[發明專利]仿生眼球用正交圓柱結構兩自由度步進電機

有效

• 申請號: 201210529481.6
• 申請日: 2012-12-10
• 公開（公告）號: CN102969849A
• 公開（公告）日: 2013-03-13
• 發明（設計）人: 徐衍亮;魯炳林;馬昕;顧建軍
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H02K16/00
• 分類號: H02K16/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 劉乃東

技術領域

本發明涉及一種兩自由度電動機，尤其涉及一種適合于驅動仿生眼球在一定范圍內運動的仿生眼球用正交圓柱結構兩自由度步進電機。

背景技術

多自由度電動機具有機械集成度高、電機結構材料和驅動控制系統元件利用率高等特點，可以大大簡化機械系統的結構，減小體積和重量，提高系統的精度和動態性能，在機器人等具有多個運動自由度的系統中具有廣泛的應用前景。80年代以來，隨著機器人和空間技術的迅猛發展，多自由度電動機及其應用方面的研究日益受到重視，國內外學者的研究工作十分活躍，各種樣機層出不窮。從現有資料看，國內外學者所研制的多自由度電動機大都采用球形結構，從結構原理上看球形結構較為合理，但存在著如結構復雜加工困難等缺點。

鑒于球形結構多自由度電動機結構復雜和加工困難，哈爾濱工業大學提出了一種非球形的正交圓柱結構雙氣隙共磁鋼的兩自由度電動機。圖1是傳統的正交圓柱結構兩自由度電動機的結構分解圖，圖2和圖3分別是該樣機的兩個自由度的結構原理示意圖。該電動機由內定子Ⅰ28、內轉子25、外轉子Ⅰ24、支撐軸Ⅰ26、底座Ⅰ27、輸出軸Ⅰ23、機殼33、一對永磁體Ⅰ31、一對橫向軸承Ⅰ22、一個縱向軸承Ⅰ29組成。外轉子24由硅鋼片疊壓而成，內側圓周上均勻布置一些齒和槽，槽內設置外轉子繞組30、內轉子繞組32，輸出軸23設置在外轉子上方。內定子28由兩段鐵心組成，兩段鐵心上的小齒互錯1/2齒距。內轉子25由永磁體及其兩側的兩段鐵心組成，永磁體31縱向軸向充磁，兩段鐵心內側齒上設置兩相勵磁繞組。內轉子外部齒端部及內部齒端部分別加工成以橫軸和縱軸為軸線的兩個相互正交的圓柱面，分別與外轉子和內定子齒表面形成同心圓柱。內轉子與機殼固定在一起，外轉子通過橫向軸承與機殼安裝在一起，從而外轉子可相對于機殼轉動。支撐軸通過縱向軸承與機殼安裝在一起，從而機殼可以相對于支撐軸轉動。

傳統的正交圓柱結構兩自由度電動機的工作原理：當外轉子的兩相繞組按A-B-（-A）-（-B）的順序通電時，磁通Φ1經永磁體→一段內轉子鐵心→氣隙→外轉子鐵心→氣隙→另一段內轉子鐵心→永磁體形成閉合回路，電機工作于永磁式步進電動機狀態，外轉子相對于內轉子繞橫軸轉動，使輸出軸實現俯仰運動；當內轉子的兩相繞組按A-B-（-A）-（-B）的順序通電時，磁通Φ2經永磁體→一段內轉子鐵心→氣隙→兩段內定子鐵心→氣隙→另一段內轉子鐵心→永磁體形成閉合回路，電機工作于混合式步進電動機狀態，內轉子連同外轉子相對于內定子繞縱軸轉動，使輸出軸隨之自轉（當輸出軸處于豎直位置時）或側擺（當輸出軸處于偏轉狀態時）。磁通Φ1和Φ2都經過永磁體，兩段氣隙公用了一個永磁體，即雙氣隙共永磁體，因而該電動機利用一個永磁體、兩組繞組實現了兩個自由度的運動，電動機體積較小，具有較高的性能體積比。

盡管與球形結構電動機相比，傳統的正交圓柱結構兩自由度電動機在結構上更加簡化，更容易加工制造，體積更小，但是其在實際運行時存在以下問題：由于外轉子工作于永磁式步進電動機狀態，其步距角即為一個極距角，而實際中極距不能太小，否則繞組將無法放置，因而步距角較大，電動機定位精度較低，運動平滑性較差；實際運行中內轉子連同外轉子相對于內定子繞縱軸是不能單一方向持續轉動的，否則將導致內轉子和外轉子的兩相繞組無法放置。

同時，由于驅動仿生眼球時要求所用兩自由度電動機的體積更小、質量更輕、定位精度更高、運行平滑性更好，而且能使眼球（輸出軸末端）在給定范圍內一定精度下沿任何軌跡運動（包括眼球連續地轉動），傳統的正交圓柱結構兩自由度電動機是不適合于驅動仿生眼球運動的。

發明內容

本發明的目的是為克服上述現有技術的不足；提供一種仿生眼球用正交圓柱結構兩自由度步進電機；實現驅動仿生眼球在一定范圍內一定精度下沿任何軌跡、持續地轉動，而且能夠比傳統的正交圓柱結構兩自由度電動機體積更小、質量更輕、定位精度更高、運行平滑性更好。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：