[發明專利]一種液質懸浮式仿生電磁驅動三自由度運動電機

有效

• 申請號: 201410823067.5
• 申請日: 2014-12-26
• 公開（公告）號: CN104617691B
• 公開（公告）日: 2018-04-10
• 發明（設計）人: 李爭
• 申請（專利權）人: 河北科技大學
• 主分類號: H02K7/00
• 分類號: H02K7/00;H02K1/22;H02K1/17;H02K11/20;H02K11/22;H02K11/00;H02K11/35
• 代理公司: 石家莊國為知識產權事務所13120
• 代理人: 張二群

技術領域

本發明涉及三自由度運動電動機技術領域。

背景技術

隨著現代工業科技水平的發展，多自由度一體化驅動技術得到越來越多的重視。多自由度電機成為重要的研究方向，許多新型多自由度電機不斷被研發出來并得到應用。多自由度電機的出現解決了傳統上采用多個一維驅動元件實現多自由度運動導致的系統復雜、效率低下、精度不夠、費用高昂、動態性能差等缺點。多自由度電動機在人體仿生、機器人、航天飛行器、機械手、雷達、全景攝影儀等需要多個運動自由度的儀器設備中有著廣闊的應用前景。

在機器人及仿生驅動等多自由度運動領域，視覺系統是最重要的感知設備之一。目前對視覺感知器“機器眼”的研制雖然取得了很大進展但依然落后于其他功能，如行走及手臂關節運動等。將多自由度電機應用到視覺仿生系統中可對機器視覺仿生系統的研制產生巨大的推動作用。將目前的多自由度電機應用到視覺仿生系統中有如下缺點：傳統多自由度電機體積較大且不易于小型化；傳統多自由度電機機械軸承的支承設計和磨損問題是在特殊應用場合的主要問題。機械摩擦增加轉子阻力造成部件發熱，導致電機動態性能變差，效率降低，影響其使用壽命；傳統多自由度電機在懸浮控制模式下運行有一定的困難，且存在電機結構復雜、磁場易失控的問題，不易于提高控制精度。

在永磁球形步進電機和永磁球形同步電機的研究中，進行了磁力懸浮控制設計和探討，發現這兩種類型電機在電磁懸浮運行一模式下存在一定的困難，而多自由度感應式電機也存在結構相當復雜、磁場易失控的問題。因此，迫切需要提出適合仿生驅動等應用的新型多自由度電機。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種液質懸浮式仿生電磁驅動三自由度運動電機，該結構電機的定轉子之間封閉充滿阻尼液質，旋轉時形成的液體膜能使得轉子實現懸浮并自動定位，通過對不同線圈的方向和幅值進行控制對電機轉子的偏轉進行調整，可實現懸浮運行，完全消除摩擦，具有結構簡單、體積小、響應快、動態性強、能較大程度地逼近真眼及易于小型化集成化的優點；同時可借助多維運動致動器設計與控制技術，實現真正的實用化視覺仿生。

本發明的主要技術方案是：一種液質懸浮式仿生電磁驅動三自由度運動電機，包括：轉子、定子和外殼部分，其特征在于：電機采用內嵌式或輸出軸式結構；轉子為中空的球形殼體，轉子中空部分能放置無線傳輸裝置，以及視覺圖像采集裝置；轉子殼內表面至少一個直徑方向固定有一對永磁體；定子位于轉子球面外圍，具有與轉子外形相適配的內腔,內腔面上固定有若干磁極鐵芯，磁極鐵芯上纏繞定子線圈，定子的內腔固定有位于垂直方向的與所述永磁體相適配的定子永磁體；轉子和定子之間密封充有轉子懸浮液，即合適阻尼的液體流質，使轉子呈液質懸浮支承方式；給垂直位置定子線圈輸入特定方向和幅值的電流后，會產生偏轉轉矩，垂直位置定子線圈與垂直方向永磁體相配合實現大范圍的偏轉。

進一步改進結構是，所述轉子殼內表面還固定有位于后側的一個以上的尾部永磁體，定子的內腔面上還固定有位于后側的一個以上的定子尾部線圈；定子尾部線圈與尾部永磁體配合來實現精細位置調節；給定子尾部線圈通入特定方向和幅值的電流后，會引起氣隙磁路發生改變，進而使轉子發生微偏運動，通過對不同定子尾部線圈的電流大小與方向進行改變和組合，實現轉子微動方位的調節；由大范圍偏轉與精細運動相結合的方式，共同構成混合驅動模式，實現三自由度運動。

進一步改進結構是，所述的液質懸浮式仿生電磁驅動三自由度運動電機，其特征在于所述定子的內腔位于垂直方向還安裝有永磁體，起到對轉子定位和輔助懸浮的作用。

優選結構是，所述的尾部永磁體采用盤狀或環狀永磁體。

優選結構是，所述的定子線圈具有匝數和外形可調式結構。

優選結構是，所述的定子的內腔面上還設有光電傳感器。

本發明專利的積極效果是：很好的解決了由多個傳統一維驅動元件組合實現多自由度運動而導致的系統復雜，體積龐大，效率低下，精度不夠，響應遲緩，動態性能較差的缺點。該結構電機的定轉子之間封閉充滿阻尼液質，旋轉時形成的液體膜能使得轉子實現懸浮并自動定位，通過對不同線圈中電流的方向和幅值進行控制對電機轉子的偏轉進行調整，可實現懸浮基礎上的三自由度運動，具有結構簡單、體積小、磨擦小、響應快、動態性強、能較大程度地逼近真眼及易于小型化集成化的優點；同時可借助多維運動致動器設計與控制技術，實現真正的實用化視覺仿生。