[发明专利]永磁转子偏转式三自由度运动电机

说明书

  

技术领域

本发明涉及永磁转子电动机技术领域。 

背景技术

多自由度运动的实现，传统方法是采用多个单自由度电机配合机械传动装置来实现，容易导致精度和效率的下降，往往体积较为庞大，成本较高。采用多自由度电机特别是三自由度电机来实现复杂运动，是目前较为理想的方案，该类电机广泛应用于机器人关节、全方位驱动轮彀，全景摄像平台，空间测量、多方向传送结构等领域。 

引入永磁体的多自由度电机，可以大大提高电机磁能积，有效提高电机的运行效率，减小电机的体积，提高电机的可控性。计算机技术、电力电子技术的发展、控制理论和电机理论的不断深入以及新材料和制造工艺水平的提高，为多自由度电机的发展提供了坚实的基础。永磁多自由度电机可以大致分为以下几类：1、单极永磁多自由度电机；2、多极永磁多自由度电机；3、永磁步进式多自由度电机；4、Halbach阵列永磁球形多自由度电机；5、直流永磁球形多自由度电机； 

上述类型多自由度电机转子结构以球形为主，虽然能显著增强转子运动的范围，但是在实用化方面尚有一定差距，结构复杂，在轴承支承设计和磁力控制方面，存在轴承磨损大，难于实现磁悬浮控制等问题。

目前已有的偏转式多自由度电机结构上为双层定子结构，定转子磁极为六极—四极的配合结构，且只有单层，输出转矩小，转子支承只有底端支承的单一方式，转子受摩擦力影响显著，运行精度受限，只能工作在普通运行模式，无法实现磁悬浮运行，迫切需要提出适合于普通和磁浮模式的新结构永磁转子偏转式多自由度电机。 

发明内容

本发明的目的是提供一种永磁转子偏转式三自由度运动电机，目的是解决现有三自由度运动电机磨损大、转矩输出能力差等问题，其结构相对简单、易控、机械集成度高、磨损小、转矩输出能力强，静态和动态性能好，易实现悬浮控制。 

本发明的主要技术方案是：一种永磁转子偏转式三自由度运动电机，包括定子、转子，底座、外壳与定子固定为一体，其特征在于转子设有导磁材料制成的内芯，在内芯外侧分布有非导磁材料构成的隔磁片，相邻两个隔磁片之间嵌入安装有永磁体，以N极和S极交错分布，永磁体的外形呈外球面状；位于转子外围的定子上设有均匀等分的上下至少两层磁极铁芯以及固定它们的导磁材料制作的定子轭，磁极铁芯上面设有匝数和外形可调的定子磁极线圈，磁极铁芯与转子相对侧为凹球面形状，转子具有与之对应的球面形，定子与转子之间具有间隙；输出轴与转子中心固连，并通过外壳的开口处伸向外端，外壳的中心与转子中心相重合，转子通过固定于定子上的环状滚珠轴承支承；定子上设有检测转子位置与速度的传感器，通过相应的检测电路，实现电机的闭环控制。 

所述的输出轴、底座与转子中心通过主螺杆球轴承相固连较好。 

并具有主螺杆球轴承距离底座的高度可调机构较好。 

所述的永磁转子偏转式三自由度运动电机，其特征在于设有悬浮辅助线圈或中间层定子线圈较好。 

所述的转子为单层圆鼓形或三层立体蝶形结构较好。 

所述的永磁体为径向或轴向充磁的永磁体较好。 

所述的永磁体可为阶梯状结构的永磁体便于加工。 

所述的定子和转子的磁极采用八极-六极的配合结构较好。 

所述的定子磁极与转子的径向距离通过螺栓调整调节较好。 

所述的外壳面向输出轴一侧设置有螺纹连接的锥状开口端盖较好。 

所述的检测电路可具有电源电路、DSP数字控制器和信号处理电路。 

本发明的积极效果是：很好地解决了现有三自由度运动电机磨损大、转矩输出能力差等问题，其结构相对简单、易控、机械集成度高、磨损小、转矩输出能力强，静态和动态性能好，能实现多自由度悬浮控制。可广泛应用于机器人关节、全方位驱动轮彀，全景摄像平台，空间测量、多方向传送结构等领域。与已有技术相比，有益效果体现在： 

1、本发明采用圆鼓形与蝶形转子结构实现三自由度运动，可以取代传统的多自由度运动机构，广泛应用在机器人关节、全方位驱动轮彀，全景摄像平台，空间测量、多方向传送结构等领域，能有效减小传动结构复杂度，提高传动的性能。立体蝶形与圆鼓形转子结构相比，产生更大的输出转矩，转动惯量减小，控制的灵活性更强。