CN109921588A - 一种高稳定性三自由度运动电动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高稳定性三自由度运动电动机，涉及三自由度电机技术领域。包括自转模块和偏转模块；偏转模块包括外定子、中转子和内定子，内定子通过中转子下开口处与外壳固定；自转模块包括自转定子、自转转子和与自转转子固定的输出轴，自转定子与输出轴转动连接；自转定子与中转子上开口端固定连接。主要是解决现有技术存在的体积大、转动惯量过大，在单独实现高速旋转运行和定向倾斜操作时易于产生较大的转子偏心位移，稳定性较差且难以输出恒定转矩的问题。具有驱动模块独立性强、协同控制精准性高、机械系统占空比小、体积小、响应速度平滑性好、稳定性好、输出转矩较恒定、应用广泛等特点。

Description

一种高稳定性三自由度运动电动机

技术领域

本发明涉及三自由度电机技术领域。

背景技术

随着智能化运动驱动装置的不断创新发展，可于狭小空间内实现具有多个自由度的运动受到人们的广泛关注，采用多台电机驱动需要依赖从动机构进行耦连控制，而由多自由度电动机作为主动机构直接驱动，可避免中间传动装置所带来的设备体积庞大、非线性耦合强、运动精度偏低等诸多不利因素。球形电机因其特殊的结构可于三维空间内实现三个旋转自由度的运动，现有多自由度电机多为一个“整球体”的球型转子，通过对沿球面经、纬线排布的多组定子线圈施加不同幅值、相位的激励，实现三维空间内的多自由度运动，但此类电机不免体积、转动惯量过大，在单独实现高速旋转运行和定向倾斜操作时，易于产生较大的转子偏心位移，且难以输出恒定的转矩。

发明内容

本发明提供了一种高稳定性三自由度运动电动机，主要是解决现有技术存在的体积大、转动惯量过大，在单独实现高速旋转运行和定向倾斜操作时易于产生较大的转子偏心位移，稳定性较差且难以输出恒定转矩的问题。具有驱动模块独立性强、协同控制精准性高、机械系统占空比小、体积小、响应速度平滑性好、稳定性好、输出转矩较恒定等特点。可广泛适用于机械手臂关节驱动、波浪冲击补偿机构、无人驾驶模拟器、激光加工平台高精尖等技术领域。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：一种一种高稳定性三自由度运动电动机，包括外壳，其特征在于：包括自转模块和偏转模块；所述偏转模块包括外定子、中转子和内定子，内定子通过中转子下开口处与外壳固定；所述自转模块包括自转定子、自转转子和与自转转子固定的输出轴，自转定子与输出轴转动连接；自转定子与中转子上开口端固定连接；通过通电控制策略实现电动机的三自由度运动。

优选的，所述的高稳定性三自由度运动电动机，其特征在于：还设有偏转位置及自转传感器。

优选的，所述偏转模块内定子包括偏转转子轭盘式定子轭，定子支柱，偏转定子铁芯及其偏转定子线圈；偏转转子轭盘式定子轭固定在定子支柱上，偏转定子铁芯及其偏转定子线圈设置在偏转转子轭盘式定子轭的端两侧或一侧，球壳状偏转转子轭固定在偏转转子轭盘式定子轭的周围；外定子为定子轭；中转子包括球壳状偏转转子轭，球壳状偏转转子轭的外面设有若干偏转永磁体，偏转转子轭为球壳状，其内腔为中空球面，与外壁同为球面的盘式定子轭滑动配合共同构成偏转轴承，偏转转子轭的上开口部通过第一十字连杆和轴承与输出轴连接。

进一步的，球壳状偏转转子轭的内侧球面与偏转转子轭盘式定子轭的球面外侧滑动配合形成的球面轴承。

球壳状偏转转子轭的容腔为上下开口的半封闭形式，其内侧球面涂有一层润滑脂。具有半液态、高粘度、抗腐蚀性强、加注周期长的特点。如二硫化钼锂基润滑脂。

优选的，偏转永磁体永磁体材质为高性能铷铁硼烧制；偏转永磁体采用表贴式，为沿球心方向的径向充磁，偏转永磁体、偏转定子线圈、偏转定子铁芯级数设为4/2/2极；偏转传感器包括，偏转模块中偏转转子轭外侧沿球面装有4组位置检测装置，每组包含4个霍尔传感器，位于每列每级偏转永磁体的左右两翼，用以实时检测电机执行偏转操作时的轴向角度。

优选的，所述自转模块的自转定子包括自转定子铁芯及线圈，自转定子铁芯与第一十字连杆相固定；自转定子铁芯的上下两侧在输出轴上各固定有一个盘式磁轭，盘式磁轭中设有若干自转永磁体。

优选的，所述若干自转永磁体为沿铅直方向的轴向充磁，呈径向放射状排列，N、S极交替周向分布；所述自转定子铁芯为环式结构；由切段状硅钢片卷压而成，圆周外侧设有四个互成90°的开口，以方便第一十字连杆嵌入固定；自转定子铁芯采用双转子共用形式，两侧开有上下对称的定子槽口，相邻定子槽之间设有极靴，槽内布有定子线圈，定子线圈为上下两层，纵向绕线的多槽分布式单波叠绕组；对双层定子线圈分别通以三相工频交流电，于自转定子铁芯内部产生方向相同、速率相等的旋转磁场，分别与各自的转子永磁磁场相互作用，继而实现电机高速旋转。

优选的，所述自转模块还设有第二十字连杆及第二滚动轴承，第二十字连杆与第二滚动轴承的外环和球壳状偏转转子轭相固定；第二十字连杆与输第一十字连杆相隔45°，为轴线对称结构。

优选的，所述自转模块盘式磁轭的两侧均设有散热孔，靠近自转永磁体内环一侧设有若干散热孔，靠近自转永磁体外环一侧设有若干散热孔；自转永磁体、双层定子线圈、自转定子铁芯级数设为12/12/12极；、自转传感器包括，自转模块中盘式磁轭于靠近输出轴的一侧沿周向装有1个挡光片，自转定子铁芯的极靴上装有2个反射式光电传感器检测装置，相间45°平行放置，用于检测转子的角速度和判定电机自转的转向。

优选的，所述的高稳定性三自由度运动电动机，其特征在于电机在独立偏转运行时，单向进程的倾斜范围约为±30°，双向往复的倾斜范围约为±15°；在协同控制时的实现三自由度运动的轴向夹角运动范围为20°～30°。

本发明的积极效果是：主要解决现有技术存在的体积大、转动惯量过大，在单独实现高速旋转运行和定向倾斜操作时易于产生较大的转子偏心位移，稳定性较差且难以输出恒定转矩的问题。具有驱动模块独立性强、协同控制精准性高、机械系统占空比小、体积小、响应速度平滑性好、稳定性好、输出转矩恒定等特点。可广泛适用于机械手臂关节驱动、波浪冲击补偿机构、无人驾驶模拟器、激光加工平台高精尖等技术领域。

本发明与现有技术相比，具有如下的有益效果：

1、所述的协同控制型三自由度电动机，自转模块和偏转模块均具有独立驱动的能力，二者相互不干扰，可驱动实现电机的高速平稳运行和精准倾斜操作。

2、所述的协同控制型三自由度电动机，自转模块和偏转模块具有协同控制的能力，二者可相互配合，共同驱动电机实现空间内的三自由度运动。

3、所述的协同控制型三自由度电动机，自转模块和偏转模块仅通过不导磁的第一十字连杆、第二十字连杆机械连接在一起，避免了相互之间因耦合产生的电磁干扰。

4、偏转模块为完全对称、内腔中空的永磁球形电机，盘式定子轭具有直径大、力臂长的特点，可有效减小摩擦力，降低了机械结构的不平衡力，使协同控制型电机转子部分的三个主轴转动惯量大幅度下降，使其更易于控制、输出更大转矩。

5、自转模块为双转子、单定子有铁芯的永磁盘式电机，定子组件位于中部，转子组件为共用定子铁芯形式，位于定子组件的上下两侧，由两个的滚动轴承配合电机自转运动，相较于单侧定转子结构，可削弱输出轴受自转永磁体的轴向磁拉力，从而减小轴承磨损，使自转运动更加稳定，提高了电机自转运行时的轴向转矩与功率密度。

6、解决了现有三自由度电机多为一体式的驱动原理，将控制自转、控制偏转分开，采用独立驱动式与协同控制式，结合了盘式电机与球形电机二者的优点，具有轴向尺寸小、输出转矩大的优点。使用有两组激励绕组，各采用一套控制电路及对应的控制策略，使得电机自转运行更为稳定，偏转操作更为精准。

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为本发明高稳定性三自由度电动机整体结构示意图。

图2为图1的剖面示意图。

图3为图2中自转模块结构外形示意图。

图4为图3自转模块中自转定子铁芯与双层定子线圈的剖面示意图。

图5为图2中的偏转模块结构示意图。

图6为图5中偏转模块中偏转定子铁芯与偏转线圈的结构示意图。

图7为图5中偏转模块中转子的偏转转子轭与偏转磁轭的连接结构示意图。

图8为图2中偏转模块中的定子部分盘式定子轭和定子支柱结构示意图。

图9为图2中自转模块的第一十字连杆、第二十字连杆与第一滚动轴承、第二滚动轴承、输出轴的连接示意图。

图10为图9传动机构中的滚动轴承结构示意图。

图11为本发明三自由度电动机自转运行时的驱动原理图(以绕Z轴自转为例，实线为电磁驱动力方向，点线为配合的轴承方向)。

图12为本发明三自由度电动机偏转运行时的驱动原理图(以绕Y轴自转为例，实线为电磁驱动力方向，点线为配合的轴承方向。虚线为中轴线与偏移角度线)。

图13为本发明基于协同控制方式三自由度电动机的控制流程图(以先启动偏转模块，后启动自转模块为例)。

附图中各标号说明：1—输出轴，2—双层定子线圈，2a—上层定子线圈，2b—下层定子线圈，3—上端盖，4—外层定子轭，5—偏转定子线圈，5a—上侧偏转定子线圈，5b—下侧偏转定子线圈，6—偏转定子铁芯，6a—上侧偏转定子铁芯，6b—下侧偏转定子铁芯，7—球壳状偏转转子轭，8—偏转永磁体，9—第一滚动轴承，10—第二滚动轴承，11—下端盖，12—自转永磁体，12a—上层自转永磁体，12b—下层自转永磁体，13—盘式磁轭，13a—上层盘式磁轭，13b—下层盘式磁轭，14—螺钉，15—第一十字连杆，16—第二十字连杆，17—偏转磁轭，17a—前侧偏转磁轭，17b—后侧偏转磁轭，17c—左侧偏转磁轭，17d—右侧偏转磁轭，18—自转定子铁芯，19—盘式定子轭，20—焊钉，20a—左侧焊钉，20b—后侧焊钉，20c—中间焊钉，20d—前侧焊钉，20e—右侧焊钉，21—定子支柱，22—散热孔，22a—靠近自转永磁体内环一侧的散热孔，22b—靠近自转永磁体外环一侧的散热孔，23—定子槽，24—极靴，25—轴承内圈，26—轴承外圈，27—轴承保持架，27a—轴承内环保持架，27b—轴承外环保持架，28—滚珠。

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，所述一种高稳定性三自由度运动电动机，包括外壳，其特征在于：包括自转模块和偏转模块；所述偏转模块包括外定子、中转子和内定子，内定子通过中转子下开口处与外壳固定；所述自转模块包括自转定子、自转转子和与自转转子固定的输出轴1，自转定子与输出轴1转动连接；自转定子与中转子上开口端固定连接；通过通电协同控制策略实现电动机的三自由度运动。

作为本发明提供的一种具体实施方式优选的，所述的一种高稳定性三自由度运动电动机，其特征在于：还设有偏转位置及自转传感器。

作为本发明提供的一种具体实施方式优选的，所述偏转模块内定子包括偏转转子轭盘式定子轭19，定子支柱21，偏转定子铁芯6及其偏转定子线圈5；偏转转子轭盘式定子轭19固定在定子支柱21上，偏转定子铁芯6及其偏转定子线圈5设置在偏转转子轭盘式定子轭19的端两侧或一侧，球壳状偏转转子轭7固定在偏转转子轭盘式定子轭19的周围；外定子为定子轭；中转子包括球壳状偏转转子轭7，球壳状偏转转子轭7的外面设有若干偏转永磁体8，偏转转子轭7为球壳状，其内腔为中空球面，与外壁同为球面的盘式定子轭19滑动配合共同构成偏转轴承，偏转转子轭7的上开口部通过第一十字连杆15和轴承与输出轴1连接。

作为本发明提供的一种具体实施方式，进一步的，球壳状偏转转子轭7的内侧球面与偏转转子轭盘式定子轭19的球面外侧滑动配合形成的球面轴承。球壳状偏转转子轭7的容腔为上下开口的半封闭形式，其内侧球面涂有一层润滑脂。具有半液态、高粘度、抗腐蚀性强、加注周期长的特点。如二硫化钼锂基润滑脂。

作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，偏转永磁体永磁体材质为高性能铷铁硼烧制；偏转永磁体8采用表贴式，为沿球心方向的径向充磁，偏转永磁体8、偏转定子线圈5、偏转定子铁芯6级数设为4/2/2极；偏转传感器包括，偏转模块中偏转转子轭7外侧沿球面装有4组位置检测装置，每组包含4个霍尔传感器，位于每列每级偏转永磁体8的左右两翼，用以实时检测电机执行偏转操作时的轴向角度。

作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，所述自转模块的自转定子包括自转定子铁芯18及线圈，自转定子铁芯18与第一十字连杆15相固定；自转定子铁芯18的上下两侧在输出轴1上各固定有一个盘式磁轭13，盘式磁轭13中设有若干自转永磁体12。

作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，所述若干自转永磁体12为沿铅直方向的轴向充磁，呈径向放射状排列，N、S极交替周向分布；所述自转定子铁芯(18)为环式结构；由切段状硅钢片卷压而成，圆周外侧设有四个互成90°的开口，以方便第一十字连杆15嵌入固定；自转定子铁芯18采用双转子共用形式，两侧开有上下对称的定子槽23口，相邻定子槽23之间设有极靴24，槽内布有定子线圈2，定子线圈2为上下两层，纵向绕线的多槽分布式单波叠绕组；对双层定子线圈2分别通以三相工频交流电，于自转定子铁芯18内部产生方向相同、速率相等的旋转磁场，分别与各自的转子永磁磁场相互作用，继而实现电机高速旋转。

作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，所述自转模块还设有第二十字连杆16及第二滚动轴承10，第二十字连杆16与第二滚动轴承10的外环和球壳状偏转转子轭7相固定；第二十字连杆16与输第一十字连杆15相隔45°，为轴线对称结构。

作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，所述自转模块盘式磁轭13的两侧均设有散热孔22，靠近自转永磁体12内环一侧设有若干散热孔22，靠近自转永磁体12外环一侧设有若干散热孔22；自转永磁体12、双层定子线圈2、自转定子铁芯18级数设为12/12/12极；、自转传感器包括，自转模块中盘式磁轭13于靠近输出轴1的一侧沿周向装有1个挡光片，自转定子铁芯18的极靴24上装有2个反射式光电传感器检测装置，相间45°平行放置，用于检测转子的角速度和判定电机自转的转向。

作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，所述的一种高稳定性三自由度运动电动机，其特征在于电机在独立偏转运行时，单向进程的倾斜范围约为±30°，双向往复的倾斜范围约为±15°；在协同控制时的实现三自由度运动的轴向夹角运动范围为20°～30°。

作为本发明提供的一种具体实施方式，进一步说明如下。

如图12所示，为本发明中协同控制型三自由度电动机的控制流程图。控制流程为先启动电机的偏转模块，再启动电机的自转模块，即电机先倾斜到一定角度后进行自旋。先启动偏转模块，待电机倾斜达到一定位姿后，再启动自转模块，实现不以中心轴线自转运动。所述控制流程的具体步骤如下：

步骤S1：同时给彼此相邻两列上侧或下侧、彼此相对两列的上侧与下侧的定子线圈通电后，可启动偏转模块，偏转模块由静平衡位置处开始向某一方位角倾斜，由霍尔位置传感器不断检测电机倾斜过程中的当前位置信号，并传输给信号处理电路进行放大、滤波和线性化处理，将处理后的位置信号传输至DSP数据控制器，记录当下电机倾斜的轴向角度。

步骤S2：偏转模块转子永磁体运动中，永磁体的N、S极与定、转子间隙所组成的气隙磁路发生变化，通过霍尔传感器感知气隙磁场中的磁链与反电动势的变化，经过信号采集电路，将转换后的电信号作为DSP数据控制器的输入量，再经由信号处理电路处理后与期望值相比，通过DSP控制器内置的运动处理算法生成相应的PWM控制信号。

步骤S3：判断电机偏转到所规定时间的1/4时，同时给与此前相反的两组定子线圈通电，产生相反的驱动转矩，使电机倾斜到一定角度后所受合转矩为零。

步骤S4：当电机倾斜至一定角度后，启动电机的自转模块，由DSP控制器通过空间矢量调制技术，生成SVPWM信号，该信号通过驱动器调制为三相交流电，该三相交流电接至自转定子铁芯的上下分布式绕组。

步骤S5：当其中一个反射式光电传感器检测到电机转盘的反射光信号后，转化为电信号后送入DSP控制器，由此判断电机转速的大小，得出电机所处的运动状况，用于检测电机处于启动加速、平稳运行、减速制动三个阶段。当两个反射式光电传感器相互配合时，可通过判断二者先后反射光源的顺序，得出电机自转运动的方向，用于检测电机的自转运动是正向自转还是反向自转。

参见附图。偏转转子轭7的内腔、外壁均为球形，同时附有四列相互垂直、沿球面凸出的偏转磁轭17，其间每列插入两块偏转永磁体8，呈径向阶梯状排列，N、S极交错纵向分布。偏转定子铁芯6固定于盘式磁轭17的上下表面，其外侧、内侧外轮廓、内侧内轮廓与盘式定子轭19均为凸球面，且偏转定子铁芯6的外径小于盘式定子轭的半径。偏转定子线圈5卷绕于偏转定子铁芯6的中部接头，且偏转定子铁芯6的外侧沿径向方向正对于偏转永磁体8的N、S极交界面。对内部偏转定子线圈5通以直流电后产生恒定磁场，与偏转永磁体8产生的静磁场相互作用，带动偏转转子轭7作用于输出轴1，进而实现电机的定向偏移。偏转转子轭7的内腔为中空的球面，涂有一层润滑脂，与外壁同为球面的盘式定子轭19共同构成偏转轴承，盘式定子轭19通过五个焊钉20固定于定子支柱21处，作为固连支撑，配合电机的偏转运动。在平行于电机定子外壳的圆周面上设有两个十字连杆，区分为第一十字连杆15与第二十字连杆16。第一十字连杆15与偏转转子轭7的顶端保持固定，第二十字连杆16位于第一十字连杆15的下方，嵌入偏转转子轭7的上侧。第一滚动轴承9安置于自转定子铁芯18的内侧中部，其外圈与自转定子铁芯18的内侧固定，并与第二十字连杆16相连；第二滚动轴承10位于输出轴1的末端，其外圈与第二十字连杆16相连；输出轴1末端与第二滚动轴承10的底部齐平，穿过自转定子铁芯18，与上下两层的盘式磁轭13固定，由外层定子轭4与上端盖3的开口处引出，且第一滚动轴承9、第二滚动轴承10的内圈均与输出轴1紧密贴合。上端盖3与下端盖11均通过6个螺钉14与外层定子轭4固定，下端盖11与定子支柱21底面齐平，同时支撑外层定子轭4。外层定子轭4外壁为环式柱面，与上下端盖对齐，内腔为中空球面，与偏转模块相适配。上端盖3与外层定子轭4设有开口活动孔，便于输出轴1对外伸出。偏转模块顶端、开口活动孔半径大于自转模块的盘式半径；外层定子轭4于铅直方向高于偏转模块与自转模块的叠加，内球面半径大于偏转模块的外球面半径，均留有一定气晰间隔，便于实现电机于更宽广的空间内实现多个自由度的运动。靠近自转永磁体12内环一侧设有6个散热孔22，靠近自转永磁体12外环一侧设有12个散热孔22，在高速的自转运行中起到散热的作用。控制电机自转的双层定子线圈2为上下两层、纵向绕线的12槽分布式单波叠绕组，漆包线烧制，环氧树脂浇注密封，定子槽23为梨型式。控制电机倾斜操作的偏转定子线圈5为适配球面永磁体、固于定子轭的上下两侧的集中式绕组，为圆形导体铜线绕制，无绝缘层。所述的偏转模块球面轴承为上下削平的球缺结构，没有封闭的容腔存储润滑油。故需采用润滑脂润滑，具有半液态、高粘度、抗腐蚀性强、加注周期长的特点。如二硫化钼锂基润滑脂。第二十字连杆16的轴向长度大于第一十字连杆15，二者形状相同，且十字接头均为具有一定厚度、贴合球面的弧形结构。所述的螺钉14为内六角圆柱头螺钉，机械可拆卸；所述的焊钉20为无头焊钉，机械不可拆卸。

电机的自转模块独立运行时，同时给上下两层的分布式绕组通以对称的三相工频交流电，感应出旋转的定子磁场，与永磁磁场相互作用后，产生轴向式、平面型的气隙磁场。磁场路径为N-N型，即主磁通由一侧N极发出，由上层盘式磁轭13a—上层气隙—自转定子铁芯18—下层气隙—下层盘式磁轭13b，达到对应侧的N极，再达到对应侧的S极，在经由下层盘式磁轭13b—下层气隙—自转定子铁芯18—上层气隙—上层盘式磁轭13a，回到本侧的S极，再回到本侧的N极。定子旋转磁场与永磁磁场以方向相同、速率相等的形式同步运转，继而实现电机的高速自转运动。

电机的偏转模块独立运行时，对彼此相对的两列、上下相反的集中式绕组通入直流电，上侧通入正向直流电，使上端定子铁芯的外侧产生N极，从而吸引上方永磁体的S极，下侧通入反向直流电，使定子铁芯的外侧产生S极，从而排斥下方永磁体的S极。产生“上拉下推”、沿球面正切向的电磁转矩，即可驱动电机实现一定角度的正向偏转运动。同理由上侧通入反向直流电，下侧通入正向直流电，可分别使定子铁芯的外侧产生S极与N极，产生“上推下拉”、沿球面反切向的电磁转矩，即可驱动电机实现一定角度的反向偏转。继而实现电机的往复偏转运动。

采用上述的电机自转模块与偏转模块的驱动理念，通过给两类绕组通电，采用两套不同控制电路进行协同调制，进而实现协同控制型电机的空间三自由度运动。

电机的偏转模块基于外转子、内定子模式，为内腔中空轴向对称、上下削平的球型结构；所述的电机自转模块位于偏转电机的上方，基于双转子、单定子的模式，为关于偏转模块顶端上下对称的盘式结构。在两类模块独立运行的基础上，由自转模块的两个滚动轴承处分别引出两组相隔45°的十字连杆，相连固定于球型结构的顶端与上侧。即由偏转模块的转子作为自转模块的定子，自转模块的定、转子则均作为偏转模块的转子。使其更为适用于二者的协同控制，解决了现有多自由度电机在自转时产生较大偏心位移、偏转时回旋精度较低的问题，使电机的自旋运动愈发稳定、倾斜操作更为精准。本发明基于三自由度电机结构设计，可在电机偏转到一定角度的同时启动自转；也可在自转运行到任一时刻时进行偏转；并于实现自转与偏转同步运动时，可进一步提高电机三自由度运动的稳定性与精准性。该电机具有耗能小，散热快，结构精密，运转灵活、易于控制系统设计，可恒定输出三个自由度的转矩等诸多优势。

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。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)

1.一种高稳定性三自由度运动电动机，包括外壳，其特征在于：包括自转模块和偏转模块；所述偏转模块包括外定子、中转子和内定子，内定子通过中转子下开口处与外壳固定；所述自转模块包括自转定子、自转转子和与自转转子固定的输出轴(1)，自转定子与输出轴(1)转动连接；自转定子与中转子上开口端固定连接；通过通电控制策略实现电动机的三自由度运动。

2.根据权利要求1所述的一种高稳定性三自由度运动电动机，其特征在于：还设有偏转位置及自转传感器。

3.根据权利要求1所述的一种高稳定性三自由度运动电动机，其特征在于：所述偏转模块内定子包括偏转转子轭盘式定子轭(19)，定子支柱(21)，偏转定子铁芯(6)及其偏转定子线圈(5)；偏转转子轭盘式定子轭(19)固定在定子支柱(21)上，偏转定子铁芯(6)及其偏转定子线圈(5)设置在偏转转子轭盘式定子轭(19)的端两侧或一侧，球壳状偏转转子轭(7)固定在偏转转子轭盘式定子轭(19)的周围；外定子为定子轭；中转子包括球壳状偏转转子轭(7)，球壳状偏转转子轭(7)的外面设有若干偏转永磁体(8)，偏转转子轭(7)为球壳状，其内腔为中空球面，与外壁同为球面的盘式定子轭(19)滑动配合共同构成偏转轴承，偏转转子轭(7)的上开口部通过第一十字连杆(15)和轴承与输出轴(1)连接。

4.根据权利要求3所述的一种高稳定性三自由度运动电动机，其特征在于：球壳状偏转转子轭(7)的内侧球面与偏转转子轭盘式定子轭(19)的球面外侧滑动配合形成的球面轴承。

5.根据权利要求3所述的一种高稳定性三自由度运动电动机，其特征在于：偏转永磁体永磁体材质为高性能铷铁硼烧制；偏转永磁体(8)采用表贴式，为沿球心方向的径向充磁；偏转永磁体(8)、偏转定子线圈(5)、偏转定子铁芯(6)级数设为4/2/2极；偏转传感器包括，偏转模块中偏转转子轭(7)外侧沿球面装有4组位置检测装置，每组包含4个霍尔传感器，位于每列每级偏转永磁体(8)的左右两翼，用以实时检测电机执行偏转操作时的轴向角度。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的一种高稳定性三自由度运动电动机，其特征在于：所述自转模块的自转定子包括自转定子铁芯(18)及线圈，自转定子铁芯(18)与第一十字连杆(15)相固定；自转定子铁芯(18)的上下两侧在输出轴(1)上各固定有一个盘式磁轭(13)，盘式磁轭(13)中设有若干自转永磁体(12)。

7.根据权利要求6所述的一种高稳定性三自由度运动电动机，其特征在于：所述自转模块若干自转永磁体(12)为沿铅直方向的轴向充磁，呈径向放射状排列，N、S极交替周向分布；所述自转定子铁芯(18)为环式结构；由切段状硅钢片卷压而成，圆周外侧设有四个互成90°的开口，以方便第一十字连杆(15)嵌入固定；自转定子铁芯(18)采用双转子共用形式，两侧开有上下对称的定子槽(23)口，相邻定子槽(23)之间设有极靴(24)，槽内布有定子线圈(2)，定子线圈(2)为上下两层，纵向绕线的多槽分布式单波叠绕组；对双层定子线圈(2)分别通以三相工频交流电，于自转定子铁芯(18)内部产生方向相同、速率相等的旋转磁场，分别与各自的转子永磁磁场相互作用，继而实现电机高速旋转；所述自转模块还设有第二十字连杆(16)及第二滚动轴承(10)，第二十字连杆(16)与第二滚动轴承(10)的外环和球壳状偏转转子轭(7)相固定；第二十字连杆(16)与输第一十字连杆(15)相隔45°，为轴线对称结构。

8.根据权利要求6所述的一种高稳定性三自由度运动电动机，其特征在于：所述自转模块盘式磁轭(13)的两侧均设有散热孔(22)，靠近自转永磁体(12)内环一侧设有若干散热孔(22)，靠近自转永磁体(12)外环一侧设有若干散热孔(22)；自转永磁体(12)、双层定子线圈(2)、自转定子铁芯(18)级数设为12/12/12极。

9.根据权利要求6所述的一种高稳定性三自由度运动电动机，其特征在于：自转传感器包括，自转模块中盘式磁轭(13)于靠近输出轴(1)的一侧沿周向装有1个挡光片，自转定子铁芯(18)的极靴(24)上装有2个反射式光电传感器检测装置，相间45°平行放置，用于检测转子的角速度和判定电机自转的转向。

10.根据权利要求5所述的一种高稳定性三自由度运动电动机，其特征在于电机在独立偏转运行时，单向进程的倾斜范围约为±30°，双向往复的倾斜范围约为±15°；在协同控制时的实现三自由度运动的轴向夹角运动范围为20°～30°。