CN210405050U - 一种智能伺服电机及机器人 - Google Patents

Abstract

一种智能伺服电机及机器人。智能伺服电机包括外壳以及设置在外壳内的转子、设置在转子外周的第一定子和驱动器，其特征在于，在外壳内设置有磁屏蔽基座以对基座内外空间进行磁隔离，转子轴通过磁悬浮轴承沿基座的轴向设置于基座上，磁悬浮轴承包括设置在基座内空腔内壁上的第二定子和与第二定子之间设置有间隙的套筒，套筒上交错设置有N极性和S极性永久磁体。本实用新型提供的智能伺服电机及机器人，寿命长；伺服电机转速快。

Description

一种智能伺服电机及机器人

技术领域

本实用新型涉及一种智能伺服电机及机器人，尤其涉及损耗小的伺服电机，属于电机技术领域。

背景技术

现有技术提供了的伺服电机为机械轴承的电动机，其包括定子和转子，在定子的槽中设有旋转用的绕组，在绕组中施加电流，则转子在机械轴承中旋转，这种伺服电机的缺点是机械轴承的磨损严重，电机寿命短，转速较低。

实用新型内容

为克服现有技术的缺点，本实用新型的发明目的是提供一种智能伺服电机及机器人，其寿命长，输出转速较高。

为实现所述发明目的，本实用新型提供一种伺服电机，其包括外壳以及设置在外壳内的转子、设置在转子外周的第一定子和驱动器，其特征在于，在外壳内设置有磁屏蔽基座以对基座内外空间进行磁隔离，转子轴通过磁悬浮轴承沿基座的轴向设置于基座上，磁悬浮轴承包括设置在基座内空腔内壁上的第二定子和与第二定子之间设置有间隙的套筒，套筒上交错设置有N极性和S极性永久磁体。

优选地，驱动器至少包括测量单元、用于给第一定子上的绕组提供交流电流以产生旋转磁场的驱动部分和用于给磁悬浮轴承上的第二定子上的绕组提供交流电流以产生磁悬浮支撑力的驱动部分，所述测量单元用于测量转子的旋转角，产生旋转磁场的驱动部分根据所测量的旋转角给第一定子上的绕组施加电能，产生磁悬浮支撑力的驱动部分根据所测量的旋转角给第二定子上的绕组施加电能使转子轴磁悬浮于基座上。

优选地，逆变器的各个功率晶体管具有保护电路。

为实现所述实用新型目的，本实用新型还提供一种机器人，其包括上述任一的所述伺服电机。

与现有技术相比，本实用新型提供的伺服电机由于使转子磁磁悬浮于基座上，在转子旋转时，不需要克服机械轴承的阻力，且机械磨擦小，因此，寿命长，转速高且输出功率大。

附图说明

图1是本实用新型提供的伺服电机的组成示意图；

图2是本实用新型提供的磁悬浮轴承的组成示意图；

图3是在转子轴旋转角度为0度时的第二定子绕组电流；

图4表示转子轴旋转角度为0度时磁悬浮轴承产生磁支撑力的原理示意图；

图5本实用新型的提供的伺服电机控制系统组成框图；

图6是本实用新型提供的逆变器的电路图；

图7是本实用新型提供的保护电路。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，所示实施例仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本实用新型的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。应该理解，当我们称元件被“连接”到另一元件时，它可以直接连接到其他元件，或者也可以存在中间元件。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，本申请文件中所用术语，应该被理解为具有与现有技术一致的意义，除非在本申请文件被特定定义，否则不会用极端化的含义来解释。

图1是本实用新型提供的伺服电机的纵向剖视图。如图1所示，本实用新型提供的伺服电机包括用于屏蔽基座外的磁场的磁屏蔽基座5和与基座5的周边相配合的外壳6以在基座和外壳6内形成第一空腔7，第一空腔7内设置有第一定子9和设置在第一定子形成的空腔内的转子8，所述第一定子包括第一定子铁芯13和多个第一电枢绕组，所述第一定子铁芯13具有沿壳体的径向向内突出并沿着周向等间隔布置的多个第一极靴，多个第一电枢绕组缠绕在第一极靴上；所述转子8固定于设置于转子中心的轴4上，所述轴4从外壳6的一端伸出。第一定子9设置于转子8的外周。所述外壳6内表面具有多个凹口，所述第一定子铁芯与外壳6内表面的至少一部分连接。

所述基座5沿轴向设置有用于安装转子轴4的通孔，转子轴4通过磁悬浮轴承沿基座的轴向安装到基座5上。在基座5内形成第二空腔10，在第二空腔10内设置磁悬浮轴承，磁悬浮轴承包括第二定子1和设置在转子轴4上的第二永磁体2，所述第二定子1包括第二定子铁芯和多个第二电枢绕组，所述第二定子铁芯1具有沿基座的径向向内沿周向等间隔布置的多个第二极靴，多个第二电枢绕组缠绕在第二极靴上。

转子8包括多个交错设置的呈N极性和S极性的第一永磁体，每个第一永磁体呈”L”形状，其具有基部和从基部延伸的部分。基部基本上垂直于转子轴4的中心线轴线，从基部延伸的部分基本平行于中心线轴线。基座5的端部安装在轴4的后端附近。

第一定子9相对于转子轴4的中心轴线安装在转子8的径向外侧。因此，第一定子9设置在转子8和外壳6之间。更具体一点，第一电枢绕组设置在转子外8附近，而第一铁芯邻接外壳6的内部；磁悬浮轴承的定子的第二电枢绕组设置在转子内，而第二铁芯固定于基座5内的空腔中。第一定子9的铁芯接合并延伸以包围电机的其他内部部件。第一电枢绕组设置在第一铁芯上，第二电枢绕组设置在第二铁芯上，它们可由铜线或其他导电细丝制得。基座上设置有磁屏蔽层以基座内外空间进行磁隔离。

在伺服电机工作期间，转子8与轴4一起旋转。特别地，转子8构造成相对于第一定子9和第二定子2绕中心线轴线旋转，使得在转子8分别与第一定子9和第二定子之间保持间隙以形成磁通路径的一部分。第一激励电流施加于第一电枢绕组以使每一定子9产生旋转磁场从而使转子8旋转推动转子8以产生工作转矩输出；第二激励电流施加于第二电枢绕组以使每二定子2产生磁场，从而使与第二永磁体2形成磁悬浮。

图2是本实用新型提供的磁悬浮轴承的组成示意图，如图2所示，磁悬浮轴承包括设置在基座的内壁的第二定子1和交错设置有N极性和S极性磁体12的永久磁体套筒4，套筒4与第二定子间设置有间隙13。所述第二定子铁芯1具有沿基座的径向向内沿周向等间隔布置的多个第二极靴11，多个第二电枢绕组15缠绕在第二极靴上。多个第二极靴緾绕有第二定子绕组，通过施加交流电以产生磁支承力。第二定子1被划分为3个区段1、区段2和区段3。在区段1中，给绕施加的电流为id1；在区段2中，给绕施加的电流为id2；在区段3中，给绕施加的电流为id3。永久磁体套筒2能够套在电机转子轴4上并通过紧固件固定其上。

下面，结合图3-4说明使用旋转坐标系来说明说明产生磁支撑力的原理。图3是在转子轴旋转角度为0度时的第二定子绕组电流，分别设为id1，id2，id3，三个电流分别独立地进行控制。图4表示转子轴旋转角度为0度时磁悬浮轴承产生磁支撑力的原理示意图，如图4所示，在区段1中，当存在id1电流时，产生磁支撑力F11，F12，F13，它们的和在机械角度0度方向上对转子轴4产生磁支撑力F1。同理，在区段部分2和3中产生的和力F2和F3，F2在机械角度120度方向产生磁支撑力，F3在机械角240度方向产生磁支撑力。其结果，通过F1，F2，F3的合力F稳定地支撑转子轴4。磁支撑力F1，F2，F3分别与施加于第二定子的电流id1，id2，id3成比例，它们的方向由施加于第二定子绕组的电流方向决定。

图5本实用新型的提供的智能伺服电机的控制系统的组成框图，图5中，伺服电机包括用于产生旋转磁场的部分24A和用于产生磁悬浮支撑力的部分24B,它们共轴。如图5所示，智能伺服电机的控制系统包括测量单元、用于给第一定子上的绕组提供交流电流以产生旋转磁场的驱动部分和用于给磁悬浮轴承上的第二定子上的绕组提供交流电流以产生磁悬浮支撑力的驱动部分。本实用新型中，测量单元优选位置检测单元28，所述位置检测单元28用于检测伺服电机转子的旋转角度θ。产生旋转磁场的驱动部分包括位置控制单元21、速度控制单元22和电流输出单元23；位置控制单元21根据输入的位置指令值θ^*和位置检测单元28检测的角度值θ，求出位置误差Δθ^*，并生成速度指令值ω^*；速度置控制单元22根据输入的速度指令值ω^*和差分单元25检测的速度值ω，求出速度误差Δω^*，并生成电流指令值i_q ^*而后提供电流输出单元23。电流输出单元23包括座标变换单元231、2相/3相变换单元232和逆变器233，其中，座标变换单元231根据下式(1)将电流指令值i_q ^*变换为电流指令值i_a ^*和i_b ^*：

2相/3相变换单元232根据下式将电流指令值i_a ^*和i_b ^*变换为电流指令值i_u ^*、i_v ^*和i_w ^*

电流指令值i_u ^*、i_v ^*和i_w ^*被输出到逆变器233，以产生驱动伺服电机的三组绕组的电流i_u、i_v和i_w。电流i_u、i_v和i_w施加于第一定子上的三个绕组以产生旋转磁场，使转子8旋转。

产生磁悬浮支撑力的驱动部分包括转换器26和支撑力电流产生器27,其中，转换器26根据下式(3)将位置误差Δθ^*变换为二轴支撑力指令F_x ^*和F_y ^*：

式中，A为转换系数，r为套筒半径。

支撑力电流产生器27包括2轴/3轴变换单元271、电流指令生成单元272和逆变器273，其中，2轴/3轴变换单元271根据下式生成三轴支撑力指令值F1*，F2*，F3*：

电流指令生成单元272，生成与F1*，F2*，F3*成比例电流指令值id1*，id2*，id3*,逆变器273根据电流指令值id1*，id2*2，id3*产生驱动磁悬浮三个绕组的电流id1，id2，id3。电流id1，id2，id3施加于第二定子上的三个绕组以产生磁支撑力，从而使转子轴通过磁悬浮轴承活动设置于基座上，减小了转子轴与轴承之间的磨擦，进而提高了伺服电机的使用寿命，且转速高、输出功率大。

图6是本实用新型提供的逆变器的电路图，如图6所示，本实用新型提供的逆变器具有功率晶体管，每个功率晶体管上均设置有相同的保护电路A,它们的组成相同。

图7是本实用新型提供的保护电路，图6中，在功率晶体管Q的发射极上串联连接电流检测用电阻R，用于测量功率晶体管Q的发射极电压Ve。另外，为了检测功率晶体管Q1的集电极电压Vc，串联连接分压电阻R1，R2，从其连接点连接于比较器CP2的反相输入端。比较器CP1用于检测过电流，功率晶体管Q的发射极连接于比较器CP1的同相端。比较器CP2用于检测晶体管Q的非饱和区域，其反相端连接于与分压电阻R1和R2相连的节点。比较器CP2的基准电压由二极管ZD的二极管电压确定。比较器CP1的基准电压由比较器CP2的输出电压确定。即，功率晶体管Q的集电极电位Vc经电阻R1和R2提供给比较器CP2的同相端，比较器CP2的输出电压由电阻R3和R4进行分压提供给比较器CP1。比较器CP2检测功率晶体管Q的非饱和区域，当其输出反转为"低"时，比较器CP1的基准电压实质上降低到零。另一方面，在控制电路用电源E上连接有通过负载电阻R5的输出。在这样的结构中，当反相器14正常工作，在功率晶体管Q中不流过过电流，并且在切断区域和饱和区域之间进行正常的开关工作时，比较器CP2的输出为"高"，比较器CP1的输出为"高"。在该状态下，如上所述，根据辅助用晶体管q1的导通截止，对功率晶体管Q进行导通截止控制。当功率晶体管Q导通时流过过电流，电阻R的端子电压超过设定值而上升时，比较器CP1的输出从"低"转为"高"，使晶闸管SCR导通，所以辅助用晶体管q1的集电极电位的集电极电位上升。该保护状态仅在控制信号S接通控制时间的期间持续。当控制信号S1成为截止控制时间时，辅助用晶体管q1的集电极电位成为"低"或使晶闸管SCR导通。本实用新型提供这种保护电路能够在不中断对负载的电力供给的情况下检测过电流等危险的状态，保护功率晶体管及负载。另外，由于不是像以往那样在直流电源线上设置过电流检测单元，而是与各个功率晶体管对应地设置，所以能够迅速且适当地应对危险状态的发生。进而，能够防止功率晶体管在非饱和区域工作，能够可靠地保护电动机。

根据本实用新型另一个实施例，还提供一种电动机械，其包括上述伺服电机，所述电动机器包括机器人。

应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本实用新型的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本实用新型的范围，对本实用新型所做的公开是说明性的，而非限制性的，本实用新型所要求的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (3)

1.一种智能伺服电机，其包括外壳以及设置在外壳内的转子、设置在转子外周的第一定子和驱动器，其特征在于，在外壳内设置有磁屏蔽基座以对基座内外空间进行磁隔离，转子轴通过磁悬浮轴承沿基座的轴向设置于基座上，磁悬浮轴承包括设置在基座内空腔内壁上的第二定子和与第二定子之间设置有间隙的套筒，套筒上交错设置有N极性和S极性永久磁体。

2.根据权利要求1所述的智能伺服电机，其特征在于，驱动器至少包括测量单元、用于给第一定子上的绕组提供交流电流以产生旋转磁场的驱动部分和用于给磁悬浮轴承上的第二定子上的绕组提供交流电流以产生磁悬浮支撑力的驱动部分，所述测量单元用于测量转子的旋转角，产生旋转磁场的驱动部分根据所测量的旋转角给第一定子上的绕组施加电能，产生磁悬浮支撑力的驱动部分根据所测量的旋转角给第二定子上的绕组施加电能使转子轴磁悬浮于基座上。

3.一种机器人，其特征在于，包括权利要求1-2任一的所述的智能伺服电机。

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