CN109873541B - 横向感应力驱动偏转三自由度电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供横向感应力驱动偏转三自由度电机，涉及多自由度电机技术领域。包括圆柱环形偏转定子和偏转转子；圆柱环形偏转定子在偏转转子的外围，圆柱环形偏转定子的内周分布有若干个径向定子轭；偏转转子的外周分布有若干个径向转子轭；偏转转子与输出轴相固定。偏转转子中心下方与带顶部相对的两个伞形支撑架的主轴相固定；两个伞形支撑架的外围设有球壳；球壳中主轴的中部外围设有永磁电机。主要解决传统意义上多自由度电机体积重量大、静态动态系统性能差等问题。本发明通过横向的感应驱动力来完成一定角度的偏转运动，具有结构简单、体积小、原理独特、控制简单平稳精确、响应速度快等特点。

Description

横向感应力驱动偏转三自由度电机

技术领域

本发明涉及多自由度电动机技术领域。

背景技术

传统的电机只能完成单自由度运动，需要借助传动机构的互相搭配或者更多的电机组合通过复杂的机械连接才可以实现两个自由度以及两个自由度以上的运动。这不仅使电机体积、重量大，而且系统性能差，难以维护，静态和动态性能难以得到长期保障，随着永磁材料的问世，随之诞生的永磁电机理论对电机的研究有着划时代的影响，永磁电机具有体积小、无需叠片结构、运动原理简单、力能指标高等特点，可以更方便的应用到多自由度运动电机领域。如今多自由度作为一个近代新生的学科技术，如何在保证在一定的自由度运动下简化其结构体积、提高效率为当代的一大难题。

发明内容

本发明要解决的问题是提供横向感应力驱动偏转三自由度电机，主要解决传统意义上多自由度电机体积重量大、静态动态系统性能差等问题。本发明通过横向的感应驱动力来完成一定角度的偏转运动，具有结构简单、体积小、原理独特、控制简单平稳精确、响应速度快等特点。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：横向感应力驱动偏转三自由度电机，其特征在于，包括横向感应力驱动装置，该装置包括：圆柱环形偏转定子和偏转转子；圆柱环形偏转定子在偏转转子的外围，圆柱环形偏转定子的内周分布有若干个径向定子轭，定子轭上缠绕定子驱动线圈；偏转转子的外周分布有若干个径向转子轭，转子轭上缠绕转子驱动线圈；偏转转子与输出轴相固定；通过定子驱动线圈和转子驱动线圈策略通电后产生的横向驱动力完成输出轴的偏转运动。

进一步的，所述的横向感应力驱动偏转三自由度电机，其特征在于：包括架体，圆柱环形偏转定子设在偏转转子的外围，并与架体相固定；输出轴与偏转转子的中心固定，球壳上部开孔，输出轴的自由端在偏转转子的上方；偏转转子中心下方与带顶部相对的两个伞形支撑架的主轴相固定；两个伞形支撑架的外围设有球壳，两个伞形支撑架与球壳间滑动配合，球壳与架体相固定；球壳中主轴的中部的外围设有永磁电机，永磁电机的外定子与球壳固定，永磁电机的内转子通过可偏转调心式球轴承与主轴连接；通过永磁电机实现电机的自转。

进一步的，所述的横向感应力驱动偏转三自由度电机，其特征在于：还包括下偏转驱动机构，下偏转驱动机构的圆柱环形偏转定子并与架体相固定；所述主轴的下端与下偏转驱动机构偏转转子的中心相固定，球壳下部开孔。

优选的，所述可偏转调心式球轴承为自调心球轴承。

优选的，所述可偏转调心式球轴承为三层式偏转调心式球轴承，即在自调心球轴承结构的基础上外面加有最外环部分，最外环部分与外环固定，最外环部分设有可与螺丝固定的开槽部分,用来将轴承与部件固定在一起，且最外环部分高度相比外环及内环都较高，可以减轻轴承中间部分的瞬态冲击影响；轴承内环或轴承内环内设有齿形啮槽，以便于齿形主轴配合。

进一步的，所述主轴在与可偏转调心式球轴承的内环连接处中间断开，与内环的连接为齿形啮合。

优选的，所述横向感应力驱动偏转三自由度电机的伞形支撑架结构包括，4个均布的与主轴固定的伞状支撑杆，每个支撑杆的自由端设有万向滑动滚珠，两个伞形支撑架均与球壳的内壁支撑并滑动配合。

进一步的，所述输出轴上设输出轴位置和速度传感器系统。

本发明提供的技术效果是：本发明主要解决传统意义上多自由度电机体积重量大、静态动态系统性能差等问题。本发明通过横向的感应驱动力来使轴完成一定角度的偏转运动，具有结构简单、体积小、原理独特、控制简单平稳精确、响应速度快等特点。

传统意义上多自由度电机存在体积重量大、静态动态系统性能差、难以维护、转换效率差等问题。本发明与现有的多自由度电机原理区分开来，具有结构简单、体积小、原理独特、偏转动力大、控制简单平稳精确、响应速度快、损耗低、用途广等特点。

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图。

图2为图1的剖视图。

图3为图2中上偏转转子与输出轴连接的立体结构示意图。

图4为图2中偏转转子上环绕驱动线圈的立体结构示意图。

图5为图2中内部伞形支撑架的俯视图。

图6为图2中内部伞形支撑架的侧视图(主视图)。

图7为图2中内部伞形支撑架的一个剖视图。

图8为图2中的球壳立体结构示意图。

图9为图2中心处安置的负责实现自转的永磁电机结构示意图。

图10为图7的永磁电机分相图。

图11为图2中机械结构轴承的立体结构示意图。

图12为图2中与机械结构轴承中心相连的锯齿连接件固定装置立体结构示意图。

图13为图9与图10连接后并加上与自转永磁电机相固定结构后的轴承的立体结构示意图。

图14为图11机械结构轴承自转原理示意图。

图15为图11机械结构轴承偏转原理示意图。

图16为图2中电机偏转原理示意图。

图17为图2中偏转定子的立体结构示意图。

图18为本发明的驱动控制原理框图。

图中所有标号的含义：1—输出轴，2—偏转定子，3—偏转转子，3A—偏转转子线圈，4—偏转定子，4A—偏转定子线圈，5—结构架，6—伞形支撑架，6A—滑动支架滚珠部分，7—球壳，8—可偏转调心式球轴承，机械结构轴承，8A—最外环部分，8B—轴承连接部分，8C—圆环滑轮，8D—轴承侧面螺丝孔，8E—轴承内环，8F锯齿连接件，9—(常规)永磁电机。

注：以某偏转定子轭中心作为中心顺时针依次排号，1、2、3、4、5、6，上层前缀加A，下层前缀加B。

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：横向感应力驱动偏转三自由度电机，其特征在于，包括横向感应力驱动装置，该装置包括：圆柱环形偏转定子2和偏转转子3；圆柱环形偏转定子4在偏转转子3的外围，圆柱环形偏转定子4的内周分布有若干个径向定子轭，定子轭上缠绕定子驱动线圈；偏转转子3的外周分布有若干个径向转子轭，转子轭上缠绕转子驱动线圈；偏转转子3与输出轴1相固定；通过定子驱动线圈和转子驱动线圈策略通电后产生的横向驱动力完成输出轴1的偏转运动。

作为本发明的一个具体实施方式，进一步的，所述的横向感应力驱动偏转三自由度电机，其特征在于：包括架体5，圆柱环形偏转定子4设在偏转转子3的外围，并与架体5相固定；输出轴1与偏转转子3的中心固定，输出轴1的自由端在偏转转子3的上方；偏转转子3中心下方与带顶部相对的两个伞形支撑架的主轴相固定，球壳7上部开孔；两个伞形支撑架的外围设有球壳7，两个伞形支撑架与球壳7间滑动配合，球壳7与架体5相固定；球壳7中主轴的中部的外围设有永磁电机9，永磁电机9的外定子与球壳7固定，永磁电机9的内转子通过可偏转调心式球轴承8与主轴连接；通过永磁电机9实现电机的自转。

作为本发明的一个具体实施方式，进一步的，所述的横向感应力驱动偏转三自由度电机，其特征在于：还包括下偏转驱动机构，下偏转驱动机构的圆柱环形偏转定子并与架体5相固定；所述主轴的下端与下偏转驱动机构偏转转子的中心相固定，球壳7下部开孔。

作为本发明的一个具体实施方式，优选的，所述可偏转调心式球轴承8为自调心球轴承。

作为本发明的一个具体实施方式，优选的，所述可偏转调心式球轴承8为三层式偏转调心式球轴承，即在自调心球轴承结构的基础上外面加有最外环部分8A，最外环部分8A与外环固定，最外环部分8A设有可与螺丝固定的开槽部分,用来将轴承与部件固定在一起，且外环部分8A高度相比外环及内环都较高，可以减轻轴承中间部分的瞬态冲击影响；即在自调心式球轴承的外围加上一层抗冲击环，偏转结构原理与自调心球轴承相同；但控制偏转部分的滚珠形式可以有所不同；轴承内环8E或轴承内环8E内设有齿形啮槽，以便于齿形主轴配合。

作为本发明的一个具体实施方式，进一步的，所述主轴在与可偏转调心式球轴承8的内环连接处中间断开，与内环的连接为齿形啮合。

作为本发明的一个具体实施方式，优选的，所述横向感应力驱动偏转三自由度电机的伞形支撑架结构包括，4个均布的与主轴固定的伞状支撑杆，每个支撑杆的自由端设有万向滑动滚珠，两个伞形支撑架均与球壳7的内壁支撑并滑动配合。

作为本发明的一个具体实施方式，以下进一步加以说明。

自转部分分布在电机的球壳7内部，自转部分整体通过机械结构轴承8与伞形支撑架6固定在球壳7内部，机械结构轴承8上下端均与伞形支撑架6固定连接，伞形支撑架6上下两端均与若干个矩形架的交叉结构的偏转转子3连接在一起，电机上方的偏转转子3中心引出输出轴1，偏转转子3外侧分布着圆柱环形状的偏转定子4，偏转定子4上分布着若干个可供缠绕驱动线圈的偏转定子轭，电机结构架5底端和电机底座连接在一起，构成整个电机模型，其中偏转模块是通过上下两部分偏转定子4与偏转转子3横向的驱动力驱使电机完成的一定程度倾斜运动，并不需要传动机构来实现，上端偏转转子3中心与输出轴1对接处设有可检测电机位置和速度的传感器系统。偏转定子4与偏转转子3分别采用六线圈、四线圈绕组组合，这是综合考虑电机性能与体积因素后的选择，线圈过多则体积过大，线圈过少则驱动复杂。

采用该机械结构轴承：该轴承可承受的冲击力较大，同时韧性较强，相较于自调式轴承有着更好的机械硬度和可调范围，可以在可动支架驱动时提供较为可靠的运动环境。

自转部分的永磁电机9采用九极的图8分相，内部永磁体采用八块N、S相互交替的永磁体组成，这是综合考虑经济因素成本因素后的选择，该种类电机较为常见，生产成本较低，体积较小，可以很好的满足电机的运行指标和运行要求。同时本发明中间采用的电机也可为其他极结构的永磁电机，只要体积、性能指标符合要求，并无完全标准的电机选择。

需要说明的是，对应偏转运动时的线圈一定要按照一定的组合规律进行，例如对A1通电时对应部分B5也必须通电，上下线圈通电个数必须相同，而且每对线圈编号后缀相加的和应该为6，如A1、B5通电，A2、B4通电，A3、B3通电，以此类推。

电机采用的原理是通过偏转定子4与偏转转子3之间的横向感应驱动力来实现一定程度的偏转运动，不必借用或依赖于传动机构来完成。

横向感应驱动力中的横向与轴向之间相差九十度，即互垂直于轴向方向，感应驱动力是指产生力的原因是由两部分通电驱动线圈之间相互作用，故称为感应驱动力，也可以叫做感生驱动力。现已有的三自由度电机可分为单转子、多转子结构，对于三自由度电机的偏转运动，往往依靠一个类球状结构定子给予永磁转子或感应转子一个过球心的驱动力使电机完成一定程度的偏转，多自由度电机一般体积较小，故大多数多自由度电机采用的是永磁转子结构，采用单转子控制电机做多自由度运动时往往需要多层定子结构来维持电机运动，此时对于电机而言将产生更多的谐波与齿槽转矩，影响电机性能。而采用多层转子结构时由于需要多个线圈混合驱动，故会引入电磁干扰，从而影响电机性能。本发明利用上下两端相互反向的横向感应驱动力拉动上下两端转子做一定程度的偏转运动，本发明较大多数多自由度电机有着更好的电磁特性和运行效率，不需要过于复杂的驱动器，同时由于自转部分为单独的永磁电机，因此也可以较为简单的对电机转速进行调节。

其根本区别在于本发明的偏转力不必通过圆心，而可以通过调节偏转定、转子的高度，利用任何一对垂直于轴向力来驱动，从而优化电机的电磁特性。

参阅图1-图2，该横向感应力驱动偏转三自由度电机主要由偏转部分、自转部分、连接支架部分等组成，其中偏转部分分布在电机的上下两侧，自转部分分布在电机的球壳内部，自转部分整体通过机械结构轴承与伞形支撑架固定在球壳内部，机械结构轴承上下端均与伞形支撑架固定连接，伞形支撑架上下两端均与十字架结构的偏转转子连接在一起，电机上方的偏转转子中心引出输出轴，偏转转子外侧分布着圆柱环形状的偏转定子，偏转定子上分布着若干个可供缠绕驱动线圈的偏转定子轭，电机结构架底端和电机底座连接在一起，构成整个电机模型，其中偏转模块是通过上下两部分偏转定子与偏转转子横向的驱动力驱使电机完成的一定程度倾斜运动，并不需要传动机构来实现，上端偏转转子中心与输出轴对接处设有可检测电机位置和速度的传感器系统。

参阅图3，所述横向感应力驱动偏转三自由度电机输出部分主要由输出轴承担，输出轴固定若干个矩形架的交叉结构中心处，输出轴与偏转转子架中心对接处还设有可检测电机运动速度和运动位置的传感器。

参阅图4，所述横向感应力驱动偏转三自由度电机的偏转转子部分主要采用四极结构，即组成一个十字架形，每个架轭上都环绕有驱动线圈，共计四个驱动线圈，在选择驱动线圈过程中不宜选用过多线圈组合，选用过多的线圈组合则偏转转子架外部的偏转定子的极数也需要随之增加，这样不仅增加电机成本，同时电机的下线也会变得复杂，随之而来驱动也会变得难以控制。选用太少的线圈组合则会使电机的驱动力过小，导致电机自转时的偏转角度过小或无法偏转。

参阅图5-图7，所述横向感应力驱动偏转三自由度电机的伞形支撑架采用伞状结构，伞把与伞周向支架互成三十度夹角，此角度是根据球形外壳而选定，当选择角度过大会导致结构不稳定，在偏转运动时有折断的隐患。选择角度过小对时对输出口压力较大，易导致输出口损坏。选择三十度夹角可以很好的契合电机运动。周向支架底部设有可供万向滑动的滚珠，周向支架共四个，两个相邻支架之间互成相等的夹角，以便可以均分受到的压力，不会导致某个支架受力过大或过小导致结构损坏。伞把的作用是用来与中心的轴承相连接，伞周向支架的作用是为电机提供一个适宜的偏转环境，伞尖的作用是与电机的偏转转子部分连接，起到传动的作用。在施例中采用4+1组合架结构是基于滑动稳定性考虑，采用的组合架个数过多，则成本较高，摩擦较大，偏转时角度也会受一定程度影响。采用组合架个数过少则会使结构不稳定，易产生偏差且不易恢复。

参阅图8，所述横向感应力驱动偏转三自由度电机的外壳部分主要由一个空心球组成，球上打孔方便引线，中间部分镂空，方便散热，球体上下两端开口，可以更好的契合电机轴的偏转运动，可以给电机的输出轴提供一定角度的偏转空间。

参阅图9，所述横向感应力驱动偏转三自由度电机中间部分的永磁电机在本施例中采用的是九极永磁电机，该电机大致由定子、转子、驱动绕组线圈三部分组成，该电机较为常规，绕组采用分层分布，中心转子上永磁按N、S交替的方式排布，共计四组，即八块永磁体表贴在转子架的周围。

参阅图10，为图7所述永磁体电机分相图，绕组按一定规律排布在定子上。

参阅图11-图15所述可偏转调心式球轴承8结构为自调心式轴承，结构为：三层结构，最外环部分8A设有可与螺丝固定的开槽部分,可用来将轴承与部件固定在一起，外环部分8A高度相比其他层环部分较高，可以减轻轴承中间部分的瞬态冲击影响，在一定程度上也起到抗冲击的作用；第二层环为滑轮环，主要为电机提供一个可以偏转的环境；最内层为齿形啮槽，主要为电机提供一个可以自转的环境，其结构原理和自调心式球轴承类似，只是在自调心式球轴承的外围加上一层抗冲击环，同时控制偏转部分的滚珠形状有所不同，其他相关部分结构原理相同。中心永磁电机的转子部分与轴承的外环8A部分连接，当中心的永磁电机进行自转时，带动轴承做自转运动，同时轴承中心8E与一个契合锯齿连接件连接在一起，由于锯齿相互贴合，会带动锯齿连接件一起做自转运动，锯齿连接件与伞形支撑架相连，此时的运动会借助于伞形支撑架于偏转转子传输到输出轴上，从而使电机进行自转运动。同理，当偏转定子与偏转转子之间相互作用时同理偏转转子可通过伞形支撑架将运动传输到轴承中，并通过其圆环滑轮进行相对运动，从而完成一定角度的偏转运动。参阅图16，所述横向感应力驱动偏转三自由度电机中心的机械结构轴承中心保持不变，进行一定偏转角度运行时，其伞形支撑架进行一定程度的滑动，可通过轴承完成一整套的偏转倾斜运动，其大概效果如图14所示。

参阅图17，所述横向感应力驱动偏转三自由度电机的偏转定子在施例中采用六极的结构，采用六极结构的原因有两点，第一点是为了契合内部四极偏转转子的结构考虑，采用相近绕组相近的结构可以有效的减小能量的损耗和谐波的产生。第二点是综合电机性能考虑，绕组过多会使下线变得复杂，因为线圈过多也会使驱动器的成本增加变得能以控制，本施例中采用上下两层分布较为合适，若采用多层分布则会使电机纵向拉长，加大电机的体积和控制难度，采用双层分布即可很好的满足运动要求，因此不必再加多层数增大成本。

参阅图18，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，控制芯片采用DSP处理器即可，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，驱动器通过对永磁电机以及偏转部分的控制可以使电机实现自转、偏转运动。

以上未述及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 (8)

1.横向感应力驱动偏转三自由度电机，其特征在于，包括横向感应力驱动装置，该装置包括：圆柱环形偏转定子(4)和偏转转子(3)；圆柱环形偏转定子(4)在偏转转子(3)的外围，圆柱环形偏转定子(4)的内周分布有若干个径向定子轭，定子轭上缠绕定子驱动线圈；偏转转子(3)的外周分布有若干个径向转子轭，转子轭上缠绕转子驱动线圈；偏转转子(3)与输出轴(1)相固定；通过定子驱动线圈和转子驱动线圈策略通电后产生的横向驱动力完成输出轴(1)的偏转运动；

还包括架体(5)，圆柱环形偏转定子(4)设在偏转转子(3)的外围，并与架体(5)相固定；输出轴(1)与偏转转子(3)的中心固定，输出轴(1)的自由端在偏转转子(3)的上方；偏转转子(3)中心下方与带顶部相对的两个伞形支撑架的主轴相固定，球壳(7)上部开孔；两个伞形支撑架的外围设有球壳(7)，两个伞形支撑架与球壳(7)间滑动配合，球壳(7)与架体(5)相固定；球壳(7)中主轴的中部的外围设有永磁电机(9)，永磁电机(9)的外定子与球壳(7)固定，永磁电机(9)的内转子通过可偏转调心式球轴承(8)与主轴连接；通过永磁电机(9)实现电机的自转。

2.根据权利要求1所述的横向感应力驱动偏转三自由度电机，其特征在于：径向定子轭和径向转子轭均为4个。

3.根据权利要求1所述的横向感应力驱动偏转三自由度电机，其特征在于：还包括下偏转驱动机构，下偏转驱动机构的圆柱环形偏转定子并与架体(5)相固定；所述主轴的下端与下偏转驱动机构偏转转子的中心相固定，球壳(7)下部开孔。

4.根据权利要求1或3所述的横向感应力驱动偏转三自由度电机，其特征在于：所述可偏转调心式球轴承(8)为自调心球轴承。

5.根据权利要求1或3所述的横向感应力驱动偏转三自由度电机，其特征在于：所述可偏转调心式球轴承(8)为三层式偏转调心式球轴承，即在自调心球轴承结构的基础上外面加有最外环部分(8A)，最外环部分(8A)与外环固定，最外环部分(8A)设有可与螺丝固定的开槽部分,用来将轴承与部件固定在一起，且最外环部分(8A)高度相比外环及内环都较高，可以减轻轴承中间部分的瞬态冲击影响；轴承内环(8E)或轴承内环(8E)内设有齿形啮槽，以便于齿形主轴配合。

6.根据权利要求1或3所述的横向感应力驱动偏转三自由度电机，其特征在于：所述主轴在与可偏转调心式球轴承(8)的内环连接处中间断开，与内环的连接为齿形啮合。

7.根据权利要求1或3所述的横向感应力驱动偏转三自由度电机，其特征在于：所述横向感应力驱动偏转三自由度电机的伞形支撑架结构包括，4个均布的与主轴固定的伞状支撑杆，每个支撑杆的自由端设有万向滑动滚珠，两个伞形支撑架均与球壳(7)的内壁支撑并滑动配合。

8.根据权利要求1、2或3所述的横向感应力驱动偏转三自由度电机，其特征在于：所述输出轴(1)上设输出轴位置和速度传感器系统。

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