CN109818472B - 一种双定子结构三自由度电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双定子结构三自由度电机，涉及偏转式运动电机领域。包括外定子、内定子和转子；内外定子上分布有匝数可变的线圈绕组，转子上分布着对应的自转、偏转永磁体，输出轴与固定轴通过油膜连接安置在电机中心位置，输出轴中还包含可检测转子运动状态和运动速度的对应传感器。本发明采用绝磁层将自转永磁体与偏转永磁体相隔离，极大程度避免了永磁体之间的相互干扰；本发明具有结构简单、体积小、控制灵敏、无电磁干扰、便于控制等优点，应用于医学探测、机器人关节、工厂车间切削以及机械仿生眼等领域。

Description

一种双定子结构三自由度电机

技术领域

本发明涉及三自由度电机技术领域。

背景技术

随着科学技术的不断进步，特别是在高新技术行业，对电机运动的要求越来越高，某些特定场合不仅要求电机可以实现围绕着输出轴进行转动，还要求电机可以实现一定程度的偏转倾斜运动。而传统多自由度电机不仅结构复杂，而且由于传动机构的存在，导致整个系统难以维护，具有体积大、效率低等不容忽视的缺点。而对于航空航天、机械手臂等有着特殊要求的领域，迫切需要更好的电机来完成运动。

三自由度电机在未来的科技发展中有着广阔的应用前景和应用潜力，最早的理论提出是在上世纪中叶，但是作为一门新生的学科，由于缺乏理论支持和实践指导，使得当时研究的多自由度电机有着许许多多的致命缺陷，直到上世纪末，多自由度电机的理论才逐步建立，涌现出了各种各样的新模型理论。

目前已有的多自由度电机大多都将倾斜偏转运动线圈和自转运动线圈放在同一定子上，这样就使得在驱动过程中要多考虑一步电磁之间的相互影响，自转永磁体所产生的气隙磁密会与偏转永磁体产生的气隙磁密叠加在一起，从而影响电机的运转，由于需要考虑永磁体之间的相互干扰，会提高驱动的复杂程度，增加电机成本；即使如此，也无法使电机精确工作在高转速状况下以及应用于对偏转角度要求较为精确的应用领域。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供了一种双定子结构三自由度电机，目的是解决传统多自由度电机所占体积庞大、效率低下、响应速度慢、传动损耗大的问题，尤其是解决倾斜偏转运动线圈和自转运动线圈放在同一定子上电磁之间相互影响、提高驱动的复杂程度、增加电机成本及不易控制、运行精度低的问题。本发明可以使电机完成自转、偏转运动，具有结构简单、体积小、响应速度快、误差小、电机成本较低、易于控制、运行精度较高和用途广泛等优点。可应用于医学探测仪器、机器人关节、工厂车间切削以及实用机械仿生眼等领域。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：一种双定子结构三自由度电机，包括：外壳、外定子，其特征在于：还包括内定子、复合结构转子，复合结构转子位于外定子和内定子之间；内定子固定在固定轴上，固定轴下端固定在外壳上；复合结构转子上固定有输出轴，输出轴的下端与固定轴通过活动轴承连接；在外定子的内侧分布有若干偏转线圈轭，复合结构转子的外侧分布有若干磁极，对外定子内侧偏转线圈轭的偏转驱动线圈施加通电方案，可以使复合结构转子完成偏转运动；在复合结构转子的内侧与内定子对应的部位设有绝磁材料环，所述的绝磁材料环挖空且在内侧面开口嵌入有若干磁极；内定子外侧分布有若干自转线圈轭，对内定子外侧自转线圈轭的自转驱动线圈施加通电方案，可以使复合结构转子完成自转运动。

优选的，所述的磁极为永磁体，分为偏转永磁体和自转永磁体。

优选的，所述的永磁体均为平行充磁永磁体。

优选的，活动轴承结构为，固定轴与输出轴之间通过可以支持其相对运动的球面形油膜连接，输出轴中部通过连接支架与绝磁材料环固定连接。

进一步的，出轴内还设有检测转子位置和转速的传感器。

进一步的，所述的偏转驱动线圈和自转驱动线圈为匝数可控的驱动线圈。

优选的，所述的外定子的内侧、复合结构转子的内外侧、内定子的外侧均包括球形面。

优选的，电机外壳为球形。

优选的，外定子上共计56个偏转线圈轭，沿纬度分布着7层，沿经度分布8列，即七层八极结构；复合结构转子的偏转永磁体由十八块N极永磁体，十八块S极永磁体组成，纬度方向采用磁性互异的永磁体排列共计六层，经度方向采用N、S交替的永磁体排列，共计六列，即六层六极结构。

优选的，内定子分布有6个线圈轭，每轭上分布着匝数可控的驱动线圈；复合结构转子的自转永磁体由两块N极永磁体，两块S极永磁体组成，按N、S交替规律排布在内定子外，即四极结构。

本发明的积极效果是：解决传统多自由度电机所占体积庞大、效率低下、响应速度慢、传动损耗大的问题，尤其是解决倾斜偏转运动线圈和自转运动线圈放在同一定子上电磁之间相互影响、提高驱动的复杂程度、增加电机成本及不易控制、运行精度低的问题。本发明可以使电机完成自转、偏转运动，具有结构简单、体积小、响应速度快、误差小、电机成本较低、易于控制、运行精度较高和用途广泛等优点。可应用于医学探测仪器、机器人关节、工厂车间切削以及实用机械仿生眼等领域。

本发明成功对传统意义上的多自由度电机实现了简化效果，增大了响应速度和精度。本电机采用绝磁层将自转永磁体与偏转永磁体相隔离，极大程度避免了永磁体之间的相互干扰，同时降低了驱动器的复杂程度，使得电机可以应用在高转速以及对偏转要求较大的场合电机采用的双定子结构，具有结构清晰明了，易于实现，灵活多变等优点；同时对不同位置的线圈进行驱动可以使其完成不同程度的三自由度运动。本发明提出电机由于绝磁层的存在，将偏转磁场和自转磁场严格区分开来单独控制运动，相对于已有多自由度电机做出了一步创新。

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。

为了更好理解本发明，以下结合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。

下面描述的附图仅是本发明的一个施例，对本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，可以根据附图获得其他附图。

图1为本发明施例的立体结构示意图

图2为图1中的A-A剖视图。

图3为输出轴结构示意图。

图4为输出轴与固定轴连接结构示意图。

图5为带自转线圈的内定子结构示意图。

图6为固定轴与内定子连接示意图

图7为绝磁材料结构示意图。

图8为绝磁材料嵌入自转永磁体结构示意图。

图9为输出轴与自转部分连接示意图。

图10为偏转转子支架结构示意图。

图11为除去赤道相邻两行偏转永磁体的偏转部分与自转部分结构示意图。

图12为电机驱动器结构。

图中所有标号的含义：1—输出轴,1a—输出轴上部,1b—输出轴复合转子连接支架,1c—输出轴固定轴连接处,2—永磁偏转转子支架,2a—偏转永磁体,2b—永磁体连接支架,2c—支架绝磁层固定端3—外壳(外定子),4—电机支架,5—偏转驱动线圈,6—偏转线圈轭,7—固定轴,7a—内定子固定轴连接端,8—内定子,8a—自转线圈轭,8b—自转驱动线圈,9—自转部分,9a—绝磁材料,9b—自转永磁体

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。

参阅附图。现对本发明进行说明，作为本发明提供的一种具体实施方式，所述一种双定子结构三自由度电机，包括：外壳、外定子3，其特征在于：还包括内定子8、复合结构转子，复合结构转子位于外定子3和内定子8之间；内定子8固定在固定轴7上，固定轴7下端固定在外壳3上；复合结构转子上固定有输出轴1，输出轴1的下端与固定轴7通过活动轴承连接；在外定子3的内侧分布有若干偏转线圈轭6，复合结构转子的外侧分布有若干磁极，对外定子3内侧偏转线圈轭6的偏转驱动线圈5施加通电方案，可以使复合结构转子完成偏转运动；在复合结构转子的内侧与内定子8对应的部位设有绝磁材料环，所述的绝磁材料环挖空且在内侧面开口嵌入有若干磁极；内定子8外侧分布有若干自转线圈轭，对内定子8外侧自转线圈轭的自转驱动线圈8b施加通电方案，可以使复合结构转子完成自转运动。

解决了传统多自由度电机所占体积庞大、效率低下、响应速度慢、传动损耗大的问题，尤其是解决倾斜偏转运动线圈和自转运动线圈放在同一定子上电磁之间相互影响、提高驱动的复杂程度、增加电机成本及不易控制、运行精度低的问题。本发明可以使电机完成自转、偏转运动，具有结构简单、体积小、响应速度快、误差小、电机成本较低、易于控制、运行精度较高和用途广泛等优点。

作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，所述的磁极为永磁体，分为偏转永磁体和自转永磁体。

作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，所述的永磁体均为平行充磁永磁体。

作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，活动轴承结构为，固定轴7与输出轴1之间通过可以支持其相对运动的球面形油膜连接，输出轴1中部通过连接支架1b与绝磁材料环固定连接。

作为本发明提供的一种具体实施方式，进一步的，出轴1内还设有检测转子位置和转速的传感器。

作为本发明提供的一种具体实施方式，进一步的，所述的偏转驱动线圈5和自转驱动线圈8b为匝数可控的驱动线圈。

作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，所述的外定子3的内侧、复合结构转子的内外侧、内定子8的外侧均包括球形面。

作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，电机外壳为球形。

作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，外定子3上共计56个偏转线圈轭，沿纬度分布着7层，沿经度分布8列，即七层八极结构；复合结构转子的偏转永磁体由十八块N极永磁体，十八块S极永磁体组成，纬度方向采用磁性互异的永磁体排列共计六层，经度方向采用N、S交替的永磁体排列，共计六列，即六层六极结构。

作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，内定子8分布有6个线圈轭，每轭上分布着匝数可控的驱动线圈；复合结构转子的自转永磁体由两块N极永磁体，两块S极永磁体组成，按N、S交替规律排布在内定子8外，即四极结构。

作为本发明的一个具体实施方式，以下加以进一步说明。

所述的固定轴7与输出轴1之间通过油膜连接，固定轴7固定在外壳3的底部。内定子8与外定子3分别通过电机支架4、固定轴7支撑固定。所述的输出轴1呈现爪形结构和绝磁材料固连。所述外定子3上共计56个偏转线圈轭，沿纬度分布着7层，沿经度分布8列，即七层八极结构，与偏转永磁体形成八-六极结构。以上极对搭配都是基于MMF绕组分布理论，综合经济性和实用性考虑，采用此种搭配可以最大程度提升电机的效率。复合结构的永磁转子主要由自转永磁体、柱环绝磁材料(诸如镍合金)、分层球形结构偏转永磁体组成，绝磁材料内环挖空可嵌入自转永磁体，外环与分层球形结构偏转永磁体相连，组成复合结构永磁转子。所述的转子包括若干个N、S交替的自转永磁体嵌入挖空的柱环绝磁材料内环，绝磁材料外环有若干处与分层球形结构偏转永磁体连接轴，分层球形结构偏转永磁体分为若干层，若干层偏转永磁体具有一个空心球体。

另外需要说明的是当电机进行偏转运动时自转永磁体会产生一定程度的偏转运动，此时的内定子绕组与偏转永磁体之间的气隙距离较大，所产生的影响基本可以忽略，对于自转永磁体与内定子绕组之间只需要调整控制策略，将部分绕组通入的电流放大即可完成一定偏转角度下的自转运动，综合来说，电机偏转时对于自转的影响较小，在可承受范围之内。

自转永磁体和偏转永磁体可以用绕组代替，代替后将不再是永磁电机，而是感应电机，同时若变成感应电机则需多考虑极对之间的相互搭配、绕组环绕方式、轭部结构的形状架设固定等问题。由于感应电机中绕组较多，因此线路的引出也成了一个较大的问题，并且随着绕组的增多电机的体积也需要做出对应的增加，绝磁部分也需做出相对调整。故不建议采用绕组代替永磁体结构。

值得一提的是:所述轴承部分，理论上可选用任意具有相对运动能力的轴承来代替原轴承，只需考虑损耗的大小问题，择优选择即可。

另外在这里说明具体自转通电方式(以俯视方向逆时针自转为例说明)：以俯视角度观望电机，以其中一个内定子中心对称处为中心，按照钟表定义其为0时，以0时为基准(即钟表固定不动，电机进行运动)，每隔60°即钟表上每隔2小时为一个绕组，规定右侧绕组电流垂直向里的方向为正方向(N极)，垂直向外的方向为负方向(S极)。若要电机逆时针运动，以某一时刻为例，该电机此刻以0点位置为中心顺时针的通电策略为：SN0SN0(0代表不需要通电)，当电机自转90°时，以此时0点开始顺时针的通电策略为：NS0NS0。当电机自转180°时，再重复第一次的通电策略，只需要根据转速的大小指定相应频率的电流即可使电机完成自转运动。

偏转运动通电方式：以俯视角度观望电机，以赤道邻近方向上某个偏转线圈的中心作为0时，每隔45°分布一个线圈，此时按顺时针方向定义线圈标号1、2、3、4、5、6、7、8，从上到下分层定义为a、b、c、d、e、f、g(如寻找标号1的第3层绕组即1c绕组),以右手螺旋指向电机内部，手指环绕方向规定为绕组通电的正方向(N极)，手指环绕的反方向规定为绕组通电的反方向(S极)以某一时刻为例，需要电机向钟表3时方向偏转一定角度，此时只需要对1a～1g通入0NS0NS0，同时4、6号对应绕组也通入相同的通电策略，即可完成15°的偏转，若需要电机再加大偏转角度，则需再完成15°偏转后改为对1号绕组通NS000NS0，对4、6号绕组通0SN000SN，即可完成30°的偏转运动(当电机自转时每隔60°顺延一个通电位即可实现自转时的偏转运动，如初始状态为1、4、6，自转60°后变为2、5、7对应绕组通入对应的电流)。

参阅图1-图2，该双定子结构三自由度球形电机，本发明采用的技术方案是：参阅图1，双定子结构三自由度球形电机，包括：定子、复合转子和外壳部分；内定子轭部环绕着自转驱动线圈，内定子与固定轴通过连接部件相连，固定轴通过油膜与输出轴连接，固定轴伸出爪形结构与转子的绝磁材料部分相连，绝磁材料采用柱环结构，内环掏空嵌入自转永磁体，外环与分层球形结构偏转永磁体伸出的连接部件固定。外壳(外定子)分布着可供偏转线圈环绕的偏转线圈轭，底部与固定轴连接固定。自转永磁体采用N、S交替方式排列，偏转永磁体同纬度采用N、S交替方式排列，同经度采用同S或同N方式排列，整体呈现处空心球形的结构。当希望电机进行自转运动时，只需要按规律给自转线圈施加通电方案，当希望电机进行偏转运动时，只需要按规律给偏转线圈施加通电方案。

定子轭上线圈通入特定电流后，将引起空间气隙磁通的改变，使电机产生相对应的电磁力驱动电机运动，因为有绝磁材料的存在，自转部分的永磁体和偏转部分的永磁体之间不会产生破坏电机性能的电磁干扰，有传感器的存在，只需要对比运动状态，调大或减小对应线圈电流大小或方向即可对电机性能进行微弱调节，使电机更好的按照预期运动，下面由电机中心向两侧逐步介绍其结构功能。

参阅图3，所述输出轴由输出轴上部、输出轴引出固定支架、输出轴底端三大部分组成，主要用于固定材料，为电机的运作提供保障。

参阅图4，所述输出轴与固定轴通过油膜连接在一起，固定轴下方与电机外壳固定，固定轴上方通过连接部件与内定子相固定。

参阅图5，所述内定子主要由自转线圈轭、自转线圈组成，内定子采用六极结构。

参阅图6，所述内定子的内环通过连接部件与固定轴连接在一起。

参阅图7，所述绝磁材料采用镍合金材料，镍合金作为一个良好的绝磁体可以有效的防止自转永磁体和偏转永磁体之间产生相对应的电磁干扰，为电机的性能提供了保障。

参阅图8，所述的绝磁材料采用柱环结构，内环掏空嵌入自转永磁体，外环与分层球形结构偏转永磁体引出的连接机构相连接。

参阅图9，所述的自转部分由绝磁材料、自转永磁体、输出轴三部分组成，绝磁材料内环嵌入自转永磁体，内外环中间与输出轴引出的固定支架固定在一起，当电机运作时，由于永磁体运动会带动绝磁材料一起运动，而绝磁材料与输出轴固定，因此会使输出轴一起转动，进而达到传动目的，只需要给内层定子线圈通入适当的交流电，即可满足电机的自转运动。

参阅图10，所述分层球形结构偏转永磁体主要由偏转永磁体、连接支架、固定端三大部分组成，只需对外定子线圈通入适当的直流电，即可使电机完成一定程度的偏转运动，若需要完成偏转一定角度的自转运动，则需要对外定子线圈通入可调的交流电。

参阅图11，所述分层球形结构偏转永磁体与绝磁材料通过固定端连接在一起，为了更方便更直观的从图像上描述，因此隐去了赤道相邻的两层偏转永磁体。

参阅图12，所述电机的驱动控制系统由运动方案、传感器检测、控制器、驱动器、电机五大部分组成。传感器采用多自由度电机中常用的磁敏或光电传感器，控制器芯片采用DSP处理即可，能够满足位置检测信号获取、处理和运动控制等功能。电机与传感器检测相连，传感器检测与控制器相连，控制器与驱动器相连，驱动器通过电磁自转驱动电路、电磁偏转驱动电路与电机相连。

以上未述部分本专业技术人员均可实施。

上述施例是示例性的，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，对于本领域的人员来说，依然可以在部脱离本发明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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双定子结构三自由度电机，包括：外壳、外定子(3)，其特征在于：还包括内定子(8)、复合结构转子，复合结构转子位于外定子(3)和内定子(8)之间；

所述外壳为球形；所述外定子(3)的内侧、复合结构转子的内外侧、内定子(8)的外侧均包括球形面；复合结构转子包括自转永磁体、柱环绝磁材料、分层球形结构偏转永磁体，绝磁材料内环挖空嵌入自转永磁体，外环与分层球形结构偏转永磁体相连；

内定子(8)固定在固定轴(7)上，固定轴(7)下端固定在外壳上；

复合结构转子上固定有输出轴(1)，输出轴(1)的下端与固定轴(7)通过活动轴承连接；所述输出轴(1)呈现爪形结构和绝磁材料环固连；所述活动轴承的结构为，固定轴(7)与输出轴(1)之间通过可支持其相对运动的球面形油膜连接，输出轴(1)中部通过连接支架(1b)与绝磁材料环固定连接；

在外定子(3)的内侧分布有若干偏转线圈轭(6)，复合结构转子的外侧分布有若干磁极，对外定子(3)内侧偏转线圈轭(6)的偏转驱动线圈(5)施加通电方案，使复合结构转子完成偏转运动；

在复合结构转子的内侧与内定子(8)对应的部位设有绝磁材料环，所述的绝磁材料环挖空且在内侧面开口嵌入有若干磁极；

内定子(8)外侧分布有若干自转线圈轭，对内定子(8)外侧自转线圈轭的自转驱动线圈(8b)施加通电方案，使复合结构转子完成自转运动；

所述外定子(3)上共计56个偏转线圈轭，沿纬度分布着7层，沿经度分布8列，即七层八极结构；复合结构转子的偏转永磁体由十八块N极永磁体，十八块S极永磁体组成，纬度方向采用磁性互异的永磁体排列共计六层，经度方向采用N、S交替的永磁体排列，共计六列，即六层六极结构；

所述内定子(8)分布有6个线圈轭，每轭上分布着匝数可控的驱动线圈；复合结构转子的自转永磁体由两块N极永磁体，两块S极永磁体组成，按N、S交替规律排布在内定子(8)外，即四极结构。

2.根据权利要求1所述的一种双定子结构三自由度电机，其特征在于：所述的磁极为永磁体，分为偏转永磁体和自转永磁体。

3.根据权利要求2所述的一种双定子结构三自由度电机，其特征在于：所述的永磁体均为平行充磁永磁体。

4.根据权利要求1所述的一种双定子结构三自由度电机，其特征在于输出轴(1)内还设有检测转子位置和转速的传感器。

5.根据权利要求2所述的一种双定子结构三自由度电机，其特征在于：所述的偏转驱动线圈(5)和自转驱动线圈(8b)为匝数可控的驱动线圈。

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