[实用新型]非球形正交结构两自由度混合式步进电动机

说明书

技术领域

本实用新型属于电动机领域，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。

背景技术

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-Meng Lee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。