雙氣隙共磁鋼兩自由度電動機(jī)及其運(yùn)動學(xué)分析
鄒繼明，崔淑梅，柴 鳳，程樹康
（哈爾濱工業(yè)大學(xué)，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(jī)，介紹了該電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，并對其進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析。
關(guān)鍵詞；非球形i兩自由度，電動機(jī)
中圖分類號：tm301 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a 文章編號：1001-6848(2000)02-0003-05
1概述
多自由度電動機(jī)具有機(jī)械集成度高、電機(jī)結(jié)構(gòu)材料和驅(qū)動控制系統(tǒng)元件利用率高等特點(diǎn)，可以大大簡化機(jī)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(jī)器人等具有多個(gè)運(yùn)動自由度的系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。80年代以來，隨著機(jī)器人和空間技術(shù)的飛速發(fā)展，多自由度電動機(jī)及其應(yīng)用方面的研究日益受到重視，國內(nèi)外學(xué)者的研究工作十分活躍，各種樣機(jī)層出不窮。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(jī)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(fù)雜、加工困難等缺點(diǎn)。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(jī)，介紹了其結(jié)構(gòu)和工作原理，并給出了運(yùn)動學(xué)分析結(jié)果。
2電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理
從圖1可以看出，該電機(jī)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(jī)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(shè)置兩相勵磁繞組，電機(jī)的輸出軸設(shè)置在外轉(zhuǎn)子的上方。電機(jī)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(cuò)開1/2齒距。電機(jī)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(gè)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(gè)極上有若干小齒，極間槽內(nèi)設(shè)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(gè)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(dāng)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(shí)，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(jī)工作于pm（永磁）電動機(jī)狀態(tài)，電機(jī)的外轉(zhuǎn)子相對于內(nèi)轉(zhuǎn)子繞x軸轉(zhuǎn)動，使輸出軸實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動}當(dāng)內(nèi)轉(zhuǎn)子的兩相繞組按a-b-(-a) - (-b)的順序通電時(shí)，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(jī)工作于hb（混合式）電動機(jī)狀態(tài)，電機(jī)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(dāng)輸出軸處于豎直位置時(shí)）或側(cè)擺（當(dāng)輸出軸處于偏轉(zhuǎn)狀戀時(shí)）。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(gè)永磁體，即雙氣隙共磁鋼，因而該電機(jī)一個(gè)永磁體、兩個(gè)繞組就實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)轉(zhuǎn)動自由度，電機(jī)體積較小，性能體積比高。
在電機(jī)的外轉(zhuǎn)子繞組與內(nèi)轉(zhuǎn)子的繞組同時(shí)按自己的方式通電時(shí)，電機(jī)的輸出軸同時(shí)進(jìn)行俯仰和側(cè)擺運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)了兩自由度運(yùn)動。
3運(yùn)動學(xué)分析
在電機(jī)內(nèi)定子鐵心的中心0點(diǎn)建立第o號坐標(biāo)系（即固定坐標(biāo)系）和第1號坐標(biāo)系，第o號坐標(biāo)系固聯(lián)在內(nèi)定子上，第1號坐標(biāo)系固聯(lián)在內(nèi)轉(zhuǎn)子上，在輸出軸端部p點(diǎn)建立第2號坐標(biāo)系。各坐標(biāo)系坐標(biāo)軸的方向如圖3所示�？捎靡粋�(gè)4×4的齊次矩陣表示輸出軸末端p點(diǎn)相對于固定坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)即位姿矩陣
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