CN109728699B - 双定子多自由度电动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供双定子多自由度电动机，涉及多自由度电机技术领域。其转子位于外定子和内定子之间，转子的内外两侧之间嵌有隔磁板；所述外定子、转子的内侧，以及内定子的齿极上均设有绕组，转子外侧设有永磁体或齿极；外定子内侧、转子外侧内侧以及内定子的齿极外侧轮廓均为球面状，转子的轴的下端通过关节轴承与内定子连接轴相连，所述转子通过转子连接板与输出轴上部固定，转子的轴长度在外定子、内定子的上开口位置，可以自转和偏转。本发明主要解决现有多自由度电机输出转矩小等问题。可以实现自转和偏转的协调控制，具有输出转矩转矩大、结构简单紧凑、占用空间小、成本低，可应用于需要空间多自由度运动的驱动装置领域。

Description

双定子多自由度电动机

技术领域

本发明涉及多自由度电动机技术领域。

背景技术

随着现代工业水平和科学技术的不断发展，人们对于工业装置的稳定性和准确性要求也随之增长。传统的多自由度运动系统装置通常由多个单自由度驱动装置与机械传动装置组成，这种复杂结构增大了系统的体积和成本，降低了系统的可靠性、摩擦损耗较大。而多自由度电机机械集成度高，传动简单，简化了系统机构，提高了运行效率，有着广阔的发展空间。在航天、家电、机械手臂、仿生以及对精度要求苛刻的领域，对于多自由度电机的需求越来越高。

开关磁阻电机是一种新型调速电机，兼具直流、交流两类电机系统的优点，定转子的级数有多种不同的搭配，采用多相结构利于提高启动性能，减少转矩脉动。而与传统的单定子电机相比，双定子开关磁阻式电动机具有独特的性能，即两个定子与转子间气隙磁阻的变化所产生的磁阻力将共同作用在转子上作机械功产生转矩，可提高输出平均转矩。由此可见，双定子结构电动机在输出特性上优于单定子结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双定子多自由度电动机，解决现有多自由度电机输出转矩小等问题。可以实现自转和偏转的协调控制，具有输出转矩转矩大、结构简单紧凑、占用空间小、成本低，可应用于需要空间多自由度运动的驱动装置领域。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：双定子多自由度电动机，包括电动机外壳和外定子，其特征在于：还包括转子和内定子，所述转子位于外定子和内定子之间，转子的内外两侧之间嵌有隔磁板，使转子中内外两侧磁路分离；所述外定子、转子的内侧，以及内定子的齿极上均设有绕组，转子外侧设有永磁体或齿极；所述外定子内侧、转子外侧内侧以及内定子的齿极外侧轮廓均为球面状，便于电动机实现偏转运动；外定子设有上开口；所述转子上或与转子固定的连接板上固定有输出轴，输出轴位于外定子的上开口位置；输出轴(15)交接有转动支架机构，转动支架机构与电动机外壳固定，输出轴可以自转和偏转；所述外定子、转子、内定子构成自转模块；所述转子、内定子构成偏转模块；通过自转和偏转的控制，可完成输出轴的三自由度运动。

优选的，所述的转动支架机构包括：外定子设有上开口的内腔，输出轴的下端通过关节轴承与内定子连接轴相连，内定子连接轴上与内定子相固定，下与电动机外壳相固定。

优选的，所述内定子连接轴上侧凹槽与滚珠共同构成关节轴承。

优选的，所述的外定子、转子、内定子均采用凸极齿槽式结构。

优选的，所述外定子、内定子、转子均采用硅钢片叠压而成；所述绕组采用集中式绕组。

优选的，所述转子连接板上装有内外转子位置检测器。

优选的，由内定子和转子的内侧组成的内电动机为开关磁阻电动机，由外定子和转子的外侧组成的外电动机为开关磁阻电动机。

优选的，所述外定子设有12个齿极，内定子设有上下层各6个齿极，转子铁芯外侧设有8个齿极、内侧设有上下层各4个齿极，并卷绕有绕组；给上下两层相对应绕组通以不同电流，对通电绕组的个数进行控制，并通过转子连接板上的转子位置检测器实现电动机A、B向的偏转运动；所述外定子、内定子、转子之间均设置有气隙，便于转子偏转。

优选的，电动机外壳包括端盖、外壳两侧、底座，外定子与电动机外壳的外壳两侧相固定。

本发明的技术效果是：解决现有多自由度电机输出转矩小、转矩脉动大等问题。可以实现自转和偏转的协调控制，具有输出转矩转矩大、输出平均转矩高、结构简单紧凑、占用空间小、成本低，可应用于需要空间多自由度运动的驱动装置领域。

能集开关磁阻电动机与电励磁式同步电动机优点于一身，所述电机自转时为内外两个开关磁阻电动机，所述偏转时为电励磁式同步电动机，做到了优势互补。转矩脉动小、在传统同步电机基础上对定转子及齿槽结构进行球面状设计，方便电动机实现偏转，其功率因数超前，利于改善电网的功率因数，增加电网能量。另外运行稳定性高，当电网电压突然下降到额定值的80％时，其励磁系统一般能自动调节实行强行励磁，保证电动机运行稳定。在自转时，同时集内外两个开关磁阻电动机于一身，并针对转子轴向长度高于内外定子的独特设计，根据“磁阻最小原理”，磁力线将不经过过多的气隙，直接穿过转子，有利于提高输出效率。大大提高了电机的输出转矩，弥补了现有多自由度运动电动机输出转矩不足的问题。可应用在航天、家电、机械手臂、仿生以及对精度要求苛刻的领域。

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的立体剖视图。

图3为图2中内外双定子和转子的立体结构示意图。

图4为图3的立体剖视图。

图5为图4的C向视图。

图6为图3中自转模块的立体结构示意图。

图7为图3中偏转模块的立体结构示意图。

图8为图7的D向视图。

图9为图2中绕A向偏转的立体结构示意图。

图10(b)为图2中绕B向偏转的立体结构示意图。

图10(a)为图10(b)的E向视图。

图11为实施例双定子开关磁阻式混合驱动多自由度电动机的驱动系统框架图。

图中各标号含义：1—外定子，2—转子，3—隔磁片，4—内定子，5a—外定子齿极，5b—内定子齿极，5—内外定子上的齿极，6—转子内侧的齿极，7a—双定子及转子内侧的齿极，7b—转子外侧的齿极，7—所有齿极，8—转子内侧齿极上的绕组，9a—外定子齿极上的绕组，9b—内定子齿极上的绕组，9—自转模块起作用的绕组，10—偏转模块起作用的绕组，11—所有绕组，12—内定子连接轴，13a—电动机外壳端盖，13b—电动机的外壳两侧，13c—电动机外壳底座，13—电动机外壳，14—螺丝钉，15—输出轴，16—转子连接板，17—关节轴承，18—螺丝钉槽，19—球面状，20—上开口，21—内定子连接轴基座。

具体实施方式

附图仅用于对示例进行说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图中某些部件可能会存在省略、放大或缩小，对本专业的人员来说附图中存在的省略、放大或缩小是可以理解的。以下结合附图，对本专利进行详细说明。

作为本发明的一个具体实施方式。本发明采用的技术方案是：双定子多自由度电动机，包括电动机外壳13和外定子1，其特征在于：还包括转子2和内定子4，所述转子2位于外定子1和内定子4之间，转子2的内外两侧之间嵌有隔磁板3，使转子2中内外两侧磁路分离；所述外定子1、转子2的内侧，以及内定子4的齿极7a上均设有绕组11，转子外侧设有永磁体或齿极7b；所述外定子1内侧、转子2外侧内侧以及内定子4的齿极7外侧轮廓均为球面状19，便于电动机实现偏转运动；外定子1设有上开口20；所述转子2上或与转子2固定的连接板16上固定有输出轴15，输出轴15位于外定子1的上开口20位置；输出轴15交接有转动支架机构，转动支架机构与电动机外壳13固定，输出轴15可以自转和偏转；所述外定子1、转子2、内定子4构成自转模块；所述转子2、内定子4构成偏转模块；通过自转和偏转的控制，可完成输出轴15的三自由度运动。

本发明主要解决现有多自由度电机输出转矩小等问题。可以实现自转和偏转的协调控制，具有输出转矩转矩大、占用空间小、成本低，可应用于需要空间多自由度运动的驱动装置领域。

作为本发明的一个具体实施方式，优选的，所述的转动支架机构包括：外定子1设有上开口20的内腔，输出轴15的下端通过关节轴承17与内定子连接轴12相连，内定子连接轴12上内定子4相固定，下与电动机外壳13相固定。

作为本发明的一个具体实施方式，所述的转动支架机构也可包括自调心球轴承，自调心球轴承的内环与内定子4固定，自调心球轴承的外环与输出轴15相固定。内定子4与电动机外壳13相固定。等结构。

优作为本发明的一个具体实施方式，选的，所述内定子连接轴12上侧凹槽与滚珠共同构成关节轴承17。

作为本发明的一个具体实施方式，优选的，所述的外定子1、转子2、内定子4均采用凸极齿槽式结构。优选的，所述外定子1、内定子4、转子2均采用硅钢片叠压而成；所述绕组11采用集中式绕组。

作为本发明的一个具体实施方式，优选的，所述转子连接板16上装有内外转子位置检测器。

作为本发明的一个具体实施方式，优选的，由内定子4和转子2的内侧组成的内电动机为开关磁阻电动机，由外定子1和转子2的外侧组成的外电动机为开关磁阻电动机。所述外电动机也可为永磁同步电动机。

作为本发明的一个具体实施方式，优选的，所述外定子1设有12个齿极5a，内定子4设有上下层各6个齿极5b，转子铁芯外侧设有8个齿极7b、内侧设有上下层各4个齿极6，并卷绕有绕组8；给上下两层相对应绕组10通以不同电流，对通电绕组10的个数进行控制，并通过转子连接板16上的转子位置检测器实现电动机A、B向的偏转运动；所述外定子1、内定子4、转子2之间均设置有气隙，便于转子2偏转。

开关磁阻调速电机，兼具直流、交流两类电机系统的优点，定转子的级数有多种不同的搭配，采用多相结构利于提高启动性能，减少转矩脉动。

作为本发明的一个具体实施方式。优选的，电动机外壳13包括端盖13a、外壳两侧13b、底座13c，外定子1与电动机外壳13的外壳两侧13b相固定。

作为本发明的一个具体实施方式，具体说明如下。

本发明一种双定子开关磁阻式的混合驱动多自由度电动机，其特征在于：包括双定子和转子2，所述双定子包括外定子1和内定子4，所述转子2位于外定子1和内定子4之间，且外定子1、转子2、内定子4均采用凸极齿槽式结构；所述隔磁板3嵌于转子2的内外两侧之间，使转子2中内外两侧磁路分离；所述外定子1、转子2、内定子4的极数设为12/8/4/6极；所述外定子1、转子2的内侧、内定子4上的齿极7a上均设有绕组11，转子外侧齿极7b上无绕组11，并且无永磁体；所述外定子1、转子2、内定子4上的齿极7外侧轮廓均为球面状19，便于电动机实现偏转运动；所述外定子1、转子2、内定子4及卷绕在外定子1、内定子4上的绕组9构成自转模块，可看成由内外两个开关磁阻电动机组成；所述转子2、内定子4及卷绕在转子内侧齿极6、内定子齿极5b上的绕组10构成偏转模块，可看成励磁式同步电机；转子2的轴向长度高于外定子1、内定子4，当偏转时，磁力线不经过过多的气隙，直接穿过转子，有利于提高输出效率。通过自转和偏转的协调控制，完成输出轴15的三自由度运动。

更具体详述如下图所示，作为本发明提供的一种具体实施方式。

图1、图2所示，所述电动机外壳13的端盖13a、底座13c，内定子连接轴12通过螺丝钉14固定；所述内定子4通过内定子连接轴12的内定子连接轴基座21与电动机外壳13的底座13c相固定；所述外定子1与电动机外壳13的外壳两侧13b相固定。所述转子2通过转子连接板16与输出轴15固定，便于转子2偏转；所述内定子连接轴12上侧凹槽与滚珠共同构成关节轴承17，便于转子2偏转；所述转子连接板16上装有内外转子位置检测器，为准时开关各相线圈电流提供依据。

图3、图7所示，所述外定子1铁芯内侧轮廓为凹面球状，内定子4铁芯外侧轮廓为凸面球状，前者设有12个齿极5a，后者设有上下层各6个齿极5b，转子铁芯外侧设有8个齿极7b、内侧设有上下层各4个齿极6，齿极7外侧轮廓为球面状19，转子2的内、外侧轮廓分别为凹、凸面球状，与定子结构相对应，便于转子2偏转；所述外定子1、内定子4、转子2之间均设置有气隙，便于转子(2)偏转。

图3、图5、图6所示，所述自转模块的工作机理遵循“磁阻最小原理”，通过两个外控电路控制其自转；所述电动机在自转时，可以看作由两个开关磁阻电动机组成，即由内定子4和转子2的内侧组成的内电动机和由外定子1和转子2的外侧组成的外电动机。在自转时，同时集内外两个开关磁阻电动机于一身，并针对转子轴向长度高于内外定子的独特设计，根据“磁阻最小原理”，磁力线将不经过过多的气隙，直接穿过转子，大大提高了电机的输出效率、输出转矩，减小转矩脉动，弥补了现有多自由度运动电动机驱动力矩不足的问题。

图10所示，偏转模块根据“同斥异吸”的作用原理，内定子4设有上下层各6个齿极5b并卷绕有绕组9b,转子2的内侧设有上下层各4个齿极6并卷绕有绕组8。给上下两层相对应绕组10通以不同电流，对通电绕组10的个数进行控制，对图中所示的绕组10通以电流使之产生如图所示的磁场极性，产生异极相吸，同极相斥的力，并通过转子连接板16上的内外转子位置检测器实现电动机A向的偏转运动,同理可实现B向的偏转运动。

双定子开关磁阻式混合驱动多自由度电动机的驱动系统包括：电动机、驱动电路、控制器、电流检测器和位置检测器，其中自转模块中的电动机为内外开关磁阻电动机，偏转模块中的电动机为电励磁式同步电机。由于，内外两个开关磁阻电动机构成自转模块；电励磁式同步电机构成偏转模块，所以须有三套驱动电路完成本发明电动机的多自由度空间运动。

如图11所示是双定子开关磁阻式混合驱动多自由度电动机的驱动系统流程图，具体控制过程如下：

启动自转模块，先给自转驱动电路1、驱动电路2直流供电，提供自转模块所需能量。DSP控制器先对光电编码器中的信号以及内外电机各相的电流进行采集并处理，通过观察内外转子位置检测器中转子的位置，确保在合适的时刻导通或关断对应内外电动机中绕组电流，其输出信号反馈到DSP控制器，然后DSP控制器生成驱动电路需要的PWM波，输出的PWM波控制自转驱动电路1、驱动电路2中的开关器件开通和关断，使得内外开关磁阻电动机协调运动，同时电流检测器的信号反馈给DSP控制器进行内外开关磁阻电动机的电流控制或检测是否过流。

偏转运动是本发明的一个重要性能指标，首先关断自转驱动电路1，给驱动电路2、偏转驱动电路3直流供电，此外内定子齿极和转子内侧齿极上相对应的绕组通以不同电流，并对线圈个数进行控制，通过励磁电流运行，对图10中所示的绕组通以电流使之产生如图10所示的磁场极性，根据“同斥异吸”的作用原理，产生异极相吸，同极相斥的力。此外电流检测器和转子位置检测器的信号反馈到DSP控制器后，经分析处理，计算出转子偏转后转子轴线与定子轴线呈现的角度与相对于初始位置的位移大小。检测器的信号经DSP控制器处理后，与期望值进行比较，DSP控制器输出采用电流滞环跟踪的驱动电路2、偏转驱动电路3所需要的PWM波，继续控制驱动电路2、偏转驱动电路3中的开关器件开通和关断，完成电机偏转。至此可以在任意期待方向上实现多个自由度的运动。

最后通过串口与上位机进行实时通信，对内外开关磁阻电动机、电励磁式同步电机的运行状况进行检测。

自转模块的工作机理遵循“磁阻最小原理”，通过两个外控电路控制其自转。

电动机在自转时，可以看作由两个开关磁阻电动机组成，即由内定子和转子的内侧组成的内电动机和由外定子、转子的外侧组成的外电动机。

偏转模块根据“同斥异吸”的作用原理，内定子设有上下层各6个齿极并卷绕有绕组,转子的内侧设有上下层各4个齿极并卷绕有绕组。给上下两层相对应绕组通以不同电流，对通电绕组的个数进行控制，并通过转子连接板上的转子位置检测器实现电动机A、B向的偏转运动。

所述电机自转时为内外两个开关磁阻电动机；所述偏转时为电励磁式同步电动机。

以上未述及部分本领域技术人员均能实施。

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。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，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.双定子多自由度电动机，包括电动机外壳(13)和外定子(1)，其特征在于：还包括转子(2)和内定子(4)，所述转子(2)位于外定子(1)和内定子(4)之间，转子(2)的内外两侧之间嵌有隔磁板(3)，使转子(2)中内外两侧磁路分离；所述外定子(1)、转子(2)的内侧，以及内定子(4)的齿极(7a)上均设有绕组(11)，转子外侧设有永磁体或齿极(7b)；所述外定子(1)内侧、转子(2)外侧内侧以及内定子(4)的齿极(7)外侧轮廓均为球面状(19)，便于电动机实现偏转运动；外定子(1)设有上开口(20)；所述转子(2)上或与转子(2)固定的连接板(16)上固定有输出轴(15)，输出轴(15)位于外定子(1)的上开口(20)位置；输出轴(15)交接有转动支架机构，转动支架机构与电动机外壳(13)固定，输出轴(15)可以自转和偏转；所述外定子(1)、转子(2)、内定子(4)构成自转模块；所述转子(2)、内定子(4)构成偏转模块；通过自转和偏转的控制，可完成输出轴(15)的三自由度运动；

所述外定子(1)设有12个齿极(5a)，内定子(4)设有上下层各6个齿极(5b)，转子铁芯外侧设有8个齿极(7b)、内侧设有上下层各4个齿极(6)，并卷绕有绕组(8)；给内定子(4)和转子铁芯内侧上下两层相对应绕组通以不同电流，对通电绕组(10)的个数进行控制，并通过连接板(16)上的转子位置检测器实现电动机A、B向的偏转运动；所述外定子(1)、内定子(4)、转子(2)之间均设置有气隙，便于转子(2)偏转；所述转子(2)轴向长度高于内定子(4)和外定子(1)。

2.如权利要求1所述的双定子多自由度电动机，其特征在于所述的转动支架机构包括：外定子(1)设有上开口(20)的内腔，输出轴(15)的下端通过关节轴承(17)与内定子连接轴(12)相连，内定子连接轴(12)上与内定子(4)相固定，下与电动机外壳(13)相固定。

3.如权利要求2所述的双定子多自由度电动机，其特征在于所述内定子连接轴(12)上侧凹槽与滚珠共同构成关节轴承(17)。

4.如权利要求1所述的双定子多自由度电动机，其特征在于所述的外定子(1)、转子(2)、内定子(4)均采用凸极齿槽式结构。

5.如权利要求1所述的双定子多自由度电动机，其特征在于所述外定子(1)、内定子(4)、转子(2)均采用硅钢片叠压而成；所有绕组(11)采用集中式绕组。

6.如权利要求1所述的双定子多自由度电动机，其特征在于所述连接板(16)上装有内外转子位置检测器。

7.如权利要求1-6中任何一项所述的双定子多自由度电动机，其特征在于由内定子(4)和转子(2)的内侧组成的内电动机为开关磁阻电动机，由外定子(1)和转子(2)的外侧组成的外电动机为开关磁阻电动机；所述外电动机或为永磁同步电动机。

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