雙氣隙共磁鋼兩自由度電動機及其運動學分析
鄒繼明，崔淑梅，柴 鳳，程樹康
（哈爾濱工業(yè)大學，黑龍江哈爾濱150001）
摘要；提出了一種雙氣隙共磁鋼結(jié)構(gòu)的新型兩自由度電動機，介紹了該電機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，并對其進行了運動學分析。
關鍵詞；非球形i兩自由度，電動機
中圖分類號：tm301 文獻標識碼：a 文章編號：1001-6848(2000)02-0003-05
1概述
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，提高系統(tǒng)的精度和動態(tài)性能，在機器人等具有多個運動自由度的系統(tǒng)中具有廣泛的應用前景。80年代以來，隨著機器人和空間技術的飛速發(fā)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(nèi)外學者的研究工作十分活躍，各種樣機層出不窮。從現(xiàn)有資料看，國內(nèi)外學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，但存在著如結(jié)構(gòu)復雜、加工困難等缺點。本文提出了一種非球形的正交圓柱結(jié)構(gòu)雙氣隙共磁鋼的兩自由度電動機，介紹了其結(jié)構(gòu)和工作原理，并給出了運動學分析結(jié)果。
2電機的結(jié)構(gòu)和工作原理
從圖1可以看出，該電機由內(nèi)定子、內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子、輸出軸、一對x向軸承、一對x向端蓋、一對z向軸承、一對z向端蓋組成。
電機的外轉(zhuǎn)子由硅鋼片迭壓制成，肉側(cè)圓周上均勻布置一些齒和槽，槽內(nèi)設置兩相勵磁繞組，電機的輸出軸設置在外轉(zhuǎn)子的上方。電機的內(nèi)定子由支z軸撐軸和兩段鐵心組成，兩段鐵心上分別均勻布置若干小齒，兩段鐵心上的小齒相互錯開1/2齒距。電機的內(nèi)轉(zhuǎn)子由永磁體及其兩側(cè)的兩段鐵心組成，永磁體采用高矯頑力、高磁能積、易于加工的釹鐵硼材料，z向軸向充磁。由于永磁體的作用內(nèi)轉(zhuǎn)子外側(cè)4個齒呈n、s、s、n規(guī)律分布。內(nèi)轉(zhuǎn)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)設置兩相勵磁繞組。內(nèi)定子鐵心和內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心與外轉(zhuǎn)子鐵心一樣均由硅鋼片迭壓制成。
內(nèi)轉(zhuǎn)子外部齒端部及內(nèi)部齒端部分別加工成以x軸和z軸為軸線的兩個相互正交的圓柱面，分別與外轉(zhuǎn)子和內(nèi)定子齒表面形成同心圓柱i內(nèi)轉(zhuǎn)子通過螺釘與x向端蓋固聯(lián)在一起，x向端蓋又通過x向軸承安裝在外轉(zhuǎn)子上，從而外轉(zhuǎn)子可相對于內(nèi)轉(zhuǎn)子與x向端蓋構(gòu)成的整體繞x軸作有限轉(zhuǎn)動；內(nèi)定子通過z向軸承和z向端蓋與內(nèi)轉(zhuǎn)子安裝在一起，從而內(nèi)轉(zhuǎn)子及x向端蓋構(gòu)成的整體及外轉(zhuǎn)子可相對于內(nèi)定子繞z軸連續(xù)轉(zhuǎn)動。
當外轉(zhuǎn)子的兩相繞組按a-b-(-a) -(-b) 姿態(tài)即位姿矩陣的順序通電時，奴經(jīng)永磁體、一段內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心、氣隙1、外轉(zhuǎn)子鐵心、氣隙1、另一段內(nèi)轉(zhuǎn)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)，電機的外轉(zhuǎn)子相對于內(nèi)轉(zhuǎn)子繞x軸轉(zhuǎn)動，使輸出軸實現(xiàn)俯仰運動}當內(nèi)轉(zhuǎn)子的兩相繞組按a-b-(-a) - (-b)的順序通電時，甌經(jīng)永磁體、一段內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心、氣隙2、兩段內(nèi)定子鐵心、氣隙2、另一段內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心回到永磁體形成閉合回路，電機工作于hb（混合式）電動機狀態(tài)，電機的內(nèi)轉(zhuǎn)子連同外轉(zhuǎn)子相對于內(nèi)定子繞z軸連續(xù)轉(zhuǎn)動，從而輸出軸隨之自轉(zhuǎn)（當輸出軸處于豎直位置時）或側(cè)擺（當輸出軸處于偏轉(zhuǎn)狀戀時）。磁通霞和磁通奴都經(jīng)過永磁體，氣隙1和氣隙2公用了一個永磁體，即雙氣隙共磁鋼，因而該電機一個永磁體、兩個繞組就實現(xiàn)了兩個轉(zhuǎn)動自由度，電機體積較小，性能體積比高。
在電機的外轉(zhuǎn)子繞組與內(nèi)轉(zhuǎn)子的繞組同時按自己的方式通電時，電機的輸出軸同時進行俯仰和側(cè)擺運動，從而實現(xiàn)了兩自由度運動。
3運動學分析
在電機內(nèi)定子鐵心的中心0點建立第o號坐標系（即固定坐標系）和第1號坐標系，第o號坐標系固聯(lián)在內(nèi)定子上，第1號坐標系固聯(lián)在內(nèi)轉(zhuǎn)子上，在輸出軸端部p點建立第2號坐標系。各坐標系坐標軸的方向如圖3所示�？捎靡粋�4×4的齊次矩陣表示輸出軸末端p點相對于固定坐標系的位置和姿態(tài)即位姿矩陣
| 
