[發(fā)明專利]一種混合驅(qū)動(dòng)式三自由度運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810134255.5
• 申請日: 2018-02-09
• 公開（公告）號: CN108462346B
• 公開（公告）日: 2020-03-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李爭;何威
• 申請（專利權(quán)）人: 河北科技大學(xué)
• 主分類號: H02K16/00
• 分類號: H02K16/00;H02K7/075;H02K1/27;H02K1/30;H02K11/21;H02P6/17;H02K3/12
• 代理公司: 石家莊國為知識產(chǎn)權(quán)事務(wù)所 13120
• 代理人: 李榮文

本發(fā)明提供一種混合驅(qū)動(dòng)式三自由度運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，涉及三自由度運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。包括外部自轉(zhuǎn)模塊和內(nèi)部偏轉(zhuǎn)模塊，所述外部自轉(zhuǎn)模塊包括定子和自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，定子位于自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的外圍；自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子包括偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子和位于偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子外圍的偏轉(zhuǎn)定子；偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子與輸出軸相連；偏轉(zhuǎn)定子和偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子構(gòu)成內(nèi)部偏轉(zhuǎn)模塊；通過自轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)控制，實(shí)現(xiàn)輸出軸的三自由度運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)多自由度電動(dòng)機(jī)現(xiàn)有技術(shù)中輸出轉(zhuǎn)矩小，自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速低的問題，可以實(shí)現(xiàn)外部自轉(zhuǎn)模塊高速自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與內(nèi)部偏轉(zhuǎn)模塊精確偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的協(xié)同控制，轉(zhuǎn)速高，輸出轉(zhuǎn)矩大，性能好，特別適用于高速復(fù)雜運(yùn)動(dòng)工作場合，可用于空間多自由度運(yùn)動(dòng)的各種驅(qū)動(dòng)裝置。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及三自由度運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，在很多領(lǐng)域，單自由度電動(dòng)機(jī)不能滿足生產(chǎn)生活的要求，比如機(jī)器人關(guān)節(jié)等仿生領(lǐng)域、全景攝像驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域、武器領(lǐng)域、飛行器領(lǐng)域、車輛驅(qū)動(dòng)等，實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)往往需要多個(gè)單自由度電動(dòng)機(jī)通過復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)龐雜、精度低、動(dòng)態(tài)性能差、傳動(dòng)效率不高等問題，而多自由度運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)能顯著克服上述缺點(diǎn)，有著廣闊的發(fā)展空間。傳統(tǒng)多自由度運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)往往采用多自由度運(yùn)動(dòng)一體化設(shè)計(jì)和解耦控制，結(jié)構(gòu)上有較大局限性，轉(zhuǎn)速較低，輸出轉(zhuǎn)矩能力有限，且由于自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由同一套定子激勵(lì)線圈控制，作用于同一轉(zhuǎn)子永磁體，致使自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)難以同時(shí)完成，性能上很難得到顯著提升，實(shí)用化困難。所以，在需要高速運(yùn)行而且自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要高度協(xié)同運(yùn)行的場合，傳統(tǒng)多自由度電動(dòng)機(jī)有著固有問題和缺陷，難以勝任。因此，迫切需要提出適合高速運(yùn)行及應(yīng)用于實(shí)際工況的新型多自由度運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

以飛行器槳翼驅(qū)動(dòng)為例，其運(yùn)動(dòng)方式為復(fù)合運(yùn)動(dòng)，在采用傳統(tǒng)單自由度運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，一套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)空間單自由度上的運(yùn)動(dòng)，槳翼的復(fù)合運(yùn)動(dòng)往往需要多個(gè)驅(qū)動(dòng)元件借助傳動(dòng)機(jī)構(gòu)完成；致使飛行器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，并增大的飛行器重量，進(jìn)而影響了飛行器飛行的穩(wěn)定性和性能。針對此問題，設(shè)計(jì)新型混合驅(qū)動(dòng)式三自由度運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)是最為有效的辦法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種混合驅(qū)動(dòng)式三自由度運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，解決現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)多自由度運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低，輸出轉(zhuǎn)矩較小的問題，可以實(shí)現(xiàn)外部自轉(zhuǎn)模塊高速自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與內(nèi)部偏轉(zhuǎn)模塊精確偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的協(xié)同控制，轉(zhuǎn)速高，輸出轉(zhuǎn)矩大，性能好，易實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的高精度控制，特別適用于高速運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜工作場合，可應(yīng)用于空間多自由度運(yùn)動(dòng)的各種驅(qū)動(dòng)裝置和領(lǐng)域。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：提供一種混合驅(qū)動(dòng)式三自由度運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，其特征在于：主要包括外部自轉(zhuǎn)模塊和內(nèi)部偏轉(zhuǎn)模塊，所述外部自轉(zhuǎn)模塊包括定子和自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，所述定子位于自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的外圍；所述自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子包括偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子和位于偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子外圍的偏轉(zhuǎn)定子；所述偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子與輸出軸相連；偏轉(zhuǎn)定子和偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子構(gòu)成內(nèi)部偏轉(zhuǎn)模塊；通過自轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)的協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)輸出軸的三自由度運(yùn)動(dòng)。

優(yōu)選的，所述定子與自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)結(jié)合處呈圓柱面形，其間有氣隙，自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子通過軸承和軸承固定座支承。

優(yōu)選的，所述軸承為通過定子頂端的環(huán)狀滾珠軸承。

優(yōu)選的，所述定子包括定子軛、定子槽和定子分布式繞組；所述自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的周圍的外圓柱面上設(shè)置有與所述定子分布式繞組適配的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子永磁體，采用Halbach陣列排布模式，至少為四極結(jié)構(gòu)，每極永磁體分為3～6塊，在外圓柱面圓周方向采用徑向式與平行式磁極交替排列的方式。

優(yōu)選的，所述偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子和偏轉(zhuǎn)定子旋轉(zhuǎn)結(jié)合處呈球面形，其間有氣隙；所述偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子采用單側(cè)輸出軸式結(jié)構(gòu)，所述偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的一側(cè)與輸出軸連接，另一側(cè)通過關(guān)節(jié)軸承與偏轉(zhuǎn)定子連接。

優(yōu)選的，所述偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子包括凸球面狀偏轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)子磁軛以及設(shè)置在凸球面上的永磁體，所述永磁體呈Halbach陣列排列，每列永磁體磁極數(shù)至少為兩極結(jié)構(gòu)，徑向式與平行式磁極交替排列；所述偏轉(zhuǎn)定子包括自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子磁軛，所述自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子磁軛內(nèi)部設(shè)有和頂部凹槽相連的凹球面，凹球面上設(shè)有與所述永磁體適配的繞組磁軛及其繞組。