[发明专利]一种应用于机器人直线关节的关节电机

权利要求书

1.一种直线关节电机的运动原理，其特征是

包含一永磁体，其特征是

条形永磁体且磁极(N/S)在其两端(左/右)，永磁体的长度(2L)等于线圈铁芯长度(L)的两倍，永磁体的宽度(W)等于线圈铁芯的宽度(W)，永磁体位置处于一对铁芯线圈组的中间(A线圈组)；

包含两组线圈，其中

第一线圈组(A线圈组)的铁芯线圈一(上)的铁芯磁极和铁芯线圈二(下)的铁芯磁极分别对正，且两个铁芯线圈的上下间距(H2)大于永磁体的厚度(H1)，

第二线圈组(B线圈组)的铁芯线圈一(上)的铁芯磁极和铁芯线圈二(下)的铁芯磁极分别对正，且两个铁芯线圈的上下间距(H2)大于永磁体的厚度(H1)，

第一线圈组(A线圈组)与第二线圈组(B线圈组)之间的间距等于线圈铁芯长度(L)；

两组线圈的接线方式是

第一驱动(Udr1)的正端(Udr1+)接第一线圈组(A线圈组)的铁芯线圈一(上)的首端，第一线圈组(A线圈组)的铁芯线圈一(上)的尾端接第一线圈组(A线圈组)的铁芯线圈二(下)的首端，第一线圈组(A线圈组)的铁芯线圈二(下)的尾端接第一驱动(Udr1)的负端(Udr1-)，

第二驱动(Udr2)的正端(Udr2+)接第二线圈组(B线圈组)的铁芯线圈一(上)的首端，第二线圈组(B线圈组)的铁芯线圈二(上)的尾端接第二线圈组(B线圈组)的铁芯线圈二(下)的首端，第二线圈组(B线圈组)的铁芯线圈二(下)的尾端接第二驱动(Udr2)的负端(Udr2-)；

两组线圈的驱动方法是

步骤一是第一驱动为负向电流驱动且第二驱动为正向电流驱动时，永磁体被第二线圈组(B线圈组)吸引并使永磁体移动了半个铁芯长度(0.5L)的距离，

步骤二是第一驱动为正向电流驱动且第二驱动为正向电流驱动时，永磁体被第一线圈组(A线圈组)和第二线圈组(B线圈组)共同作用并使永磁体移动了半个铁芯长度(0.5L)的距离，永磁体共移动了一个铁芯长度(1L)的距离，

步骤三是第一驱动为正向电流驱动且第二驱动为负向电流驱动时，永磁体被第一线圈组(A线圈组)和第二线圈组(B线圈组)共同作用并使永磁体移动了半个铁芯长度(0.5L)的距离，永磁体共移动了1.5倍个铁芯长度(1.5L)的距离，

步骤四是第一驱动为负向电流驱动且第二驱动为负向电流驱动时，永磁体被第二线圈组(B线圈组)吸引并并使永磁体移动了半个铁芯长度(0.5L)的距离，永磁体共移动了2个铁芯长度(2L)的距离。

2.一种直线关节电机的最小定子单元结构，其特征是

由四个薄片叠加而成，其中

第一薄片(载片A)和第三线圈薄片(载片B)具有相同的结构，为活塞电机提供驱动力，它们的结构是

薄片的内圆有四个凹槽(导向槽)且呈现薄片内圆的四分之一(90度)布局，四个U型铁芯线圈的磁极均分别放置于薄片的两侧，两侧面之间的厚度等于薄片的厚度(D)，且磁极是薄片内圆的四分之一弧度形状，当四个U型铁芯线圈的磁极和四个凹槽(导向槽)组装后，可以组成一个薄片的完整内圆；

第二薄片(隔离A)和第三线圈薄片(隔离B)的具有相同的结构，为第一薄片(载片A)和第三线圈薄片(载片B)提供间隔，它们的厚度等于U型铁芯的磁极的外侧厚度，都是由非导磁材料组成但具有与第一薄片(载片A)相同的外观结构；

四个薄片从上到下的叠层顺序是

第一薄片(载片A)、第二薄片(隔离A)、第三薄片(载片A)、第四薄片(隔离B)。

3.一种直线关节电机的最小活塞单元结构，其特征是

最小活塞单元的驱动片是圆片形铁芯(铁芯)且中间有一圆形开孔(导向孔)，圆片形铁芯(铁芯)的外侧有弧形永磁体和竖状突出(导轨)，其中

弧形永磁体的磁极分置于圆片形铁芯(铁芯)的两侧(上/下)，弧形永磁体内侧的磁路由圆片形铁芯(铁芯)提供磁通路，弧形永磁体外侧的磁路由空气隙提供，每段弧形永磁体占圆片形铁芯(铁芯) 的外圆的1/4，

竖状突出(导轨)由非导磁材料构成，且分置于圆片形铁芯(铁芯)的圆周的四分之一处；

最小活塞单元的间隔片(隔离片)由非导磁材料构成但具有与驱动片相同的外形结构。

4.一种直线关节电机的结构，其特征是

缸体内部包含有四个导向槽，且四个导向槽分置于缸体内圆周的1/4处，导向槽的长度等于线圈铁芯高度(D)的24倍(24D)，导向槽的深度(d)大于导轨的高度(h)，且导向槽的宽度大于导轨的宽度；

缸体内部的中部安装有两个最小定子单元，定子单元的总高度等于8倍(8D)铁芯线圈高度(D)；

两个定子单元的线圈接线方式是第一驱动正端(DR_A+)接第一最小定子单元的A线圈组的首端，其尾端接第二最小定子单元的A线圈组的首端，其尾端接第一驱动负端(DR_A-)，

第二驱动正端(DR_B+)接第一最小定子单元的B线圈组的首端，其尾端接第二最小定子单元的B线圈组的首端，其尾端接第二驱动负端(DR_B-)；

缸体内壁的中间安装有两个霍尔传感器，两个霍尔传感器处于两个定子单元的中间，在活塞体上的永磁体依次经过第一霍尔传感器和第二霍尔传感器时，在磁极从N到S所构成的180度信号中，第一、二霍尔传感器的同频方波输出信号相差为90度且第二霍尔传感器输出超前；

缸体底部中央安装有导向轴且固定在底部，导向轴的下端套有底部缓冲弹簧(底缓冲)，导向轴的上端套有顶部缓冲弹簧(顶缓冲)且弹簧固定在顶部的机械限位装置上，机械限位装置固定在导向轴上端，导向轴的长度大于定子单元的高度的24倍(24D)；

活塞体是顶部中空8倍(8D)铁芯线圈高度(D)的圆柱体，活塞体的外径小于最小定子单元的内圆直径，在非空心段(16D)的内部有一个圆柱形铁芯，铁芯的中央沿圆柱高度方向有开孔(导向孔)，且开孔直径大于导向轴的直径，当铁芯套在导向轴上的时候可以沿导向轴，在顶部缓冲弹簧(顶缓冲)和底部缓冲弹簧(底缓冲)之间自由的移动；

活塞体的外壁有四根导轨，导轨长度等于16倍(16D)铁芯线圈高度(D)，导轨高度(h)小于导向槽深度(d)且导轨宽度(m)小于导向槽(w)的宽度，四根导轨在活塞体外壁圆周上呈90度均匀分布；

活塞体的铁芯的外壁安装有3层最小活塞单元，每层最小活塞单元的永磁体的磁极呈轴向分布(上N下S)，弧形永磁体的高度等于线圈高度(D)的两倍(2D)，活塞体的非中空部分总长度等于16倍(16D)铁芯线圈高度(D)；

活塞体的顶部有螺栓孔用于连接外部负载，活塞电机的动力由此螺栓孔对外输出；

活塞电机的驱动方式是交替改变第一驱动(DR_A)和第二驱动(DR_B)的电流极性，让缸体内壁的U型铁芯线圈吸引或推动活塞体上的永磁体移动，以对外输出动力。