非球形正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動機

圖2別是正交圓柱結(jié)構(gòu)兩囪由度電司機的結(jié)構(gòu)分解圖和原理示意圖。從電機的結(jié)構(gòu)分解圖(見圖1)可以看出，該電機由定子、可動子轉(zhuǎn)子、一對X向軸承、一對可動端蓋、一對Z位軸承、一對Z向端蓋組成 。

電機的定子由硅鋼片疊壓制成，內(nèi)側(cè)圓周上續(xù)勻布置一些齒和槽，槽內(nèi)設(shè)置兩相定子勵磁繞組電機的轉(zhuǎn)子由輸出軸和兩段鐵心組成，兩段鐵心士分別均勻布置若干小齒，兩段鐵心相互錯開1/2迭距。電機的可動子由永磁體及其兩側(cè)的兩段鐵心紅成，永磁體采用高矯頑力、高磁能積、易于加工鐵硼材料，Z向軸向充磁。由于永磁體的作用可動子外側(cè)4個齒呈N, S, S, N規(guī)律分布。可司子內(nèi)側(cè)沿圓周分布4對極，每個極上有若干小齒極間槽內(nèi)設(shè)置兩相勵磁繞組。轉(zhuǎn)子鐵心和可動子鑼心與定子鐵心一樣均由硅鋼片疊壓制成。

可動子外部齒端部及內(nèi)部齒端部分別加工成協(xié)X軸和Z軸為軸線的兩個相互正交的圓柱面，分另i與定子和轉(zhuǎn)子齒表面形成同心圓柱，從而在定子迭與可動子外部齒之間形成氣隙1，在可動子內(nèi)部迭與轉(zhuǎn)子齒之間形成氣隙2，可動子通過螺釘與可司端蓋固聯(lián)在一起，可動端蓋又通過X向軸承安翠在定子上，從而可動子與可動端蓋構(gòu)成的整體可札對于定子繞X軸作有限轉(zhuǎn)動。電機轉(zhuǎn)子通過Z向軸承和Z向端蓋與可動子安裝在一起后，可相對于可動子繞Z軸連續(xù)轉(zhuǎn)動。

當(dāng)定子的兩相繞組按A-B- ( A )- (-B)的順序通電時，小、經(jīng)永磁體、可動子鐵心、氣隙1、定子鐵心、氣隙1、另一段可動子鐵心回到永磁體形成閉合回路，電機工作于PM(永磁)電動機狀態(tài)，電機的轉(zhuǎn)子隨可動子相對于定子繞X軸轉(zhuǎn)動即偏轉(zhuǎn)。當(dāng)可動子的兩相繞組按A-B- ( A )- (-B)的順序通電時，小z經(jīng)永磁體、可動子鐵心、氣隙2、兩段轉(zhuǎn)子鐵心、氣隙2,另一段可動子鐵心回到永磁體，形成閉合回路，電機工作于HB(混合式)步進(jìn)電動機狀態(tài)，電機的轉(zhuǎn)子相對于可動子繞z軸連續(xù)轉(zhuǎn)動即自轉(zhuǎn)。在電機的定子繞組與可動子的繞組同時按自己的方式通電時，電機的輸出軸同時進(jìn)行自轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)兩自由度運動。

如果改變電機的支撐結(jié)構(gòu)并在適當(dāng)?shù)牟考显O(shè)置輸出軸，可使該電機實現(xiàn)兩個偏轉(zhuǎn)自由度，從而實現(xiàn)水平側(cè)擺和豎直俯仰的兩自由度運動。

非球形正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動機具有機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊簡單、集成度高、容易加工制造、電機體積較小、驅(qū)動控制系統(tǒng)元件利用率高、易于控制等性能特點，在具有多個運動自由度的機械系統(tǒng)中，一臺電機可以代替兩臺單自由度電動機 ，并可提高系統(tǒng)的精度和動態(tài)性能，在機器人、多坐標(biāo)機械加工中心、航天飛行器、電動陀螺儀、全方位跟蹤天線、炮塔轉(zhuǎn)臺、船舶推進(jìn)系統(tǒng)、人體假肢、醫(yī)療器械、全景攝像操作臺、球形閥等設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用前景。

多自由度電動機具有機械集成度高、電機結(jié)構(gòu)材料和驅(qū)動控制系統(tǒng)元件利用率高等特點，可以大大簡化機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減小體積和重量，從而可以提高系統(tǒng)的精度和動態(tài)性能，提高性能價格比，因此在機器人等具有多個運動自由度的系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景 。

90年代以來，美國、歐洲、日本等國的學(xué)者對多自由度電動機的研究工作十分活躍，各種工作原理和不同結(jié)構(gòu)的樣機層出不窮，比較典型的有法國的A. Foggia等人研制的外轉(zhuǎn)子兩自由度球形感應(yīng)電動機、美國G . J . V achtsevanos等人研制的三自由度球形感應(yīng)電動機、美國Kok-Meng Lee等人研制的球形步進(jìn)電動機、A. R. Miles等人研制的三相自整角原理的兩自由度球形電動機、日本的K. Kaneko等人研制了的三自由度球形直流伺服電動機、日本TOYAMA Shigeki等人研制的兩自由度球形超聲波電動機等等。

我國在多自由度電動機方面的研究起步較晚，主要研究成果有西北工業(yè)大學(xué)的三自由度永磁直流伺服電動機、華中理工大學(xué)的三自由度球形交流伺服電動機、浙江大學(xué)的組合式兩自由度步進(jìn)電動機。

從現(xiàn)有資料看，國內(nèi)外學(xué)者所研制的多自由度電動機大都采用球形結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)原理上看球形結(jié)構(gòu)較為合理，易于實現(xiàn)多自由度旋轉(zhuǎn)運動，但也存在著如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工困難、電磁藕合關(guān)系復(fù)雜、不易控制等缺點。為此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)在傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機原理和制造工藝基礎(chǔ)上提出了非球形的正交圓柱結(jié)構(gòu)多自由度電動機方案，并在國家863計劃的支持下研制出了正交圓柱結(jié)構(gòu)多兩自由度和三巨由度電動機的樣機，實驗研究證明了該結(jié)構(gòu)的可行性。

(1)輸出軸偏轉(zhuǎn)范圍較大 。

(2)力能指標(biāo)較高，定子繞組電流為1A時，輸出軸的最大偏轉(zhuǎn)靜轉(zhuǎn)矩可達(dá)30Nm;可動子繞組電流為1A時，輸出軸的最大自轉(zhuǎn)靜轉(zhuǎn)矩可達(dá)4 0Nm。

(3)采用非球形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易。

(4)兩個氣隙共用一個永磁體，一個永磁體、兩組繞組，就實現(xiàn)了兩個轉(zhuǎn)動自由度，因而體積較小，陛能體積比較高。

(5)采用高性能專用的PWM芯片來實現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動，因而具有較高的定位精度和速度控制精度。

由于兩自由度電機是將兩種不同運動形式和兩套運動產(chǎn)生源集成到一套系統(tǒng)中，因此兩自由度電機和通常單自由度電機相比有許多不同的特征，因此可以預(yù)見以下這些方而將成為兩自由度電機發(fā)展的研究熱點。

1)就是開發(fā)新結(jié)構(gòu)新原理的兩自由度電機。由于工業(yè)應(yīng)用方而的拓展，使用環(huán)境和應(yīng)用要求不斷變化，現(xiàn)有的兩自由度電機結(jié)構(gòu)可能不能滿足要求，因此需要根據(jù)環(huán)境性能需要，繼續(xù)研發(fā)具有新結(jié)構(gòu)和新原理的兩自由度電機 。

2)就是要對已有的電機模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。和傳統(tǒng)電機一樣，對兩自由度電動機的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可以使電機結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，提高電機的機械集成度及材料的利用率，擴大動子的偏轉(zhuǎn)范圍，簡化支撐結(jié)構(gòu)，減輕重量，減小體積。另外，還可以通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化來簡化各自由度之間的電磁及力學(xué)耦合關(guān)系，提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

3)兩自由度電機電磁場的計算問題。電磁場的計算問題是兩自由度電機控制的理論基礎(chǔ)。由于兩自由度電機結(jié)構(gòu)的特殊性，其磁場具有邊界條件復(fù)雜、各向異性、非線性、端部效應(yīng)的問題，而且兩自由度電機的電磁場大都是典型的三維場，很難使用二維場來進(jìn)行簡化，因此兩自由度電機電磁場的分析計算問題是此種電機設(shè)計的難點和重點部分。

4)耦合問題。由于兩自由度電機是將兩種不同的電機系統(tǒng)融合到一個系統(tǒng)中，因此其電磁和運動都有耦合的可能。如何定量地分析這些耦合關(guān)系及其對電機性能的影響，以及如何消除這些不良影響，是多自由度電動機研究中待解決的關(guān)鍵問題。

5)電機的運動控制問題。由于多自由度電動機自身的特點，各自由度之間除了存在電磁耦合之外還存在著十分復(fù)雜的力學(xué)耦合關(guān)系，這是多自由度電動機難以控制的重要原因之一，因此必須根據(jù)電機的具體結(jié)構(gòu)，建立準(zhǔn)確的力學(xué)模型，深入分析各自由度之間的耦合關(guān)系，研究力學(xué)解禍控制策略，以提高電機的動靜態(tài)性能及穩(wěn)定性。因此需要根據(jù)電機的實際結(jié)構(gòu)建立其運動學(xué)模型，確立其輸出軸的運動軌跡控制策略。

6)驅(qū)動控制系統(tǒng)的研究。多自由度電動機是典型的機電一體化產(chǎn)品，其驅(qū)動控制系統(tǒng)不僅要對各自由度的角位移、速度、加速度及輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行檢測，還要進(jìn)行各自由度之間的解禍計算、軌跡規(guī)劃，因此有必要研制適合于多自由度電動機控制系統(tǒng)的專用控制元器件并開發(fā)計算機控制系統(tǒng)。

由于看到了兩自由度電機的優(yōu)越性，各國研究人員加大了對多自由度電機的研究力度。隨著多自由電機理論的不斷完善，制約多自由電機發(fā)展的以上技術(shù)瓶頸正不斷被打破?？梢灶A(yù)見，在不久的將來，兩自由度電機一定能夠得到廣泛應(yīng)用。

兩自由度直驅(qū)電機可以代替兩個或更多用于產(chǎn)生復(fù)雜運動的旋轉(zhuǎn)電機及與其連接的繁瑣而又效率低下的傳動機構(gòu)，可以有效節(jié)省空間，提高效率。 分析了兩自由度電機電磁設(shè)計、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)探索及其機理分析、磁場分析計算、有限元建模及特性分析、運動控制等一系列問題的研究現(xiàn)狀及發(fā)展概況。針對現(xiàn)有兩自由度電機技術(shù)，介紹了新型的兩自由度直驅(qū)感應(yīng)電機(2-DOF DAIM)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，闡述其工作原理及優(yōu)點，討論了未來兩自由度直驅(qū)電機的發(fā)展方向。兩自由度電機的研究不僅具有實際意義，而且還具有很高的理論意義，已成為電機學(xué)科的發(fā)展前沿。但是，該類電機研究還處于初級階段，開發(fā)和制造新型電機的技術(shù)仍有待提高 。2100433B

兩自由度直驅(qū)電機具有直接驅(qū)動的特點，即不需要中間傳動機構(gòu)即直接驅(qū)動負(fù)載作直線、旋轉(zhuǎn)或螺旋運動，大大減小設(shè)備體積，顯著提高效率。兩自由度直驅(qū)電機在需要復(fù)雜運動的動力系統(tǒng)如數(shù)控機床、機器人、雕刻機、汽車生產(chǎn)線、攪拌機、球形閥等設(shè)備中，具有非常廣闊的應(yīng)用前景，受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。目前典型的兩自由度直驅(qū)電機大都屬于感應(yīng)電機、永磁電機或磁阻電機類型。設(shè)計理論采用“場化路”的解析法或有限元法，建立數(shù)學(xué)模型以及求解電磁場方程分析。 通過參考國內(nèi)外最新 ，分析了兩自由度直驅(qū)電機的設(shè)計理論、控制方法和應(yīng)用技術(shù)等方而的研究現(xiàn)狀及發(fā)展概況，針對現(xiàn)有兩自由度電機技術(shù)，介紹了一種新型的兩自由度直驅(qū)感應(yīng)電機(2-DOF DAIM)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，闡述其工作原理及優(yōu)點，討論了未來兩自由度直驅(qū)電機的發(fā)展方向 。

兩自由度直驅(qū)電機是一種無中間傳動機構(gòu)的新型電機，這種電機可以分別做直線運動、旋轉(zhuǎn)運動以及兩者合成的螺旋運動。它具有機械集成度高，電機結(jié)構(gòu)材料和驅(qū)動控制系統(tǒng)元件利用率高等優(yōu)點，是典型的機電一體化產(chǎn)品。目前兩自由度的驅(qū)動技術(shù)多采用兩個或多個旋轉(zhuǎn)電機以及中間傳動裝置來實現(xiàn)。但是由于中間機構(gòu)的存在，使得系統(tǒng)控制方式復(fù)雜，系統(tǒng)體積大零部件多維護量大、價格昂貴，而且中間傳動裝置需要承受較大的軸向力，易出現(xiàn)磨損嚴(yán)重使系統(tǒng)可靠性降低的問題。在兩自由度機械系統(tǒng)中，采用一臺兩自由度電機來代替兩個或多個旋轉(zhuǎn)電機及傳動裝置，可以大大簡化機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減小體積及重量，從而提高系統(tǒng)的精度和動靜態(tài)性能。因此兩自由度直驅(qū)電機可廣泛用于數(shù)控機床、機器人、攝像操作臺、雕刻機、汽車生產(chǎn)線、攪拌機、球形閥等設(shè)備上，具有廣泛的應(yīng)用前景。

一種直驅(qū)的機電驅(qū)動系統(tǒng)被應(yīng)用于具有 AMT和DCT的汽車變速裝置以更利于齒輪切換;將一種旋轉(zhuǎn)一直線驅(qū)動器用于雙功能輪驅(qū)裝置;介紹了交流伺服電機和直線感應(yīng)伺服電機在混合質(zhì)量阻尼器中的應(yīng)用;提出了一種旋轉(zhuǎn)一直線及直線一旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換器;多自由度機器人在摩天大樓護墻上的應(yīng)用;在機器人領(lǐng)域，使用柔順連接可以顯著提高系統(tǒng)性能。以上都是多自由度驅(qū)動裝置的典型應(yīng)用。

兩自由度電機電磁設(shè)計、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)探索及其機理分析、磁場分析、有限元建模及特性分析、運動控制等一系列新問題都會形成新的研究方向，進(jìn)一步拓展電機學(xué)科的研究范圍，因此兩自由度電機的研究既具有實際意義，又還具有很高的理論意義，已成為電機學(xué)科發(fā)展的新前沿。