CN102480253B - 永磁转子偏转式三自由度运动电机 - Google Patents

Abstract

本发明永磁转子偏转式三自由度运动电机，涉及永磁转子电动机技术领域。其特征在于转子的内芯外侧分布有非导磁材料构成的隔磁片和永磁体，N极和S极交错分布，永磁体的外形呈外球面状；外围的定子上设有至少两层磁极铁芯，磁极铁芯上面设有定子磁极线圈，输出轴与转子中心固连，外壳的中心与转子中心相重合，转子通过固定于定子上的环状滚珠轴承支承；定子上设有检测转子位置与速度的传感器，通过相应的检测电路，实现电机的闭环控制。本发明解决了现有三自由度运动电机磨损大、转矩输出能力差等问题，其结构相对简单、易控、机械集成度高、磨损小、转矩输出能力强，静态和动态性能好，能实现悬浮控制。

Description

永磁转子偏转式三自由度运动电机

技术领域

本发明涉及永磁转子电动机技术领域。 

背景技术

多自由度运动的实现，传统方法是采用多个单自由度电机配合机械传动装置来实现，容易导致精度和效率的下降，往往体积较为庞大，成本较高。采用多自由度电机特别是三自由度电机来实现复杂运动，是目前较为理想的方案，该类电机广泛应用于机器人关节、全方位驱动轮彀，全景摄像平台，空间测量、多方向传送结构等领域。 

引入永磁体的多自由度电机，可以大大提高电机磁能积，有效提高电机的运行效率，减小电机的体积，提高电机的可控性。计算机技术、电力电子技术的发展、控制理论和电机理论的不断深入以及新材料和制造工艺水平的提高，为多自由度电机的发展提供了坚实的基础。永磁多自由度电机可以大致分为以下几类：1、单极永磁多自由度电机；2、多极永磁多自由度电机；3、永磁步进式多自由度电机；4、Halbach阵列永磁球形多自由度电机；5、直流永磁球形多自由度电机； 

上述类型多自由度电机转子结构以球形为主，虽然能显著增强转子运动的范围，但是在实用化方面尚有一定差距，结构复杂，在轴承支承设计和磁力控制方面，存在轴承磨损大，难于实现磁悬浮控制等问题。

目前已有的偏转式多自由度电机结构上为双层定子结构，定转子磁极为六极—四极的配合结构，且只有单层，输出转矩小，转子支承只有底端支承的单一方式，转子受摩擦力影响显著，运行精度受限，只能工作在普通运行模式，无法实现磁悬浮运行，迫切需要提出适合于普通和磁浮模式的新结构永磁转子偏转式多自由度电机。 

发明内容

本发明的目的是提供一种永磁转子偏转式三自由度运动电机，目的是解决现有三自由度运动电机磨损大、转矩输出能力差等问题，其结构相对简单、易控、机械集成度高、磨损小、转矩输出能力强，静态和动态性能好，易实现悬浮控制。 

本发明的主要技术方案是：一种永磁转子偏转式三自由度运动电机，包括定子、转子，底座、外壳与定子固定为一体，其特征在于转子设有导磁材料制成的内芯，在内芯外侧分布有非导磁材料构成的隔磁片，相邻两个隔磁片之间嵌入安装有永磁体，以N极和S极交错分布，永磁体的外形呈外球面状；位于转子外围的定子上设有均匀等分的上下至少两层磁极铁芯以及固定它们的导磁材料制作的定子轭，磁极铁芯上面设有匝数和外形可调的定子磁极线圈，磁极铁芯与转子相对侧为凹球面形状，转子具有与之对应的球面形，定子与转子之间具有间隙；输出轴与转子中心固连，并通过外壳的开口处伸向外端，外壳的中心与转子中心相重合，转子通过固定于定子上的环状滚珠轴承支承；定子上设有检测转子位置与速度的传感器，通过相应的检测电路，实现电机的闭环控制。 

所述的输出轴、底座与转子中心通过主螺杆球轴承相固连较好。 

并具有主螺杆球轴承距离底座的高度可调机构较好。 

所述的永磁转子偏转式三自由度运动电机，其特征在于设有悬浮辅助线圈或中间层定子线圈较好。 

所述的转子为单层圆鼓形或三层立体蝶形结构较好。 

所述的永磁体为径向或轴向充磁的永磁体较好。 

所述的永磁体可为阶梯状结构的永磁体便于加工。 

所述的定子和转子的磁极采用八极-六极的配合结构较好。 

所述的定子磁极与转子的径向距离通过螺栓调整调节较好。 

所述的外壳面向输出轴一侧设置有螺纹连接的锥状开口端盖较好。 

所述的检测电路可具有电源电路、DSP数字控制器和信号处理电路。 

本发明的积极效果是：很好地解决了现有三自由度运动电机磨损大、转矩输出能力差等问题，其结构相对简单、易控、机械集成度高、磨损小、转矩输出能力强，静态和动态性能好，能实现多自由度悬浮控制。可广泛应用于机器人关节、全方位驱动轮彀，全景摄像平台，空间测量、多方向传送结构等领域。与已有技术相比，有益效果体现在： 

1、本发明采用圆鼓形与蝶形转子结构实现三自由度运动，可以取代传统的多自由度运动机构，广泛应用在机器人关节、全方位驱动轮彀，全景摄像平台，空间测量、多方向传送结构等领域，能有效减小传动结构复杂度，提高传动的性能。立体蝶形与圆鼓形转子结构相比，产生更大的输出转矩，转动惯量减小，控制的灵活性更强。

2、本发明采用凹球面状定子磁极铁芯结构，能保证运动过程中与转子的恒定气隙，定子和转子磁极数量采取一定比例的配置方式，即转子六极、定子八极，并设立悬浮辅助线圈和定子中间层线圈，提高转矩输出能力和实现磁悬浮控制方式，最大限度减小摩擦阻力和轴承磨损，提高转子的动态响应和定位精度。 

3、轴承采用主螺杆球轴承（球头关节轴承）和辅助环状滚珠轴承11相结合的支承模式，保证转子各方向承载受力运动的均衡和灵活性，保证转子三维运动范围中实现完全自转和不小于45度的偏转，同时通过调整螺杆球轴承在底座的高度，可使定子与转子的中心重合度提高，进而提高安装精度。 

4、测量系统采用定子内部三维放置磁敏传感器组的方式，不断检测转子的位置（三个自由度方向上的偏转位移）和速度，经过信号处理电路后由DSP控制器进行实时计算，可根据普通（无磁浮）控制模式和磁悬浮控制模式要求，完成对每个定子线圈的电流控制。 

5、本发明的转子磁极、线圈放置方式可调，可灵活调整气隙、线圈形状，可以根据使用目的对定转子作用效果进行微调。 

6、定子和辅助线圈驱动、控制电路采用滞环比较PWM模式，实时跟踪控制器发出的电流信号，转化为开关器件的PWM波形，控制各线圈的逆变器，实现控制的快速性和高可靠性。 

为了更好的理解本发明，以下结合一较好的实施例及其附图作解释说明，但本发明要求保护的范围不仅局限于本实施例表示的范围。 

附图说明

图1是本发明实施例1圆鼓形转子式的整体结构示意图。 

图2是实施例2蝶形转子式的整体结构示意图。 

图3是图1中定子和转子横截面结构示意图。 

图4是图3定子和转子三维示意图。 

图5是图3中定子和转子偏转运动部分作用原理示意图（普通模式）。 

图6是图3中定子和转子自转运动部分作用原理示意图（普通模式）。 

图7是图3中转子永磁体阶梯状结构示意图。 

图8是实施例2定子和转子偏转运动部分作用原理示意图（普通模式）。 

图9a图9b是图8的悬浮工作原理图（实施例1与此相同），图9a为正对位置时，图9b为非正对位置时。 

图10是图1的电机外观图。 

图11是滞环比较式电流跟踪PWM控制驱动器设计技术方案。 

图12是采用的DSP控制系统框图。 

图中各标号说明: 1-转子,2-定子磁极铁芯,3-导磁内芯，4-输出轴，5-定子轭，6-外壳，7-端盖固定螺栓，8-端盖，9-螺杆球轴承（球头关节轴承），10-法兰盘，11-环状滚珠轴承，12-定子磁极线圈，13-隔磁片，14-定子铁芯固定螺栓，15-磁敏传感器组,16-悬浮辅助线圈。 

具体实施方式

参看图1、2、3和4，圆鼓形与蝶形转子由永磁材料构成的磁极1和磁极之间的隔磁片13构成，电机本体有定子及线圈和转子，底座与定子外壳6固定为一体，外壳端盖8向输出轴一侧为开口的喇叭形状，外壳内表面分布有固定螺孔，分别固定定子铁芯2和轴承9及磁敏传感器组15。 

在转子上，按照等分原则分布有永磁体槽，相邻永磁体槽中沿输出轴径向设置的永磁体以N极和S极交错分布，圆鼓形转子为单层结构，蝶形转子交叉构成三层结构；固定在外壳底座6上的底部可调节螺杆球轴承9支承转子在定子铁芯中间，定子与转子侧面之间的环状滚珠轴承11由非导磁材料制成，转子在沿球面方向与环状滚珠轴承在多位置上点接触，起到侧面支承和减小摩擦的作用。 

定子磁轭5通过螺纹孔与外壳6相连，定子上磁极铁芯2通过螺纹孔与磁轭5连接，等纬度均匀分布有两层（圆鼓形转子）与三层（蝶形转子），每层有8只。定子磁极与转子的径向距离通过螺栓调整得到调节，以此来调节定子与转子之间的气隙大小。转子上设置有法兰10的输出轴4，穿过端盖8与负载相连。 

    转子圆鼓形与蝶形多极永磁体是以钕铁硼材料烧结制成，径向或者轴向充磁。定子线圈12根据需要采用圆柱或者锥状缠绕方式，以漆包线绕制。 

    控制转子实现偏转运动的过程如图5、8所示。当传感器组15检测到当前位置状态信息后，与期望位置进行比较，由DSP控制器运算后获得下一步的控制算法，对相应的定子线圈通电，在滞环比较PWM控制方式下跟踪计算得到的参考电流信号，控制定子磁极的磁场方向和强度，与转子永磁体产生作用力。控制算法确定作用的定子磁极数量，组合产生较大的电磁转矩。 

实现自转过程中，如图6所示，上下磁极产生同样的磁场方向，各定子磁极连续换相驱动转子进行自转运动。 

磁浮过程由当前时刻未直接参与偏转和自转驱动过程的定子磁极线圈12和滚珠轴承11附近的辅助线圈16（圆鼓形转子）或中间层定子线圈12（蝶形转子）共同实现。当转子发生侧移，使得两面气隙不等时，气隙磁通分布变得不均匀，气隙减小侧的磁拉力增大，而气隙增大侧的磁拉力减小，这时产生不平衡的径向力，为了平衡这个力，给辅助绕组16或中间层线圈和空闲线圈通入相应的电流，改变双侧气隙的磁通分布情况，产生反方向的径向力。 

运行模式分为下面两种： 

普通（无磁浮）运行模式——转子从位置A自转到位置A’，再偏转到位置B的过程如下：转子在位置A时，磁敏传感器组15检测到当前位置下的磁场信号并输出给信号调理电路，经整形电路后接入DSP处理电路。整形电路可有效消除信号杂波，使得传感器工作更可靠。整形电路两输出端依次输出高低电平相反的标准方波，方波幅值为电路电源电压，方波频率与磁场变化频率相同。转子开始运行后，多传感器信号输入到DSP中通过计算得到转子相对起始位置的位移和速度情况。自转运行过程中，上下磁极产生同样的磁场方向，定子磁极线圈12连续换相驱动转子进行自转运动，DSP处理器实时对传感器输入信号计算得到当前位置，确定换相时刻和下一换相磁极，完成比较和控制算法的运算，并转换为PWM脉冲触发信号，将稳压整流的电源提供给相应的定子线圈12，并通过PWM脉冲信号变化来调节转子的电磁转矩以平衡负载和扰动力矩。到达A’位置后，根据目标指令，DSP控制器确定参与偏转运动的定子线圈12，分别通入产生目标磁力作用的电流，调节电流大小来完成偏转运动。

磁浮运行模式——对于负载较重及高精度定位要求情况下，可实现磁悬浮运行模式。信号检测与普通运行模式相同，但由传感器组15输出信号计算出转子实际位置后，确定转子偏离球心侧移距离与气隙变化。为了平衡气隙改变后产生的径向力，气隙不等的两侧附近的空闲线圈12及辅助线圈16通入计算得到的电流（包括幅值与方向），产生作用于转子的反方向径向磁力，抵消气隙的变化，使之回到标准情况，以提高定位精度、减小轴承磨损。具体分为两种：（1）电机处于无转稳定悬浮时，向系统给定转子在各方向平衡位置时的径向悬浮指令信号和角位移指令信号，指令信号与传感器组15检测到的转子姿态位置信号由DSP数字控制器进行比较和控制算法运算，转化为两组分别控制旋转和悬浮的PWM脉冲触发信号，PWM旋转控制信号控制逆变器并采用滞环比较PWM控制方式，使经过稳压整流的电源提供给定子主线圈12的电流随PWM脉冲信号的变化而调节转子力矩以平衡抵抗外界扰动力矩；PWM悬浮控制信号控制逆变器并采用滞环比较PWM控制方式，使经过稳压整流的电源提供给定子辅助线圈16和空闲的部分定子线圈12的电流随PWM脉冲信号的变化而调节支承转子的悬浮磁力。在旋转磁力矩和悬浮磁力矩的综合作用下，将转子控制在规定的姿态，以达到转子无转的稳定悬浮。（2）电机处于悬浮转动时，在无转稳定悬浮的基础上，给定沿某个自由度上的角位移和速度指令信号，经DSP数字控制器进行控制算法运算后输出PWM旋转控制触发脉冲信号，去调节逆变器各开关器件，使经过稳压整流的电源提供给定子主线圈12的电流随PWM脉冲信号的变化而产生电磁转矩驱动转子按照指令要求旋转，在此过程中同时进行悬浮控制。 

蝶形转子结构的两种磁浮模式中定子中间层线圈12起到磁浮辅助线圈16的作用，驱动和控制过程与圆鼓形转子结构完全相同。 

未述及部分一般技术人员均可实施。 

调试后，试用，效果很好。 

Claims (7)

1.一种永磁转子偏转式三自由度运动电机，包括定子、转子（1），底座、外壳（6）与定子固定为一体，其特征在于转子（1）设有导磁材料制成的内芯（3），在内芯（3）外侧分布有非导磁材料构成的隔磁片（13），相邻两个隔磁片（13）之间嵌入安装有永磁体，以N极和S极交错分布，永磁体的外形呈外球面状；位于转子（1）外围的定子上设有均匀等分的上下至少两层磁极铁芯（2）以及固定它们的导磁材料制作的定子轭（5），磁极铁芯（2）上面设有匝数和外形可调的定子磁极线圈（12），磁极铁芯（2）与转子（1）相对侧为凹球面形状，转子（1）具有与之对应的球面形，定子与转子（1）之间具有间隙；输出轴与转子（1）中心固连，并通过外壳（6）的开口处伸向外端，外壳的中心与转子中心相重合，转子（1）通过固定于定子上的环状滚珠轴承（11）支承；定子上设有检测转子位置与速度的传感器，通过相应的检测电路，实现电机的闭环控制，具有普通和磁悬浮运行模式；

所述的输出轴、底座与转子（1）中心通过主螺杆球轴承相固连；

在上述磁极铁芯（2）的上下两层的中间位置设有悬浮辅助线圈（16），或在定子磁极线圈（12）上加设有中间层线圈；

所述的转子（1）为单层圆鼓形或三层立体蝶形结构。

2.根据权利要求1所述的永磁转子偏转式三自由度运动电机，其特征在于具有主螺杆球轴承距离底座的高度可调机构。

3.根据权利要求1所述的永磁转子偏转式三自由度运动电机，其特征在于所述的永磁体为径向或轴向充磁的永磁体。

4.根据权利要求3所述的永磁转子偏转式三自由度运动电机，其特征在于所述的永磁体为阶梯状结构的永磁体。

5.根据权利要求1所述的永磁转子偏转式三自由度运动电机，其特征在于所述的定子和转子（1）的磁极采用八极-六极的配合结构。

6.根据权利要求1所述的永磁转子偏转式三自由度运动电机，其特征在于所述的定子磁极与转子的径向距离通过螺栓调整调节；所述的外壳（6）面向输出轴一侧设置有螺纹连接的锥状开口端盖。

7.根据权利要求1所述的永磁转子偏转式三自由度运动电机，其特征在于所述的检测电路具有电源电路、DSP数字控制器和信号处理电路。