专利名称：：直接实现空间曲线运动的永磁同步曲线电机的制作方法
技术领域：
：本发明属于电机及其驱动
技术领域：
，特别涉及可用于需要空间曲线运动场合的一种直接实现空间曲线运动的永磁同步曲线电机。
背景技术：
：目前尚未在国内外见到本发明的报道。在文献“YamamotoAkio，NishijimaTakashi，etal.Deformableelectrostaticlinearmotor.1stIEEETechnicalExhibitionBasedConferenceonRoboticsandAutomation，Proceedings，TExCRA，2004，p27-28”中述及一种可变形的线性电机，该电机采用静电原理，可在一定弯曲变形的情况下输出线性运动，与发明研究的永磁体与绕组相互作用形成电磁推力的原理不同。但文献中采用的在运动副两表面涂层且加入球形颗粒的支承方法值得借鉴。在中国专利CN200410023115.4中，述及一种用于驱动窗帘的可做圆弧运动的直线电机，该电机采用感应式原理，且仅能做圆弧运动。文献“Seok-MyeongJang，Sung-HoLee，etal.DesignandAnalysisofHelicalMotionPermanentMagnetMotorWithCylindricalHalbachArray.IEEETRANSACTIONSONMAGNETICS，v39，n5，2003，p3007-3009”给出了一种可在圆柱面上实现直线、圆周和螺旋运动的圆柱形直线电机，磁路设计采用Halbach阵列，具有较大的参考价值，但不能实现任意的空间曲线运动。作为一个特例，永磁同步直线电机的研究是曲线电机研究的基础。但永磁同步直线电机的磁场在直线方向上均匀分布，而曲线电机却需要设计复杂的磁路和控制算法以保证动子平稳运行，因而两者有较大的区别。国内外均有大量的文献对永磁同步直线电机进行研究。如文献“BianchiN.，BolognaniS.，Cappello，A.D.F..ReductionofcoggingforceinPMlinearmotorsbypole-shifting.IEEProceedingsElectricPowerApplications，v152，n3，2005，p703-709”、文献“浙江大学学报(工学版)，v39，n10，2005，p1627-1632”中，潘开林，傅建，陈子辰发表的“直线同步电机的磁阻力分析及其优化”、陈定积2004年的[博士学位论文]“高速进给系统用永磁直线同步电机的设计与性能分析”(北京，清华大学精密仪器与机械学系)、赵希梅，郭庆鼎发表在《中国电机工程学报》v25，n20，2005，p132-136上的“永磁直线同步电动机的变增益零相位H∞鲁棒跟踪控制”、“AhnHyo-Sung，ChenYangQuan，DouHuifang.State-periodicadaptivecompensationofcoggingandCoulombfrictioninpermanent-magnetlinearmotors.IEEETransactionsonMagnetics，v41，nlI，2005，p90-98”、“LiuZuoZong，LuoFangLin，RahmanM.Azizur.Robustandprecisionmotioncontrolsystemoflinear-motordirectdriveforhigh-speedX-Ytablepositioningmechanism.IEEETransactionsonIndustrialElectronics，v52，n5，2005，p1357-1363”、石忠东的[博士学位论文].“机床进给系统用零传动直线伺服单元研究”北京清华大学精密仪器与机械学系，2004和刘泉，张建民，孙洁等在《北京理工大学学报，v25，n3，2005，p194-197》“平板式永磁直线电动机的热分析与冷却系统设计”中，这些研究主要可分为三类，一类是以降低推力波动为目的的磁路设计研究；一类是以高精度高速度为目的的控制算法研究；另一类是以保证电机稳定运行的热问题研究。在生产、生活中有相当一部分运动是实现固定的空间线性运动，如图1a所示某嵌线式旋转电机的线圈，在嵌线槽1内嵌入绕组线圈2(如图1b中的i、ii、iii)，其上需要缠绕绝缘带及捆扎带，采用人工缠绕，效率低且质量不稳定，采用机械化方法则需产生沿线圈的空间曲线运动。目前实现这些运动的方法有二，一是将其运动分解为旋转运动和直线运动，用合成的方法实现空间线性运动，一维问题变成了多维问题，控制较为复杂，且不经济；二是应用连杆、凸轮等机构实现，设计较烦杂。上述两种方法，均存在占用空间较大的问题。如图2所示的一种有空间限制及障碍物的复杂空间曲线运动示意图，在如飞船等狭小的设计空间3中，且有复杂的障碍物5，要求实现图中箭头所指示的运动轨迹4，应用上述两种方法均有较大的难度。
发明内容本发明的目的是提供一种直接实现空间曲线运动的永磁同步曲线电机，其特征在于，所述永磁同步曲线电机是在具有固定空间曲线形状的定子上分布着由永磁体或绕组形成的磁场，在动子上装有绕组或永磁体，动子装在定子上。所述永磁同步曲线电机实现空间曲线运动是采用基于模型的电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制算法控制装有线圈或永磁体的动子在电磁力的作用下沿定子运动，从而直接实现空间曲线运动。该永磁同步曲线电机有两种基本运动形式，(a)动子单纯地沿着曲率半径空间矢量变化的定子运动，(b)动子按设定的轨迹绕定子转动；所述动子运动轨迹为直线、圆弧、螺旋线、二次曲线、样条曲线或相互连接构成较复杂的曲线。本发明的有益效果是为空间曲线运动的实现提供一种新的途径，拓宽了设计人员的设计思路，使设计人员在进行设计时可减少顾虑，去实现一些传统方法很难实现的功能；可节省空间；可有效地躲避障碍物；可避免使用多维运动配合解决一维运动问题。图1是某旋转电机线圈的安装及各种线圈示意图，其中(a)为电机线圈的安装，(b)为三种不同形式的线圈。图2是一种有空间限制及障碍物的复杂空间曲线运动示意图。图3是曲线电机的原理示意图。图4是空间曲线电机的两种基本运动形式示意图，其中(a)是曲率半径做空间矢量变化情形，(b)是动子按预定轨迹绕定子转动的情形。具体实施例方式本发明提供一种直接实现空间曲线运动的永磁同步曲线电机。下面结合附图予以说明。图3是曲线电机的原理示意图。图中动子6套在定子7上，定子7预先加工成固定空间曲线的形状。曲线电机在定子上分布着由永磁体或绕组形成的磁场，装有绕组或永磁体的动子在电磁力的作用下沿定子做固定空间曲线运动。空间曲线电机的有两种基本运动形式，如图4所示，(a)为动子单纯地沿着曲率半径空间矢量变化的定子运动，(b)为动子按一定的轨迹绕定子转动。图4(a)中的定子截面可为如图所示的矩形，用于平面曲线电机；也可为圆柱形，以实现空间曲线的直接驱动，此时动子绕定子的转动不做限制或由其他机构保证。图4(b)所示的运动轨迹由磁路的设计完成，即实现磁导向。上述两种形式复合后可形成复杂的空间曲线运动。其中，图4(a)所示的曲线电机与现有技术报导“可做圆弧运动的直线电机”的主要区别在于，现有技术为感应式电机且曲率半径变化形式是在同一平面内由直线变为圆弧，而图4(a)则是永磁同步电机且曲率半径是三维变化的空间矢量。图4(b)与现有技术报导的“可在圆柱面上实现直线、圆周和螺旋运动的圆柱形直线电机”主要区别在于，现有技术螺旋运动仅可在圆柱面上实现且由控制系统实现，而图4(b)的运动轨迹由磁路设计实现。动子沿曲率半径空间矢量变化的曲线运动以及图4(a)(b)两种运动形式的复合是本发明的主要创新点。对于如图3所示的曲线电机，本发明采用动子空套在定子之上的机械结构。动子和定子之间为滑动摩擦。动子和定子接触部分涂覆耐磨材料，以降低摩擦力和保证气隙。本发明通过磁路仿真确定曲线电机的磁路设计，并以出力平稳为目标进行优化。采用自适应控制的原理对系统模型进行在线辨识，得到较精确的系统模型，为采用基于模型的电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制算法控制打下基础。权利要求1.一种直接实现空间曲线运动的永磁同步曲线电机，其特征在于，所述永磁同步曲线电机是在呈空间曲线形状的定子上分布着由永磁体或绕组形成的磁场，在动子上装有绕组或永磁体，动子装在定子上；动子在电磁力的作用下，由基于模型的电压空间矢量脉宽调制控制算法控制其沿定子运动，直接实现空间曲线运动。2.根据权利要求1所述直接实现空间曲线运动的永磁同步曲线电机，其特征在于，该永磁同步曲线电机有两种基本运动形式，(a)动子单纯地沿着曲率半径空间矢量变化的定子运动，(b)动子按设定的轨迹绕定子转动。3.根据权利要求2所述直接实现空间曲线运动的永磁同步曲线电机，其特征在于，所述动子运动轨迹为直线、圆弧、螺旋线、二次曲线、样条曲线或相互连接构成较复杂的曲线。全文摘要本发明公开了属于电机及其驱动
技术领域：
的一种直接实现空间曲线运动的永磁同步曲线电机。所述永磁同步曲线电机是在定子上预先加工成固定空间曲线的形状，分布着由永磁体或绕组形成的磁场，而装有绕组或永磁体的动子在基于模型的电压空间矢量脉宽调制控制算法的控制，在电磁力的作用下沿定子运动，从而直接实现空间曲线运动。本发明为空间曲线运动的实现提供一种新的途径，可节省空间；可有效地躲避障碍物；可避免使用多维运动配合解决一维运动问题。文档编号H02K41/06GK1845429SQ20061008116公开日2006年10月11日申请日期2006年5月23日优先权日2006年5月23日发明者赵彤,王先逵,叶佩青,张辉,汪劲松申请人:清华大学