CN108462346A - 一种混合驱动式三自由度运动电动机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种混合驱动式三自由度运动电动机，涉及三自由度运动电动机技术领域。包括外部自转模块和内部偏转模块，所述外部自转模块包括定子和自转转子，定子位于自转转子的外围；自转转子包括偏转转子和位于偏转转子外围的偏转定子；偏转转子与输出轴相连；偏转定子和偏转转子构成内部偏转模块；通过自转和偏转控制，实现输出轴的三自由度运动。本发明解决了传统多自由度电动机现有技术中输出转矩小，自转转速低的问题，可以实现外部自转模块高速自转运动与内部偏转模块精确偏转运动的协同控制，转速高，输出转矩大，性能好，特别适用于高速复杂运动工作场合，可用于空间多自由度运动的各种驱动装置。

Description

一种混合驱动式三自由度运动电动机
技术领域
本发明涉及三自由度运动电动机技术领域。
背景技术
随着科学技术和现代生产力的不断发展，在很多领域，单自由度电动机不能满足生产生活的要求，比如机器人关节等仿生领域、全景摄像驱动领域、武器领域、飞行器领域、车辆驱动等，实现多自由度运动往往需要多个单自由度电动机通过复杂机械结构进行组合，导致机构庞杂、精度低、动态性能差、传动效率不高等问题，而多自由度运动电动机能显著克服上述缺点，有着广阔的发展空间。传统多自由度运动电动机往往采用多自由度运动一体化设计和解耦控制，结构上有较大局限性，转速较低，输出转矩能力有限，且由于自转运动与偏转运动由同一套定子激励线圈控制，作用于同一转子永磁体，致使自转运动和偏转运动难以同时完成，性能上很难得到显著提升，实用化困难。所以，在需要高速运行而且自转运动和偏转运动需要高度协同运行的场合，传统多自由度电动机有着固有问题和缺陷，难以胜任。因此，迫切需要提出适合高速运行及应用于实际工况的新型多自由度运动电动机。
以飞行器桨翼驱动为例，其运动方式为复合运动，在采用传统单自由度运动电动机驱动时，一套驱动系统只能实现空间单自由度上的运动，桨翼的复合运动往往需要多个驱动元件借助传动机构完成；致使飞行器结构复杂，体积大，并增大的飞行器重量，进而影响了飞行器飞行的稳定性和性能。针对此问题，设计新型混合驱动式三自由度运动电动机是最为有效的办法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混合驱动式三自由度运动电动机，解决现有技术中传统多自由度运动电动机转速低，输出转矩较小的问题，可以实现外部自转模块高速自转运动与内部偏转模块精确偏转运动的协同控制，转速高，输出转矩大，性能好，易实现偏转运动的高精度控制，特别适用于高速运动的复杂工作场合，可应用于空间多自由度运动的各种驱动装置和领域。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种混合驱动式三自由度运动电动机，其特征在于：主要包括外部自转模块和内部偏转模块，所述外部自转模块包括定子和自转转子，所述定子位于自转转子的外围；所述自转转子包括偏转转子和位于偏转转子外围的偏转定子；所述偏转转子与输出轴相连；偏转定子和偏转转子构成内部偏转模块；通过自转和偏转的协同控制，实现输出轴的三自由度运动。
优选的，所述定子与自转转子的旋转结合处呈圆柱面形，其间有气隙，自转转子通过轴承和轴承固定座支承。
优选的，所述轴承为通过定子顶端的环状滚珠轴承。
优选的，所述定子包括定子轭、定子槽和定子分布式绕组；所述自转转子的周围的外圆柱面上设置有与所述定子分布式绕组适配的自转转子永磁体，采用Halbach阵列排布模式，至少为四极结构，每极永磁体分为3～6块，在外圆柱面圆周方向采用径向式与平行式磁极交替排列的方式。
优选的，所述偏转转子和偏转定子旋转结合处呈球面形，其间有气隙；所述偏转转子采用单侧输出轴式结构，所述偏转转子的一侧与输出轴连接，另一侧通过关节轴承与偏转定子连接。
优选的，所述偏转转子包括凸球面状偏转模块转子磁轭以及设置在凸球面上的永磁体，所述永磁体呈Halbach阵列排列，每列永磁体磁极数至少为两极结构，径向式与平行式磁极交替排列；所述偏转定子包括自转转子磁轭，所述自转转子磁轭内部设有和顶部凹槽相连的凹球面，凹球面上设有与所述永磁体适配的绕组磁轭及其绕组。
优选的，所述自转转子磁轭采用磁钢片叠压而成，外部为圆柱体，内腔为凹球面。
优选的，所述偏转转子包括转子磁轭支架，支承并固定偏转模块转子磁轭，偏转模块转子磁轭凸球面上沿圆柱面的轴线方向均布有四列转子永磁体，每极永磁体分为2～5块；所述偏转模块转子磁轭和输出轴均与所述转子磁轭支架固定连接；所述偏转定子的凹球面上沿圆柱面的轴线方向均布有与所述四列转子永磁体适配的四列绕组磁轭及其绕组。
进一步的，所述磁轭支架上装有内部偏转模块转子位置检测系统。
优选的，所述绕组和定子分布式绕组的匝数与绕组类别可调；定子分布式绕组为双层分布式绕组，漆包线绕制，无绝缘层；自转转子永磁体与转子永磁体永磁体块数可调；轴承选用关节轴承。
本发明提供的一种混合驱动式三自由度运动电动机的有益效果在于：与现有技术相比，本发明一种混合驱动式三自由度运动电动机，可以实现外部自转模块高速自转运动与内部偏转模块精确偏转运动的协同控制，转速高，输出转矩大，性能好，易实现偏转运动的高精度控制，特别适用于高速复杂运动工作场合，可用于空间多自由度运动的各种驱动装置。
应用Halbach阵列永磁体排布模式解决了自转和偏转模块磁场相互影响的问题，可实现高速而平稳的运行。Halbach阵列永磁体具有天然的磁屏蔽作用，可实现对内部偏转模块的零磁干扰。特别适用于大转矩，高转速应用场合。
采用协同控制策略控制自转与偏转运动，避免了自转绕组与偏转绕组的控制耦合与电磁干扰问题，与传统三自由度运动电动机自转与偏转运动采用一套绕组并进行解耦控制相比，大大提高了自转与偏转运动的可靠性与控制精度，且提升了输出转矩，使其实际应用价值更加显著。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例的立体结构示意图。
图2为图1的A向视图。
图3为图1中外部自转模块的立体结构示意图。
图4为图3的立体剖视图。
图5为图1的内部偏转模块立体结构示意图。
图6为图5的B向视图。
图7为图5的剖视图。
图8为图1的剖视示意图。
图9为图8中的内部偏转模块的局部结构示意图。
图10为滚珠轴承立体结构示意图。
图11为图10滚珠轴承内部结构图。
图12为图4中外部自转模块分布式绕组立体结构示意图。
图13为图4中Halbach阵列永磁体(一极)立体结构示意图。
图14为图4中外部自转模块定子轭立体结构示意图。
图15为关节轴承立体结构示意图。
图16为图5中内部偏转模块定子轭立体结构示意图。
图17为内部偏转模块的一组转子永磁体与定子绕组立体结构示意图。
图18为图17中Halbach永磁体(一极)立体结构示意图。
图19为实施例混合驱动式多自由度运动电动机的控制系统框架图。
图中各标号说明：1—定子，2—自转转子，3—偏转定子，4—偏转转子，5—自转转子磁轭(偏转定子壳)，6—定子轭，7—偏转模块转子磁轭，8—自转转子永磁体(Halbach阵列)，9—永磁体(Halbach阵列)，10—绕组磁轭，11—定子分布式绕组，12—绕组，13—定子槽，14—输出轴，15—轴承，16—关节轴承，17—极靴，18—电动机端盖，19—顶部凹槽，20—输出轴活动孔，21—电动机基座，22—转子磁轭支架，23—螺栓，24—关节轴承固定基座，25—关节轴承外圈，26—关节轴承内圈，27—关节轴承固定杆(即轴承固定座)，28—滚珠轴承滚珠，29—滚珠轴承外环，30—滚珠轴承内环，31—滚珠轴承保持器。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请一并参阅图1及图19。
现对本发明提供的一种混合驱动式三自由度运动电动机进行说明。所述一种混合驱动式三自由度运动电动机，其特征在于：主要包括外部自转模块和内部偏转模块，所述外部自转模块包括定子1和自转转子2，所述定子1位于自转转子2的外围；所述自转转子2包括偏转转子4和位于偏转转子4外围的偏转定子3；所述偏转转子4与输出轴14相连；偏转定子3和偏转转子4构成内部偏转模块；通过自转和偏转的协同控制，实现输出轴14的三自由度运动。作为本发明提供的飞行器桨翼驱动系统的一种实施方式。
外部自转模块为内转子结构，负责自转运动，内部偏转模块负责偏转运动。
优选的，所述定子1与自转转子2的旋转结合处呈圆柱面形，其间有气隙，自转转子2通过轴承15和关节轴承固定杆27支承。作为本发明提供的飞行器桨翼驱动系统的一种具体实施方式。
采用内转子结构以增强电动机转子自转的稳定性，相较与外转子结构电动机，提高了电动机自转转速，减弱了自转转矩脉动，自转转子2内偏转模块随自转转子2自转，自转转子2自转惯性及转矩脉动对偏转模块影响可以忽略，实现完全解耦运行，保证了内部偏转模块的运动精度。
优选的，所述轴承15为通过定子顶端的环状滚珠轴承。
滚珠轴承与滑动轴承相比，采用滚动摩擦代替滑动摩擦，减小了轴承内环与外环之间的摩擦系数，更加适用于轴承内环高速自转的应用场合，且本发明主要应用于飞行器桨翼驱动系统领域，滚珠轴承使用寿命长，圆环形结构更不易形变，使用与维修十分方便，更加适用于飞行器桨翼驱动系统高速自转的工况。
优选的，所述定子1包括定子轭6、定子槽13和定子分布式绕组11；所述自转转子2的周围的外圆柱面上设置有与所述定子分布式绕组11适配的自转转子永磁体8，采用Halbach阵列排布模式，至少为四极结构，每极永磁体分为3～6块，在外圆柱面圆周方向采用径向式与平行式磁极交替排列的方式。作为本发明提供的飞行器桨翼驱动系统的一种具体实施方式。
选用分布式绕组11作为定子绕组，磁场波形近似正弦，谐波含量小，与集中式绕组相比更有利于提高自转转子2转速和转矩输出能力，且转矩脉动小；Halbach磁体阵列具有良好的磁屏蔽作用，气隙磁密正弦性较好；常规充磁永磁体气隙磁密波形畸变较为严重，为平顶波波形，内外磁场强度均较强，无磁屏蔽作用。自转转子永磁体8采用Halbach阵列排布模式，永磁体内朝向磁场磁密几乎为0，与常规充磁永磁体相比，极大的削弱了外部自转模块对内部偏转模块的磁干扰，可减小转子磁轭厚度；同时提高了自转转子永磁体8外部气隙磁场磁密的正弦性，提高了气隙磁场的磁场强度，进一步优化了自转转子2外部气隙磁场的磁场特性，减弱了自转转矩脉动。Halbach阵列永磁体8为每极分段式结构，每极分块数越多气隙磁场正弦性越好，由于涉及到高速自转的实际应用情况，并考虑到生产成本与加工工艺，不能无限制增加分块数，优化后选定每极永磁体分段数为3～6块。
优选的，所述偏转转子4和偏转定子3旋转结合处呈球面形，其间有气隙；所述偏转转子4采用单侧输出轴式结构，所述偏转转子4的一侧与输出轴14连接，另一侧通过关节轴承16与偏转定子3连接。作为本发明提供的飞行器桨翼驱动系统的一种具体实施方式。
由于偏转运动为转轴位于偏转定子3内腔几何中心的圆周运动，采用球面形结合部保证了偏转转子4与偏转定子3间各处气隙长度均相等，保证了偏转模块定转子间磁场为均匀磁场，这是偏转运动可精确控制的必要条件；关节轴承16荷载能力大，耐磨损，与常规轴承相比，运动时可任意角度旋转并支承，最适合作为偏转转子4与偏转定子3之间连接轴承。
优选的，所述偏转转子4包括凸球面状偏转模块转子磁轭7以及设置在凸球面上的永磁体9，所述永磁体9呈Halbach阵列排列，每列永磁体磁极数至少为两极结构，径向式与平行式磁极交替排列；所述偏转定子3包括自转转子磁轭5，所述自转转子磁轭5内部设有和顶部凹槽19相连的凹球面，凹球面上设有与所述永磁体9适配的绕组磁轭10及其绕组12。作为本发明提供的飞行器桨翼驱动系统的一种具体实施方式。
采用Halbach阵列排布永磁体9作为偏转永磁体，与常规径向充磁，平行充磁永磁体相比，提高了偏转磁场的正弦性，常规充磁永磁体磁场波形畸变较大，多为平顶波，谐波较多，而Halbach阵列排布永磁体磁场波形几乎为正弦波，谐波强度较弱，基波磁场强度远大于谐波，产生偏转转矩较大，相较于常规充磁永磁体，Halbach阵列排布永磁体9也提高了偏转运动的控制精度。
优选的，所述自转转子磁轭5采用磁钢片叠压而成，外部为圆柱体，内腔为凹球面。
内腔面为凹球面对应了偏转转子4的凸球面形状，转子磁轭5采用叠压磁钢片材料，限制了涡流的流通路径，减弱了电动机自转时转子磁轭5内部的涡流损耗，有利于提高电动机的效率，延长电动机使用寿命。
优选的，所述偏转转子4包括转子磁轭支架22，支承并固定偏转模块转子磁轭7，偏转模块转子磁轭7凸球面上沿圆柱面的轴线方向均布有四列转子永磁体9，每极永磁体分为2～5块；所述偏转模块转子磁轭7和输出轴14均与所述转子磁轭支架22固定连接；所述偏转定子3的凹球面上沿圆柱面的轴线方向均布有与所述四列转子永磁体9适配的四列绕组磁轭10及其绕组12。作为本发明提供的飞行器桨翼驱动系统的一种具体实施方式。
Halbach阵列转子永磁体9为每极永磁体分段式结构，每极至少分为两段，分段数越多，转子磁场正弦性越好，但是会带来制造工艺复杂，成本过高的诸多问题，且偏转永磁体9由于体积较小，分块数过多会增加制作难度，因此每极分块数最多为5块。偏转永磁体9采用Halbach阵列永磁体结构，相较于普通充磁阵列永磁体，提高了偏转运动的控制精度与电机带负载能力。四列转子永磁体和绕组的设计，转动惯量适中，可以保证各个方向上的偏转要求和动态响应性。
进一步的，所述磁轭支架22上装有内部偏转模块转子位置检测系统。作为本发明提供的飞行器桨翼驱动系统的一种具体实施方式。
转子位置检测系统配合控制电路，精确检测转子4偏转角度并反馈到控制器中，作为闭合控制回路的一部分配合控制转子偏转，可提高偏转运动控制精度，解决了飞行器桨翼控制中最核心的控制精度问题。位置检测系统可以使用现有光电或磁感应式传感器，性能可靠，便于安装。
优选的，所述绕组12和定子分布式绕组11的匝数与绕组类别可调；定子分布式绕组11为双层分布式绕组，漆包线绕制，无绝缘层；自转转子永磁体8与转子永磁体9永磁体块数可调；轴承优选关节轴承。作为本发明提供的飞行器桨翼驱动系统的一种具体实施方式。
采用双层绕组，可以通过短距节省端部用铜量(叠绕组式)，或者减少线圈组之间的联线(波绕组式)。更重要的是，可以同时采用分布和短距来改善绕组电动势和磁动势的波形。因此，本发明选用双层分布式绕组结构，匝数亦可根据需要灵活调节。根据实际应用情况，比如桨翼驱动，以及要求的自转和偏转控制精度，通过调整永磁体的分块数目，使得永磁体极数与控制精度得到调节，提高了自转和偏转的稳定性，转速平稳，转矩脉动较低。
更具体详述如下：
图1所示，电动机端盖18通过螺栓23固定在外部自转模块定子磁轭6上。
图2、图3、图14所示，外部自转模块定子1包括定子磁轭6、定子分布式绕组11，定子磁轭6包括定子槽13、极靴17，定子分布式绕组11通过极靴嵌在定子槽13中，为3相36槽双层叠绕组；外部自转模块转子2包括转子Halbach阵列自转转子永磁体8，自转转子磁轭(偏转定子壳)5，转子永磁体8径向式与平行式磁极交替排列，固定在转子磁轭5外侧，与转子磁轭5之间无间隙，Halbach阵列排布自转转子永磁体8的磁力线集中在外侧，内侧几乎为0，内部偏转模块转子磁轭7外侧为圆柱状结构，内部为球形腔，球形腔内不受自转转子永磁体8磁场影响。外部自转模块定子1与转子2之间有空气气隙。
图4、图13所示，自转转子永磁体8高度略高于定子磁轭6，自转转子永磁体8为中空圆柱形结构，在圆周方向上每极分为6段永磁体，段与段之间充磁方向不同，径向式与平行式磁极交替排列，优化了永磁体靠定子磁轭一侧的磁场特性，径向磁密呈正弦分布，永磁体8靠转子磁轭5一侧磁场强度几乎为0。
图5、图6、图7、图15所示，内部偏转模块包括偏转定子3、偏转转子4两部分，定子包括自转转子磁轭(偏转定子壳)5、绕组磁轭10、绕组12，其中，自转转子磁轭5即为偏转定子壳；转子包括永磁体9、内部偏转模块转子磁轭7、转子磁轭支架22；定子球壳顶部开有输出轴活动孔20，输出轴14输出端从活动孔伸出，另一端固定在转子磁轭支架22的几何中心上。
偏转模块定子壳5为柱状结构，内腔与转子永磁体外形相适配，为中空的球形壳体，内腔壁上设有四列垂直方向上的定子绕组12与固定定子绕组的定子磁轭10，彼此相对的两列定子绕组在同一平面上，内腔设有与四列上述定子绕组相适配的垂直方向上的转子永磁体9，转子永磁体9在垂直方向上采用Halbach阵列排布，永磁体磁极数可调，径向式与平行式磁极交替排列，每极永磁体分段，偏转模块转子磁轭7为环状结构，支撑并固定转子永磁体9，转子磁轭支架22固定偏转模块转子磁轭7，与内部偏转模块定子球壳5采用关节轴承16相连接。
偏转定子球腔内壁垂直方向上固定有四列绕组磁轭10及缠绕在磁轭上的绕组12，每列绕组磁轭及其对应的定子绕组为9个，列与列之间在一个平行于电动机基座的圆周方向上呈间隔90度的排布规律排布；四列转子永磁体9与绕组12相对应，绕组12面向永磁体9的对应面为凹面结构，永磁体9面向绕组12的对应面为凸面结构，永磁体9与绕组12之间有空气气隙。永磁体9固定在内部偏转转子磁轭7外围，内部偏转转子磁轭7通过转子磁轭支架22固定在位于球腔几何中心处的关节轴承外圈25上，关节轴承内圈26与固定在球腔底面的关节轴承固定基座24固连。给绕组12通电，产生与永磁体9相作用的磁场，使得永磁体9偏转带动输出轴14偏转。
图8、图9、图10、图11所示，外部自转模块转子磁轭5通过轴承15与外部自转模块定子1固连，滚珠轴承内环30与自转转子磁轭(偏转定子壳)5固定，滚珠轴承外环29与定子1固定；内部偏转模块位于自转转子磁轭(偏转定子壳)5的球腔内。给外部自转模块定子分布式绕组11通三相交流电，产生旋转磁场驱动外部自转转子永磁体8自转，带动输出轴14自转。
图12所示，外部自转模块定子分布式绕组11为叠绕组，线圈采用漆包线绕制。
图17、图18所示，内部偏转模块永磁体9在垂直方向上呈Halbach阵列排布，一组永磁体包括六个磁极，径向式与平行式磁极交替排列，每极分为三块永磁体，内部偏转模块定子球腔内壁上固定有9个定子绕组12与永磁体9对应。永磁体9采用径向式与平行式磁极交替排列，永磁体9偏向于定子绕组12一侧磁场径向磁密呈正弦规律变化，磁场强度增强。永磁体9偏向于内部偏转模块转子磁轭7一侧磁场强度几乎为0。
图19所示，具体控制过程如下：先启动外部自转模块，给外部自转模块定子绕组通以三相交流电，三相电压相位差为120度。采用矢量控制方法实现交流永磁自转模块的控制，通过复合式光电编码器检测转子自转位置，将转子位置信号反馈到DSP控制板中，在三相闭环PID控制的基础上，引入微分负反馈控制与前馈控制优化控制系统的控制性能，通过增加采样点优化前馈控制环节，以实现对转子位置的精确控制。判断自转转速，如自转转速过大或过小，则通过改变定子绕组通电频率调节转速；如自转转速符合要求，则将内部偏转模块定子绕组通电，启动内部偏转模块。内部偏转模块转子在初始位置时，可放置在磁感应式位置传感器检测到当前位置信号并传输给A/D整形电路进行滤波和整形处理，将处理后的信号接入DSP控制板，由DSP控制板记录下转子的当前位置。
当偏转模块开始偏转运动，转子永磁体偏转后磁路气隙发生变化，磁路磁阻与穿过传感器信号线圈的磁通量也随之周期性改变，通过检测传感器线圈中的感应电动势，并将传感器信号传输到DSP控制板中，实现对转子永磁体位置的实时监测。通过DSP将处理后的转子位置信号与期望值进行比较，并经由DSP处理运算后生成下一步控制信号，DSP根据控制算法生成驱动开关器件通断的PWM控制信号，该PWM控制信号采用空间电压矢量调制技术为宜，使得运动控制精度更高。通过对垂直位置不同的偏转模块定子绕组中电压大小和方向进行检测和跟踪控制，构成闭环回路，来实现内部偏转模块转子的偏转运动。
电动机输出轴与飞行器桨翼固连，可通过改变自转模块定子绕组的通电频率改变转速，转速由公式n＝60f/p确定，n为转速，f为定子绕组的通电频率，p为自转转子永磁体极对数，改变通电频率即改变了桨翼的转速；当飞行器桨翼需要按照实际工况进行俯仰等偏转运动时，在保持自转线圈通电的前提下，按照上述控制策略给偏转绕组通电控制，偏转绕组产生磁场与偏转转子永磁体相互作用，驱动电动机输出轴偏转，带动桨翼做高速自转下的偏转运动。
外部自转模块与内部偏转模块各有一套控制策略，将自转运动与偏转运动分开控制，实现对三自由度运动电动机的混合驱动，简化了控制机理，提高了复合运动的控制精度与电动机转矩。本发明结构紧凑，节约空间，动态性能好，控制精度高，适合应用于飞行器桨翼驱动等空间多自由度运动的各种驱动装置。
本发明适用于空间多自由度运动领域,举例来说在飞行器驱动中，可以实现桨翼的自转加偏转运动控制，大大简化结构，降低飞行器整体体积与质量，提高结构可靠性；Halbach永磁体阵列与常规磁体结构相比，具有良好的磁屏蔽特性，气隙磁密分布十分接近正弦波，提高了气隙磁密，应用Halbach永磁体阵列到本电机的特殊结构中这也是本发明创新的关键之一；偏转与自转运动由两套控制电路控制，实现完全解耦，可提高自转转速与偏转运动控制精度和灵活性与实用性；自转与偏转驱动原理与现有多自由度运动电动机相比，达到甚至超过传统电动机驱动能力，大大提高电机输出转矩，弥补了现有多自由度运动电动机驱动力矩不足的问题。
以上未述及部分本专业技术人员均可实施。
上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，依然可以在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述方案进行变化、修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换、改进等。以上所述本发明的较佳实施例并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种混合驱动式三自由度运动电动机，其特征在于：主要包括外部自转模块和内部偏转模块，所述外部自转模块包括定子(1)和自转转子(2)，所述定子(1)位于自转转子(2)的外围；所述自转转子(2)包括偏转转子(4)和位于偏转转子(4)外围的偏转定子(3)；所述偏转转子(4)与输出轴(14)相连；偏转定子(3)和偏转转子(4)构成内部偏转模块；通过自转和偏转的协同控制，实现输出轴(14)的三自由度运动。
2.根据权利要求1所述的混合驱动式三自由度运动电动机，其特征在于：所述定子(1)与自转转子(2)的旋转结合处呈圆柱面形，其间有气隙，自转转子(2)通过轴承(15)和轴承固定座支承。
3.根据权利要求2所述的混合驱动式三自由度运动电动机，其特征在于：所述轴承(15)为通过定子顶端的环状滚珠轴承。
4.根据权利要求2所述的混合驱动式三自由度运动电动机，其特征在于：所述定子(1)包括定子轭(6)、定子槽(13)和定子分布式绕组(11)；所述自转转子(2)的周围的外圆柱面上设置有与所述定子分布式绕组(11)适配的自转转子永磁体(8)，采用Halbach阵列排布模式，至少为四极结构，每极永磁体分为3～6块，在外圆柱面圆周方向采用径向式与平行式磁极交替排列的方式。
5.根据权利要求1或4所述的混合驱动式三自由度运动电动机，其特征在于：所述偏转转子(4)和偏转定子(3)旋转结合处呈球面形，其间有气隙；所述偏转转子(4)采用单侧输出轴式结构，所述偏转转子(4)的一侧与输出轴(14)连接，另一侧通过关节轴承(16)与偏转定子(3)连接。
6.根据权利要求5所述的混合驱动式三自由度运动电动机，其特征在于：所述偏转转子(4)包括凸球面状偏转模块转子磁轭(7)以及设置在凸球面上的永磁体(9)，所述永磁体(9)呈Halbach阵列排列，每列永磁体磁极数至少为两极结构，径向式与平行式磁极交替排列；所述偏转定子(3)包括自转转子磁轭(5)，所述自转转子磁轭(5)内部设有和顶部凹槽(19)相连的凹球面，凹球面上设有与所述永磁体(9)适配的绕组磁轭(10)及其绕组(12)。
7.根据权利要求6所述的混合驱动式三自由度运动电动机，其特征在于：所述自转转子磁轭(5)采用磁钢片叠压而成，外部为圆柱体，内腔为凹球面。
8.根据权利要求6所述的混合驱动式三自由度运动电动机，其特征在于：所述偏转转子(4)包括转子磁轭支架(22)，支承并固定偏转模块转子磁轭(7)，偏转模块转子磁轭(7)凸球面上沿圆柱面的轴线方向均布有四列转子永磁体(9)，每极永磁体分为2～5块；所述偏转模块转子磁轭(7)和输出轴(14)均与所述转子磁轭支架(22)固定连接；所述偏转定子(3)的凹球面上沿圆柱面的轴线方向均布有与所述四列转子永磁体(9)适配的四列绕组磁轭(10)及其绕组(12)。
9.根据权利要求8所述的混合驱动式三自由度运动电动机，其特征在于：所述磁轭支架(22)上装有内部偏转模块转子位置检测系统。
10.根据权利要求8所述的混合驱动式三自由度运动电动机，其特征在于：绕组(12)和定子分布式绕组(11)的匝数与绕组类别可调；定子分布式绕组(11)为双层分布式绕组，漆包线绕制，无绝缘层；自转转子永磁体(8)与转子永磁体(9)永磁体块数可调；轴承选用关节轴承。
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