CN101707461A - 空间机械臂用无通电结构电机制动器 - Google Patents

Abstract

空间机械臂用无通电结构电机制动器，属于电机技术领域。它实现了无通电情况下对空间机械臂系统中电机的制动，解决了现有技术中需要通电才能对电机进行制动使系统控制电路复杂的问题。它包括永磁式定子和涡流转子，所述永磁式定子包括多对定子磁极和定子磁极轭，多对定子磁极的N极与S极相互间隔粘接在定子磁极轭的内圆表面上；所述涡流转子包括涡流转子铜环和转子铁轭支架，转子铁轭支架支撑于转子铜环的内圆表面；涡流转子铜环的外圆表面与定子磁极的内圆表面之间为气隙；所述转子铁轭支架和定子磁极轭的材质均为导磁性材料。本发明用于空间机械臂用电机的制动领域。

Description

空间机械臂用无通电结构电机制动器

技术领域

本发明涉及一种空间机械臂用无通电结构电机制动器，属于电机技术领域。

背景技术

机械臂系统中电机需要快速的制动以保证其控制位置的精度。普通工业用机械臂的制动可以采用多种方式，如：利用电机进行制动、加单独制动器进行制动等。利用电机进行制动包括反接制动和能耗制动等方式，它们的实现方式会增加控制电路系统中电路的复杂性，给系统造成相对的安全隐患，在航天应用领域，如空间机械臂领域不适合。还可以采用单独的制动器，这种单独的制动器有电磁式和机械接触式，机械接触式存在磨损的缺陷；电磁式则需要单独的电路来进行控制，对于航天用电机系统的制动，多出一套单独控制电路和电源使设备的复杂性提高，会造成许多不确定因素；同时电磁式制动器磁场密度小，在完成相同制动转矩前提下制动器体积较大，质量较大，不利于其在航天系统中的应用。综上所述，已有的机械臂系统中对电机制动的实现均需要通电才能进行，它们的实现方式均不适用于空间机械臂用系统中对电机的制动。

发明内容

本发明的目的是提供一种空间机械臂用无通电结构电机制动器，它实现了无通电情况下对空间机械臂系统中电机的制动，解决了现有技术中需要通电才能对电机进行制动，而使系统控制电路复杂的问题。

本发明包括永磁式定子和涡流转子，所述永磁式定子包括多对定子磁极和定子磁极轭，多对定子磁极的N极与S极相互间隔粘接在定子磁极轭的内圆表面上；所述涡流转子包括涡流转子铜环和转子铁轭支架，转子铁轭支架支撑于转子铜环的内圆表面；涡流转子铜环的外圆表面与定子磁极的内圆表面之间为气隙；所述转子铁轭支架和定子磁极轭的材质均为导磁性材料。

本发明的优点是：

本发明采用无通电结构，在使用中可直接与空间机械臂系统中电机的转轴固定安装，实现对电机的制动。涡流转子铜环切割永磁式定子形成的永磁交变磁场，可在涡流转子铜环中产生涡流电流，进而形成对电机具有制动作用的电磁制动转矩。由于制动器整体无需通电，并且为无绕组结构，不需要控制电路对其进行控制，所以实现方式简单，对被制动电机的控制电路无影响；本发明的制动方式为无接触式，无磨损，所以使用寿命长；同时本发明装置的整体体积小、重量轻，从而本身固有的转动惯量小，具有整体性好、体积小、结构紧凑的优点。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；图2是带有转子端环的涡流转子的轴向剖示图；图3是本发明安装于被制动电机时的结构示意图，图中3表示被制动电机的机壳，4表示被制动电机的转轴，5表示被制动电机的转子铁心，6表示被制动电机的定子铁心；图4是本发明产生制动转矩的原理图，图中n为被制动电机转轴的旋转方向，I为涡流电流，T为电磁制动转矩.

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1、图3和图4说明本实施方式，本实施方式包括永磁式定子1和涡流转子2，所述永磁式定子1包括多对定子磁极1-1和定子磁极轭1-2，多对定子磁极1-1的N极与S极相互间隔粘接在定子磁极轭1-2的内圆表面上；所述涡流转子2包括涡流转子铜环2-1和转子铁轭支架2-2，转子铁轭支架2-2支撑于转子铜环2-1的内圆表面；涡流转子铜环2-1的外圆表面与定子磁极1-1的内圆表面之间为气隙；所述转子铁轭支架2-2和定子磁极轭1-2的材质均为导磁性材料。

转子铁轭支架2-2采用导磁性材料制成，对涡流转子铜环2-1具有支撑与导磁两种作用，可以选用导磁性不锈钢或者10号钢等材料。

工作原理：

将本发明的涡流转子2套接于空间机械臂系统中电机的机械转轴4上并紧固，永磁式定子1置于电机轴系不动的机壳3内部紧固，当机械臂系统正常运行时，制动器的作用可以忽略；当机械臂系统中电机断电时，与电机的机械转轴4同轴旋转的涡流转子2与永磁式定子1之间具有相对旋转运动。首先，根据电磁感应定律，涡流转子2旋转，永磁式定子1静止，它们之间具有相对运动，旋转磁场会在涡流转子铜环2-1中产生感应电势，进而在涡流转子铜环2-1中产生涡流电流，其为环形涡流，如图4所示，此环形涡流在定子磁极下为轴向，在涡流转子铜环2-1端部闭合。

同时，如果涡流转子2只采用涡流转子铜环2-1，由于铜为非导磁材料，会导致气隙磁密过小。因此在涡流转子铜环2-1内部增加由导磁材料构成的转子铁轭支架2-2。这样能够尽量减小涡流转子铜环2-1的厚度与气隙的大小，使气隙磁密相对增大。但涡流转子铜环2-1过薄会使其电阻增加，使相同感应电势下的制动涡流电流减少，降低制动力矩。因此选择一个最佳比例非常重要，目的是在涡流转子2尽量短的轴向长度上，产生尽可能大的电磁制动转矩，即最小重量下的最大转矩。

本发明在电机断电的时候可以自动产生阻尼作用并迫使整个系统快速停止旋转运动。对于高转速情况下的制动转矩呈明显增加趋势，对于系统突然失控导致的机械臂滑脱状态具有抑制作用。其工作原理为：

根据电磁感应定律，涡流电势E满足如下公式：

E＝4.44fψ

其中：ψ-为磁链；

f-为同步旋转频率；

可以看出：随着电机转速增高，涡流电势增高，从而涡流电流增高，由于制动转矩的大小与涡流电流的大小成正比，随着电机转速的增高，涡流制动转矩增高，因此在机械臂系统出现滑脱时，涡流制动转矩迅速增加，可以进行快速制动。

本发明实现了对空间机械臂系统中电机的无通电制动，对机械臂系统断电之后可以自动产生阻尼制动，也可以在机械臂出现故障而产生快速滑脱时，起到阻尼作用.该装置与机械臂系统进行一体化设计、安装，不需要单独的轴系.制动转矩大小与转速近似成线性正比关系，能够对电机快速的制动以保证其控制位置的精度.本发明结构简单，加工方便，适于批量生产.

具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于所述涡流转子2还包括转子端环2-3，转子端环2-3包覆于转子铜环2-1的两端面及外圆表面。其它组成及连接关系与实施方式一相同。

为获得较大的涡流转矩，对涡流转子铜环2-1增加了转子端环2-3结构，转子端环2-3能够进一步引导涡流转子铜环2-1端部的电流构成回路，可以在尽量短的轴向长度上，产生尽可能大的电磁制动转矩，即最小重量下的最大转矩。

具体实施方式三：本实施方式与实施方式二的不同之处在于所述涡流转子铜环2-1和转子端环2-3的材质均为紫铜。其它组成及连接关系与实施方式二相同。

涡流转子铜环2-1作为涡流力矩产生装置，与转子端环2-3同时采用高导电率的紫铜制成，能够增加涡流转子的导电性能。

具体实施方式四：本实施方式与实施方式一、二或三的不同之处在于所述各定子磁极1-1大小相等并在定子磁极轭1-2上无缝设置。其它组成及连接关系与实施方式一、二或三相同。

所述每块定子磁极1-1呈瓦块式结构，为励磁磁源，各定子磁极1-1大小相等并且没有间隙，会使气隙磁场密度均匀并且使磁场密度相对增大。

具体实施方式五：本实施方式与实施方式一、二、三或四的不同之处在于所述多对定子磁极1-1的极对数为6-8。其它组成及连接关系与实施方式一、二、三或四相同。

多对定子磁极1-1的磁极对数的优化可以保证最小体积下产生最大制动转矩。从设计的角度看，磁极过多会导致磁极间漏磁增加，使得有效磁通减少导致电磁制动转矩减小。磁极过少，由于采用平行充磁，造成磁极下平均磁密减少也会导致电磁制动转矩减小。因此存在磁极优化问题。通过优化设计确定最佳定子磁极1-1的极对数。

Claims (5)

1.一种空间机械臂用无通电结构电机制动器，其特征在于：它包括永磁式定子(1)和涡流转子(2)，所述永磁式定子(1)包括多对定子磁极(1-1)和定子磁极轭(1-2)，多对定子磁极(1-1)的N极与S极相互间隔粘接在定子磁极轭(1-2)的内圆表面上；所述涡流转子(2)包括涡流转子铜环(2-1)和转子铁轭支架(2-2)，转子铁轭支架(2-2)支撑于转子铜环(2-1)的内圆表面；涡流转子铜环(2-1)的外圆表面与定子磁极(1-1)的内圆表面之间为气隙；所述转子铁轭支架(2-2)和定子磁极轭(1-2)的材质均为导磁性材料。

2.根据权利要求1所述的空间机械臂用无通电结构电机制动器，其特征在于：所述涡流转子(2)还包括转子端环(2-3)，转子端环(2-3)包覆于转子铜环(2-1)的两端面及外圆表面。

3.根据权利要求2所述的空间机械臂用无通电结构电机制动器，其特征在于：所述涡流转子铜环(2-1)和转子端环(2-3)的材质均为紫铜。

4.根据权利要求1、2或3所述的空间机械臂用无通电结构电机制动器，其特征在于：所述各定子磁极(1-1)大小相等并在定子磁极轭(1-2)上无缝设置。

5.根据权利要求4所述的空间机械臂用无通电结构电机制动器，其特征在于：所述多对定子磁极(1-1)的极对数为6-8。

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