非球形正交结构两自由度混合式步进电动机及其方法技术

本发明专利技术公开了非球形正交结构两自由度混合式步进电动机及其方法，该电动机包括底座，底座上安装有第1自由度电机，第1自由度电机的转轴为半圆柱型，该转轴的外径大于第2自由度电机的定子铁心外径，且该转轴的平面侧开有槽口，使得第2自由度电机整体嵌到槽口里；第2自由度电机的转轴为完整圆柱型且该转轴上设有输出轴；第1自由度电机的转轴中心轴线位于水平面上且设为X轴，第2自由度电机的转轴中心轴线与X轴垂直正交，第2自由度电机的转轴中心轴线作为Y轴，第1自由度电机的转轴带动第2自由度电机整体绕X轴在一定范围内转动；输出轴的轴线与Y轴垂直正交，实现输出轴的两自由度运动。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电动机领域，尤其涉及一种非球形正交结构两自由度混合式步进电动机及其方法。
技术介绍
多自由度电动机指具有两个或三个旋转自由度，可以绕过定点的空间轴线旋转的电动机。它具有机械集成度高、电动机结构材料和驱动控制系统元件利用率高等特点，在具有多个运动自由度的机械系统中，一台多自由度电动机可以代替两台或多台单自由度电动机，可以大大简化机械系统的结构，减小体积和重量，从而提高系统的精度和动态性能，提高性能价格比。因此多自由度电动机在机器人、多坐标机械加工中心、航天飞行器、电动陀螺仪、全方位跟踪天线、炮塔转台、人体假肢、医疗器械、摄像操作台、全景摄影操作台、搅拌机、球形阀等具有多个运动自由度的设备中具有广泛的应用前景。多自由度电动机的研究起源于五十年代，到了八十年代中期，空间技术、机器人及自动化技术的迅速发展，促进了多自由度电动机研究的发展，各种工作原理和不同结构的多自由度电动机层出不穷，对其研究也进入了高潮阶段。20世纪50年代初，为改善感应电动机的调速性能，英国E.C.Williams等人研制了一种变速球形感应电动机，该电机的定转子都是可动的，可以说是多自由度电机的雏形。与此同时，前苏联学者研制出一种自整角原理的三自由度电动机。自此后直到80年代初期，多自由度电动机的研究处于低潮，主要研究成果有N.S.Bers的球形绕组电动机专利，I.Laing和N.Laing的球形电动机泵专利，以及球形电动机在陀螺方面的应用。进入20世纪80年代，机器人和空间技术的迅速发展促进了多自由度电动机研究的发展，同时电机新材料的出现和制造工艺水平的提高、电机理论和自动控制理论研究的深入以及电力电子技术和计算机技术的飞速发展，为多自由度电动机本体制造及其驱动控制系统的实现提供了有利的条件。此后，美国、日本和欧洲等地学者的研究工作十分活跃，各种工作原理和不同结构的多自由度电动机层出不穷，比较典型的有法国的A.Foggia等人研制的外转子两自由度球形感应电动机、美国G.J.Vanchtsevanos等人研制的三自由度球形感应电动机、美国Kok-MengLee等人研制的球形步进电动机、A.R.Miles等人研制的三相自整角原理的两自由度球形电动机、日本的K.Kaneko等人研制的三自由度球形直流伺服电动机、日本电气精器公司提出的框架结构两自由度电动机等等。我国对多自由度电动机的研究始于20世纪80年代后期，虽然起步较晚，但国家有关部门非常重视，863计划和国家自然科学基金都资助过多自由度电动机方面的研究项目。主要研究成果有西北工业大学研制了一种三自由度球形直流电动机，华中理工大学研制了一台三自由度球形感应电动机，浙江大学基于日本电气精器公司提出的框架结构两自由度电动机原理研制了一种用于机器人球关节的正交结构两自由度混合式步进电动机，哈尔滨工业大学研制出了一种正交圆柱结构两自由度电动机，山东大学研制出了一种用于驱动机器人仿生眼球的仿生眼球用两自由度混合式步进电动机。纵观前人所做的工作，多自由度结构电动机样机的种类虽然较多，但大部分还不十分完善，仍处于实验室研究阶段，距实际应用还存在一定的距离。其中，传统球形结构的多自由度电动机制造和加工工艺比较困难，且电动机控制系统过于复杂，必须安装位置检测装置以构成闭环控制，从而实现输出轴的准确定位，造成电动机整体体积和重量较大；基于正交结构的两自由度电动机制造和加工工艺较为成熟，电动机可采用开环方式进行控制，从而省去了位置传感器、简化了控制系统、减小了电动机整体体积和重量，但是仍存在一系列难以解决的问题，例如：1.图1为哈尔滨工业大学研制的正交圆柱结构两自由度电动机示意图，该电动机由第1自由度电机1、第2自由度电机2、输出轴3和正底座4构成，其中，第1自由度电机1工作于混合式步进电动机状态，步距角小、开环定位精度高，第2自由度电机2工作于永磁式步进电动机状态，步距角大、开环定位精度低，因此两自由度电动机整体定位精度较差。2.图2为浙江大学研制的正交结构两自由度混合式步进电动机示意图，图3为山东大学研制的仿生眼球用两自由度混合式步进电动机示意图，两者均由第1自由度电机1、第2自由度电机2、输出轴3和正底座4构成，且第1自由度电机1、第2自由度电机2均工作于混合式步进电动机状态，步距角小、开环定位精度高，由于第2自由度电机2均采用特殊的非圆柱结构电机，转动过程中会在非对称电磁转矩和重力影响下产生机械方面的不平衡力，造成电机扰动，严重时可能导致电机无法正常运行。3.由图1、图2、图3可见，传统正交结构两自由度电动机的第1自由度电机外径均小于第2自由度电机内径，即起主要驱动作用的第1自由度电机(通常为完整圆柱结构电机，需同时驱动第2自由度电机和负载运动)采用的是小电机结构，而起次要驱动作用的第2自由度电机(完整或部分圆柱结构电机，只需驱动负载运动)采用的是大电机结构，且第1自由度电机体积和力矩的增加受到第2自由度电机尺寸的限制，这在电机结构设计合理性上存在一定问题。4.由图1、图2可见，此两种结构两自由度电动机的第1自由度电机两端部和第2自由度电机内部存在部分空间未得到充分利用，这在一定程度上降低了两自由度电动机整体的机械集成度，增加了电机整体体积。
技术实现思路
为了解决现有技术的缺点，本专利技术的第一目的是提供一种非球形正交结构两自由度混合式步进电动机。该非球形正交结构两自由度混合式步进电动机包括：底座，底座上安装有第1自由度电机，第1自由度电机的转轴为半圆柱型，且该转轴的外径大于第2自由度电机的定子铁心外径，且该转轴的平面侧开有槽口，使得第2自由度电机整体能够嵌放到槽口里面；第2自由度电机的转轴为完整圆柱型且该转轴上设有输出轴；第1自由度电机的转轴中心轴线位于水平面上且设为X轴，第2自由度电机的转轴中心轴线与X轴垂直正交，则第2自由度电机的转轴中心轴线作为Y轴，第1自由度电机的转轴带动第2自由度电机整体绕X轴在一定范围内转动；输出轴的轴线还与Y轴垂直正交，输出轴又在第2自由度电机作用下Y轴在一定范围内转动，最终实现输出轴的两自由度运动。进一步地，第1自由度电机包括第1自由度电机转子部分和第1自由度电机定子部分，第1自由度电机转子部分包括第一永磁体及其两侧的叠压第一转子铁心和第二转子铁心；第1自由度电机定子部分包括第一定子绕组和叠压的第一定子铁心和第二定子铁心，第一定子铁心的一端与底座相连，另一端与第1自由度电机的轴承相连；第1自由度电机转子部分中心轴线上设有第1自由度电机的转轴，使得转子部分固定套装在转轴上，相应转轴与轴承配合，使得第1自由度电机的定子部分与转子部分固定在一起。更进一步地，第一转子铁心和第二转子铁心外侧均匀布置若干转子小齿，且第一转子铁心和第二转子铁心上的转子小齿互错1/2齿距；第一定子铁心和第二定子铁心内侧均匀分布有磁极，极间槽内设有定子绕组，磁极的极靴上分布有与转子小齿齿距相同的若干定子小齿。这样使得第1自由度电机工作于混合式步进电动机状态。进一步地，第2自由度电机包括第2自由度电机转子部分和第2自由度电机定子部分，第2自由度电机转子部分包括第二永磁体及其两侧的叠压第三转子铁心和第四转子铁心；第2自由度电机定子部分包括第二定子绕组和叠压的第三定子铁心和第四定子铁心，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非球形正交结构两自由度混合式步进电动机，其特征在于，包括底座，底座上安装有第1自由度电机，第1自由度电机的转轴为半圆柱型，且该转轴的外径大于第2自由度电机的定子铁心外径，且该转轴的平面侧开有槽口，使得第2自由度电机整体能够嵌放到槽口里面；第2自由度电机的转轴为完整圆柱型且该转轴上设有输出轴；第1自由度电机的转轴中心轴线位于水平面上且设为X轴，第2自由度电机的转轴中心轴线与X轴垂直正交，则第2自由度电机的转轴中心轴线作为Y轴，第1自由度电机的转轴带动第2自由度电机整体绕X轴在一定范围内转动；输出轴的轴线还与Y轴垂直正交，输出轴又在第2自由度电机作用下Y轴在一定范围内转动，最终实现输出轴的两自由度运动。

【技术特征摘要】
1.一种非球形正交结构两自由度混合式步进电动机，其特征在于，包括底座，底座上安装有第1自由度电机，第1自由度电机的转轴为半圆柱型，且该转轴的外径大于第2自由度电机的定子铁心外径，且该转轴的平面侧开有槽口，使得第2自由度电机整体能够嵌放到槽口里面；第2自由度电机的转轴为完整圆柱型且该转轴上设有输出轴；第1自由度电机的转轴中心轴线位于水平面上且设为X轴，第2自由度电机的转轴中心轴线与X轴垂直正交，则第2自由度电机的转轴中心轴线作为Y轴，第1自由度电机的转轴带动第2自由度电机整体绕X轴在一定范围内转动；输出轴的轴线还与Y轴垂直正交，输出轴又在第2自由度电机作用下Y轴在一定范围内转动，最终实现输出轴的两自由度运动。2.如权利要求1所述的一种非球形正交结构两自由度混合式步进电动机，其特征在于，第1自由度电机包括第1自由度电机转子部分和第1自由度电机定子部分，第1自由度电机转子部分包括第一永磁体及其两侧的叠压第一转子铁心和第二转子铁心；第1自由度电机定子部分包括第一定子绕组和叠压的第一定子铁心和第二定子铁心，第一定子铁心的一端与底座相连，另一端与第1自由度电机的轴承相连；第1自由度电机转子部分中心轴线上设有第1自由度电机的转轴，使得转子部分固定套装在转轴上，相应转轴与轴承配合，使得第1自由度电机的定子部分与转子部分固定在一起。3.如权利要求2所述的一种非球形正交结构两自由度混合式步进电动机，其特征在于，第2自由度电机包括第2自由度电机转子部分和第2自由度电机定子部分，第2自由度电机转子部分包括第二永磁体及其两侧的叠压第三转子铁心和第四转子铁心；第2自由度电机定子部分包括第二定子绕组和叠压的第三定子铁心和第四定子铁心，第一定子铁心的一端与底座相连，另一端与第2自由度电机的轴承相连；第2自由度电机转子部分中心轴线上设有第2自由度电机的转轴，使得转子部分固定套装在转轴上，相应转轴与轴承配合，使得第2自由度电机的定子部分与转子部分固定在一起。4.如权利要求2所述的一种非球形正交结构两自由度混合式步进电动机，其特征在于，第一转子铁心和第二转子铁心外侧均匀布置若干转...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐衍亮，鲁炳林，马昕，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37