CN111900849B - 一种机械臂用主动安全电机及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种机械臂用主动安全电机，该安全电机包括外动子、中间转子、内定子、电枢绕组和转轴，外动子上有包含外动子轭部、外动子铁芯极和永磁极，永磁极采用径向充磁，表贴在外动子轭，永磁极与铁芯极交替分布；中间转子采用分离式结构，通过非导磁材料将其固定；内定子包含定子轭部，定子齿和定子绕组；本发明的电机整体结构简单，电机采用了定子永磁型结构，钕铁硼、电枢绕组均置于内定子上，外动子上只有钕铁硼永磁和铁芯极。而中间转子由纯铁芯极构成，充当导磁铁芯与调制磁场的作用，鲁棒性良好，故而该种电机方便加工制造非常方便。

Description

一种机械臂用主动安全电机及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种主动安全电机，具体涉及一种机械臂用主动安全电机及其控制方法，属于机器臂主动安全技术领域。
背景技术
随着机电一体化技术的发展，工业产品朝着智能化、系统化、微型化、模块化与人机协作的方向发展。尤其是在轻型机械臂领域，机械臂有着高精化、模块化、轻量化和多自由度化的发展趋势。在各种类型的机械臂中，模拟人类手臂的关节机械臂，有结构紧凑，所占空间小、运动空间大等优点，应用较为广泛。在其使用过程中，经常会遇到由于更换夹具、上下料等原因而导致的机械臂断电，而又希望机械臂保持在原先的工作位置的情况。同时还会存在机械臂发生故障时，驱动电机失去电磁力的作用，机械臂在重力的作用下运动偏离停机位置的情况，在这几种情况下，就要要求机械臂具有制动刹车的功能。
当前的机械臂制动方式主要是加入机械制动机构，但是现有的机械臂中的制动结构过于复杂，使得制动器的自身体积较大、成本较高。而外加机械装置，不仅增加了机械臂的质量，而且还损失了机械臂的美观，因此，将制动和电动整合到一起，在减少机械制动机构的同时，还能够减轻整个机械手臂的质量，增强整个系统的稳定性。
发明内容
本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种机械臂用主动安全电机。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种机械臂用主动安全电机，所述安全电机包括外动子、中间转子、内定子和电机转轴，所述外动子设置在中间转子外部，中间转子由分离的铁芯极构成，通过非导磁材料将铁芯极固定；内定子设置在电机转轴外部。
作为本发明的一种改进，所述外动子包括外动子铁芯极，外动子轭部以及外动子永磁极，外动子铁芯极和外动子永磁极交替排布，共同固定在外动子轭部上。
作为本发明的一种改进，所述内定子包含内定子电枢绕组、内定子轭部、内定子齿和内定子永磁极。内定子齿固定在内定子轭部，内定子永磁极间隔的表贴在内定子齿上，内定子电枢绕组环绕在定子齿上。
作为本发明的一种改进，该电机的外动子只存在铁芯极、永磁极和轭部，不设置任何绕组，只在该电机的内定子处设置绕组；与此同时，该电机的外动子永磁极沿径向向内充磁，内定子永磁极沿径向向外充磁，两者充磁方向相反。
作为本发明的一种改进，外动子的旋转方向为两个(即可向上，又可向下)，且旋转范围为两个外动子永磁磁极(或者两个外动子铁芯极)的夹角。
一种机械臂用主动安全电机的控制方法，所述电机存在两个工作状态：紧急制动态(状态一)和正常工作态(状态二)；两个状态通过控制装置进行切换。当机械臂不上电时，外动子被机械闭锁在图1所示的位置，电机处于紧急制动态(状态一)；当机械臂上电时，机械闭锁打开，电机旋转(正转或者反转)，外动子由于惯性作用随同中间转子一块运动到达图2所示的位置后被机械闭锁，电机处于正常工作态(状态二)，此时电机运行正常且稳定，使得机械臂能够稳定运行；而机械臂突然断电时，外动子在控制系统作用下恢复到紧急制动态(状态一)，机械臂被主动制动和主动保持。
相对于现有技术，该发明具有如下优点：1)本发明的电机整体结构简单，电机采用了定子永磁型结构，钕铁硼、电枢绕组均置于内定子上，外动子上只有钕铁硼永磁和铁芯极。而中间转子由纯铁芯极构成，充当导磁铁芯与调制磁场的作用，鲁棒性良好，故而该种电机方便加工制造非常方便；2)该技术方案的电机采用的电枢绕组是集中绕组，有效的降低了端部长度，削减电机端部效应；3)该技术方案存在两个状态：正常工作态与紧急制动态。正常工作态下，具有较小的齿槽转矩和转矩脉动，能够稳定运行；紧急制动态下，具有较高的齿槽转矩，能够对机械臂进行制动和保持；4)该技术方案实现了电动与制动的统一，可通过减少机械臂制动部件，减轻机械臂重量，缩小机械臂体积，降低机械臂成本，提高整个系统的稳定性。
附图说明
图1为本发明的电机横截面结构图，此时电机处于紧急制动状态(状态一)，其中箭头方向表示永磁体充磁方向。
图2为本发明的电机横截面结构图，此时电机处于正常制动状态(状态二)，其中箭头方向表示永磁体充磁方向。
图3(a)为本发明电机的处于紧急制动态下的齿槽转矩波形。
图3(b)为本发明电机处于正常工作态下的电磁转矩波形。
具体实施方式：
为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。
实施例1：参见图1、图2，一种机械臂用主动安全电机，包括外动子1、中间转子2、内定子3和电机转轴4，所述外动子1设置在中间转子2外部，外动子1包括外动子铁芯极1.1，外动子轭部1.2、外动子永磁极1.3，外动子铁芯极1.1和外动子永磁极1.3交替排布，共同固定在外动子轭部1.2上；中间转子2由分离的铁芯极构成，通过非导磁材料将铁芯极固定；内定子3包含内定子电枢绕组3.1、内定子轭部3.2、内定子齿3.3、和内定子永磁极3.4，内定子齿(3.3)固定在内定子轭部(3.2)，内定子永磁极(3.4)间隔的表贴在内定子齿(3.3)上，内定子电枢绕组(3.1)环绕在定子齿(3.3)上；内定子3设置在电机转轴4外部。该电机的外动子只存在铁芯极、永磁极和轭部，不设置任何绕组，只在该电机的内定子处设置绕组。与此同时，该电机的外动子永磁极沿径向向内充磁，内定子永磁极沿径向向外充磁，两者充磁方向相反。该电机存在两个工作状态：紧急制动态(状态一)和正常工作态(状态二)。
进一步的，外动子的旋转为两个(即可向上，又可向下)，且旋转范围为两个外动子永磁磁极(或者两个外动子铁芯极)的夹角。
进一步的两个状态通过控制装置进行切换，当机械臂不上电时，外动子被机械闭锁在图1所示的位置，电机处于紧急制动态(状态一)；当机械臂上电时，机械闭锁打开，电机旋转(正转或者反转)，外动子由于惯性作用随同转子一块运动到达图2所示的位置后被机械闭锁，电机处于正常工作态(状态二)，此时电机运行正常且稳定，使得机械臂能够稳定运行；而机械臂突然断电时，外动子在控制系统作用下恢复到紧急制动态(状态一)，机械臂被主动制动和主动保持。
所述的本发明的电机整体结构简单，电机采用了定子永磁型结构，钕铁硼、电枢绕组均置于内定子上，外动子上只有钕铁硼永磁和铁芯极。而转子由纯铁芯极构成，充当导磁铁芯与调制磁场的作用，鲁棒性良好，故而该种电机方便加工制造非常方便。
所述的本发明电机采用的电枢绕组和采用集中绕组，有效的降低了端部长度，削减电机端部效应。
所述的本发明存在两个状态：正常工作态与紧急制动态。正常工作态下，具有较小的齿槽转矩和转矩脉动，能够稳定运行；紧急制动态下，具有较高的齿槽转矩，能够对机械臂进行制动和保持。
所述的本发明实现了电动与制动的统一，可减少机械臂制动部件，减轻机械臂重量，缩小机械臂体积，降低机械臂成本，并同时提高机械臂系统的稳定性。
本发明公开的一种机械臂用主动安全电机及其控制方法的运行原理如下：
电机定子绕组中匝链的磁通会根据转子的不同位置改变幅值，因此会感应出双极性的反电动势；转子连续旋转时，定子绕组中匝链的磁通呈周期性变化，从而实现了的电机的机电能量转换。
最关键的是，本发明存在两个可以旋转的动子：外动子与中间转子。外动子的转动范围有限制，旋转范围为两个永磁极之间的机械角度(120机械角度)，主要用于切换电机的运行状态。中间转子与转轴连接，带动轴向外部负载提供转矩。当机械臂不上电时，外动子被机械闭锁图1所示的位置，电机处于紧急制动态(状态一)；当机械臂上电时，机械闭锁打开，电机旋转(正转或者反转)，外动子由于惯性作用随同中间转子一块运动到达图2所示的位置后被机械闭锁，电机处于正常工作态(状态二)，此时电机运行正常且稳定，使得机械臂能够稳定运行；而当而机械臂突然断电时，外动子在控制系统作用下恢复到紧急制动态(状态一)，机械臂被主动制动和主动保持。故而本发明通过同一个装置上实现了电动与制动，减少了机械臂的器件，减轻了机械臂重量，增加了机械臂美观度，降低了成本，提高了机械臂的系统稳定性。
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (3)

1.一种机械臂用主动安全电机，其特征在于，所述安全电机包括外动子（1）、中间转子（2）、内定子（3）和电机转轴（4），所述外动子（1）设置在中间转子（2）外部，中间转子（2）由分离的铁芯极构成，通过非导磁材料将铁芯极固定；内定子（3）设置在电机转轴（4）外部，所述外动子（1）包括外动子铁芯极（1.1），外动子轭部（1.2）以及外动子永磁极（1.3），外动子铁芯极（1.1）和外动子永磁极（1.3）交替排布，共同固定在外动子轭部（1.2）上，所述内定子（3）包含内定子电枢绕组（3.1）、内定子轭部（3.2）、内定子齿（3.3）和内定子永磁极（3.4），内定子齿（3.3）固定在内定子轭部（3.2），内定子永磁极（3.4）间隔的表贴在内定子齿（3.3）上，内定子电枢绕组（3.1）环绕在定子齿（3.3）上，该电机的外动子只存在铁芯极、永磁极和厄部，不设置任何绕组，只在该电机的内定子处设置绕组；与此同时，该电机的外动子永磁极沿径向向内充磁，内定子永磁极沿径向向外充磁，两者充磁方向相反。
2.根据权利要求1所述的机械臂用主动安全电机，其特征在于，外动子的旋转方向为两个，即可向上，又可向下，且旋转范围为两个外动子永磁磁极或者两个外动子铁芯极的夹角。
3.采用权利要求1-2任意一项所述机械臂用主动安全电机的控制方法，其特征在于，所述电机存在两个工作状态：紧急制动态即状态一和正常工作态即状态二；两个状态通过控制装置进行切换，当机械臂不上电时，外动子被机械闭住，电机处于紧急制动态；当机械臂上电时，机械闭锁打开，电机旋转，正转或者反转，外动子由于惯性作用随同中间转子一块运动到达状态二的位置后被机械闭锁，电机处于正常工作态，使得机械臂能够稳定运行；而机械臂突然断电时，外动子在控制系统作用下恢复到紧急制动态，机械臂被主动制动和主动保持。
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