磁座7优选为半圆环形，所述第一弧形隔磁座7又称为第一半环隔磁座，所述第二弧形隔磁座13优选为半圆环形，所述第二弧形隔磁座13又称为第二半环隔磁座。如图1至图16所示，所述第一弧形隔磁座7上设有第一半圆形凹槽，所述第二弧形隔磁座13上设有第二半圆形凹槽，所述隔磁凹槽则第一半圆形凹槽、第二半圆形凹槽对接所构成。如图1至图16所示，所述前端盖2为非磁性材料，所述前端盖2上设有前端盖通孔，所述前端盖通孔至少有二个沿绕所述前端盖2的周向间隔均匀设置，所述后端盖9为非磁性材料，所述后端盖9上设有所述后端盖通孔，所述后端盖通孔至少有二个沿绕所述后端盖9的周向间隔均匀设置。本发明提供的一种高动态动磁式的直线旋转一体式二自由度电机的工作原理为：1、直线运动；向所述前音圈15和后音圈12通单向电流，所述前音圈15和后音圈12产生的磁场与前磁环14和后磁环10的磁场作用，推动动子作直线运动；具体为推动所述前磁环14和后磁环10与电机轴1所构成的动子作直线运动，同理，向所述前音圈15和后音圈12通反向的单向电流，动子就做反向直线运动，即所述前磁环14和后磁环10与电机轴1所构成的动子作反向直线运动；2、旋转运动；向所述旋转绕组5通电，使所述旋转绕组5的各相导通顺序按照：A相正向导通B相反向导通→B相正向导通C相反向导通→C相正向导通A相反向导通→……，如此循环，可以让所述前磁环14和后磁环10与电机轴1所构成的动子作顺时针旋转；使述旋转绕组5的各相导通顺序按照：A相正向导通C相反向导通→C相正向导通B相反向导通→B相正向导通A相反向导通→……，如此循环，可以让所述前磁环14和后磁环10与电机轴1所构成的动子作逆时针旋转。3、通过控制器控制前音圈15和后音圈12以及旋转绕组5中电流的导通、换向和幅值，能够实现驱动动子同时作直线和旋转的复合运动，也能够实现驱动动子单独作直线，也能够实现驱动动子单独作旋转运动，并且能够调节其运动方向及运动输出速度和输出力/力矩。本发明提供的一种高动态动磁式的直线旋转一体式二自由度电机的优点是：1、可以输出同轴的二自由度直线和旋转复合运动。与现有技术实现的直线旋转运动系统相比，体积紧凑、结构简单、惯量小，非常适用于医疗、半导体封装、航空等对体积要求紧凑的直线旋转运动场合；2、动子无电刷无引流线，不会产生火花和折断引流线的问题，使用寿命长，少维护；3、旋转动子与直线动子一体化成一个动子，动子只由前磁环14、后磁环10、电机轴1构成，结构简单、紧凑，惯量小，动态性能优，定子依次串联组成，装配方便；4、电机外接位置传感装置后，可以组成闭环进行闭环伺服控制，能够实现快速、平滑、高动态响应的精密运动。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。