永磁转子驱动式多自由度运动电机的制作方法

本发明涉及多自由度电动机技术领域。

背景技术：

随着社会经济和技术的进步，为了实现更高更严格精确的运动，不仅要求电机可以实现自转，某些领域还需要电机完成一定程度的倾斜，传统电机自由度单一，通过多个单自由度系统相互连接不仅体积庞大而且结构复杂效率低下经济效益很低，而许多高新技术例如仿生机器人、航空航天、机械手等领域又迫切需要精度更高损耗更小的电机来完成运动。

多自由度电机作为一个近代新生的研究领域有着广阔的前景，其中对于多自由度电机的研究最早可以追溯到上世纪的五十年代，由于缺少理论支持和实践指导，使得所研究多自由度电机有着许许多多的缺陷。直到上世纪八九十年代，多自由度电机的理论才逐渐丰满，涌现出许多新的模型和新的理论。

目前已有的多自由度电机大多只能满足三自由度运动，不能完成相对的伸缩运动，而在仿生眼和机械眼的研究中，需要眼球模拟瞳孔伸缩放大缩小，现有的多自由度电机在技术领域很难独立完成伸缩式运动。因此，对于可以独立完成各类仿生机械运动的多自由电机的研究显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供永磁转子驱动式多自由度运动电机，主要是解决传统多自由度电机体积庞大、结构复杂、效率低和控制复杂的问题，提供了一个新的思路。本发明仅通过对定子上的定子线圈施加不同通电策略即可实现电机的多自由度运动，具有结构简单紧凑、体积小、响应快、控制容易、精准较高、使用方便和用途广等优点。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：永磁转子驱动式多自由度运动电机，其特征在于，包括外壳、定子、转子；转子包括下部的固定轴，固定轴的上端设有自调心式球轴承，固定轴顶部与自调心式球轴承的内环固定连接，固定轴顶部通过油膜与上方的输出轴底端连接；自调心式球轴承的外环通过连接件与输出轴固定连接；自调心式球轴承的外环还固定有转子架，转子架周围有若干个永磁轭部，永磁轭部之间设有转子永磁体，转子转动部分外轮廓为球形；

定子位于转子转动部分的外围，所述定子包括若干个左半圆环形柱体和对应的右半圆环形柱体，若干个左半圆环形柱体和对应的右半圆环形柱体的内侧均分布有若干个定子线圈轭，轭部缠绕着线圈绕组，通过对若干个定子线圈不同通电策略使电机转子和输出轴做多自由度运动。

优选的，轭部可以缠绕着匝数可变的线圈绕组。

这里所述左半圆环形柱体和对应的右半圆环形柱体是指固定轴为参照物左右两边的，若以图2看，可包括左右及前后等方向两边的半圆环形柱体，两边的半圆环形柱体相互交接，也可不成为标准的两极式经线架结构。只要位置合适，匝数可变的线圈绕组及通电策略设置合适，也可使之偏转达到要求。

优选的，所述的定子包括有若干个左半圆环形柱体和对应的右半圆环形柱体相互交接而成的两极式经线架结构。

优选的，两极式经线架结构的两极轴线为水平式。

优选的，若干个左半圆环形柱体和对应的右半圆环形柱体中各包括一个对称的左中层半圆环形柱体和右中层半圆环形柱体，该左中层半圆环形柱体和右中层半圆环形柱体所在的平面与竖直方向垂直；给中层线圈通电即可完成自转运动，对其他层线圈通电即可完成转子倾斜运动。

优选的，两极式经线架结构的两极内侧即半圆环形柱体交叉处内侧各设有一个定子特殊控制线圈轭。

优选的，所述定子若干个左半圆环形柱体和若干个右半圆环形柱体，关于两极间轴垂直平面为对称结构。

优选的，所述定子包括3个左半圆环形柱体和3个右半圆环形柱体；3个左半圆环形柱体之间呈30度夹角，3个右半圆环形柱体之间呈30度夹角。

优选的，所述的左半圆环形柱体和右半圆环形柱体内侧各分布有4个定子线圈轭，2个交叉处共有2个定子特殊控制线圈轭；转子架包括8个永磁轭部，8个永磁轭部间设有8个转子永磁体，为八极配合结构。

优选的，所述的转子内还设有检测转子位置和转速的传感器；转子永磁体为径向充磁永磁体；转子永磁体采用内置式，嵌入转子架体之中。

进一步的，，进一步的，定子固定在升降台上，升降台与伸缩机构相连，伸缩机构与外壳固定连接；通过不同的通电策略能使电机进行自转、偏转和上下伸缩运动。作为本发明的一个具体实施方式，优选的，所述伸缩机构为磁直接驱动式升降机构；作为本发明的一个具体实施方式，所述的伸缩机构设有缓冲机构或导向机构；作为本发明的一个具体实施方式，优选的，所述磁直接驱动式升降机构包括：升降台与外壳底部端盖之间通过压缩弹簧相固定，压缩弹簧中上端设有固定在升降台底部的永磁体，压缩弹簧中下端设有固定在外壳底部端上的伸缩线圈轭及其电磁伸缩驱动线圈；电磁伸缩驱动线圈控制伸缩永磁体和压缩弹簧，利用压缩弹簧的弹性可以使升降台完成伸缩运动；电磁驱动升降机构为一个或若干个。

本发明的技术效果是：提供永磁转子驱动式多自由度运动电机，主要是解决传统多自由度电机体积庞大、结构复杂、效率低和控制复杂的问题。本发明仅通过对定子上的定子线圈施加不同通电策略即可实现电机的多自由度运动，对电机转子进行不同程度的方便调节。具有结构简单紧凑、体积小、响应快、控制容易、精准较高、使用方便和用途广等优点。

本发明还可解决传统多自由度电机磨损大、精度低、效率低等问题。通过对定子上的定子线圈施加不同通电策略即可方便地实现电机的自转、偏转运动；具有结构简单紧凑、体积小、控制精准、响应快、使用方便等优点。本发明还可进行转子的上下伸缩运动，对电机转子进行不同程度的调节。其特殊的伸缩运动，可以实现视觉仿生，广泛应用于实用机械仿生眼等领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明施例的立体结构示意图。

图2为图1中的a-a剖视图。

图3为图1中的b-b剖视图。

图4为自调心式球轴承的立体结构示意图。

图5为自调心式球轴承与输出轴上部的连接结构示意图。

图6为自调心式球轴承与固定轴下部的连接结构示意图。

图7为转子架体与自调心式球轴承的连接结构示意图。

图8为电机整体轴连接结构示意图。

图9为图8中的c-c剖视图。

图10为电机转子的结构示意图。

图11为转子永磁体的结构示意图。

图12为转子架体的结构示意图。

图13为带线圈定子横截面示意图。

图14为定子的立体结构与分层标注示意图。

图15为定子轭对应线圈分类图。

图16为图14中的d-d立体剖视图。

图17为定子升降台连接件结构示意图。

图18为电磁驱动升降台的仰视结构示意图。

图19为常规压缩弹簧结构示意图。

图20为底部端盖的结构示意图。

图21为电机底部端盖、电磁驱动升降台和常规压缩弹簧伸缩机制的装配爆炸示意图。

图22为电机收缩运动原理简图。

图23为电机延伸运动原理简图。

图24为电机自转运动原理简图。

图25为电机倾斜运动原理简图。

图26为电机驱动控制原理框图。

图中所有标号的含义

1—输出轴槽，2—输出轴，3—上端固定螺栓，4—底端螺栓，5—转子，5a—永磁轭部，5b—转子永磁体，5c—转子与轴承连接部分6—底部端盖，7—自调心式球轴承，7a—轴承外环，7b—轴承滚珠，7c—轴承内环，7d—连接件，8—固定轴(输入轴)，8a—固定轴轴承连接件，9—电机侧盖，10—定子升降台连接件，10a—升降台连接部分，10b—定子连接部分，11—电磁伸缩驱动线圈，12—定子线圈，12a—半圆环柱形定子交叉处对应特殊调节线圈，13—空心球形、6个半圆环形柱体交叉结构式定子，14—永磁体，15—定子线圈轭，15a—定子特殊控制线圈轭，16—连接轴油膜，17—常规压缩弹簧，18—伸缩线圈轭，19—电磁驱动升降台，19a—升降台永磁体槽，a1、b1、c1、d1、e1为左上层绕组，f1、g1、h1、i1、j1为右上层绕组(其中数字1表示上层，2表示中层，3表示下层)；a、f—(交叉处)特殊定子；上层(1)—上层绕组，中层(2)—中层绕组，下层(3)—下层绕组(注：同环线圈并不同层)；20—上端端盖。

具体实施方式

附图仅用于对示例进行说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图中某些部件可能会存在省略、放大或缩小，对本专业的人员来说附图中存在的省略、放大或缩小是可以理解的。以下结合附图，对本专利进行详细说明。

作为本发明的一个具体实施方式。本发明采用的技术方案是：本发明采用的技术方案是：永磁转子驱动式多自由度运动电机，其特征在于，包括外壳、定子、转子；转子包括下部的固定轴8，固定轴8的上端设有自调心式球轴承7，固定轴8顶部与自调心式球轴承7的内环固定连接，固定轴8顶部通过油膜16与上方的输出轴2底端连接；自调心式球轴承7的外环通过连接件7d与输出轴2固定连接；自调心式球轴承7的外环还固定有转子架，转子架周围有若干个永磁轭部5a，永磁轭部5a之间设有转子永磁体5b，转子转动部分外轮廓为球形；

定子位于转子转动部分的外围，所述定子包括若干个左半圆环形柱体和对应的右半圆环形柱体，若干个左半圆环形柱体和对应的右半圆环形柱体的内侧均分布有若干个定子线圈轭15，轭部缠绕着线圈绕组，通过对若干个定子线圈施加15不同通电策略使电机转子和输出轴2做多自由度运动。

主要解决传统多自由度电机体积庞大、结构复杂、效率低和控制复杂的问题，提供了一个新的思路。本发明仅通过对定子上的定子线圈施加不同通电策略即可实现电机的多自由度运动，具有结构简单紧凑、体积小、响应快、控制容易、精准较高、使用方便和用途广等优点。

作为本发明的一个具体实施方式，优选的，轭部可以缠绕着匝数可变的线圈绕组。

作为本发明的一个具体实施方式，优选的，所述的定子包括有若干个左半圆环形柱体和对应的右半圆环形柱体相互交接而成的两极式经线架结构。

作为本发明的一个具体实施方式，所述左半圆环形柱体和对应的右半圆环形柱体包括左右及前后两边的半圆环形柱体相互交接，但可以不成为标准的两极式经线架结构。只要位置调合适，匝数可变的线圈绕组及通电策略设置合适，也可使之偏转达到要求的角度。

作为本发明的一个具体实施方式，优选的，两极式经线架结构的两极轴线为水平式。

作为本发明的一个具体实施方式，优选的，若干个左半圆环形柱体和对应的右半圆环形柱体中各包括一个对称的左中层半圆环形柱体和右中层半圆环形柱体，该左中层半圆环形柱体和右中层半圆环形柱体所在的平面与竖直方向垂直；给中层线圈通电即可完成自转运动，对其他层线圈通电即可完成转子倾斜运动。只需要根据实际应用转速大小调节实施例交变电流的频率即可实现电机的自转运动。

作为本发明的一个具体实施方式，优选的，两极式经线架结构的两极内侧即半圆环形柱体交叉处内侧各设有一个定子特殊控制线圈轭15a。

作为本发明的一个具体实施方式，优选的，所述定子若干个左半圆环形柱体和若干个右半圆环形柱体，关于两极间轴垂直平面为对称结构。

通过对定子上的定子线圈施加不同通电策略即可方便地实现电机的自转、偏转运动；具有结构简单紧凑、体积小、控制精准、响应快、使用方便等优点。

作为本发明的一个具体实施方式，优选的，所述定子包括3个左半圆环形柱体和3个右半圆环形柱体；3个左半圆环形柱体之间呈30度夹角，3个右半圆环形柱体之间呈30度夹角。

作为本发明的一个具体实施方式，优选的，所述的左半圆环形柱体和右半圆环形柱体内侧各分布有4个定子线圈轭15，2个交叉处共有2个定子特殊控制线圈轭15a；转子架包括8个永磁轭部5a，8个永磁轭部5a间设有8个转子永磁体5b，为八极配合结构。

作为本发明的一个具体实施方式，优选的，所述的转子内还设有检测转子位置和转速的传感器；转子永磁体5b为径向充磁永磁体；转子永磁体(5b)采用内置式，嵌入转子架体之中。

作为本发明的一个具体实施方式，进一步的，定子固定在升降台19上，升降台19与伸缩机构相连，伸缩机构与外壳固定连接；通过不同的通电策略能使电机进行自转、偏转和上下伸缩运动。作为本发明的一个具体实施方式，优选的，所述伸缩机构为磁直接驱动式升降机构；作为本发明的一个具体实施方式，所述的伸缩机构设有缓冲机构或导向机构；作为本发明的一个具体实施方式，优选的，所述磁直接驱动式升降机构包括：升降台19与外壳底部端盖6之间通过压缩弹簧17相固定，压缩弹簧17中上端设有固定在升降台19底部的永磁体14，压缩弹簧17中下端设有固定在外壳底部端盖6上的伸缩线圈轭18及其电磁伸缩驱动线圈11；电磁伸缩驱动线圈11控制伸缩永磁体14和压缩弹簧17，利用压缩弹簧17的弹性可以使升降台19完成伸缩运动；电磁驱动升降机构为一个或若干个。

作为本发明的一个具体实施方式，所述的伸缩装置为电磁伸缩装置，包括：升降台19与外壳底部端盖6之间通过若干个压缩弹簧17相固定，压缩弹簧17中上端设有固定在升降台19底部的永磁体14，压缩弹簧17中下端设有固定在外壳底部端盖6上的伸缩线圈轭18及其电磁伸缩驱动线圈11；电磁伸缩驱动线圈11控制伸缩永磁体14和压缩弹簧17，利用压缩弹簧17的弹性可以使升降台19完成伸缩运动。并可对电机转子进行不同程度的调节。其特殊的伸缩运动，可以实现视觉仿生，广泛应用于实用机械仿生眼等领域。

作为本发明的一个具体实施方式。以下结合附图进行说明。

本发明可为若干个左半圆环形柱体交和若干个右半圆环形柱体叉结构式定子。但若采用较多个半圆环形柱体交叉结构则会使转子空间内偏转角度过小而驱动力过大，严重时会导致转子定子碰撞，若采用较少半圆环形柱体交叉结构则不能准确控制电机的运动状态，本电机参考现有常规多自由度电机的性能指标以及运动要求，综合经济性因素考虑，采用优化三个左半圆环形柱体和三个右半圆环形柱体交叉结构可以最大程度提高材料利用效率，同时最大程度节约成本。左右两个相邻半圆环形柱体之间均呈30度夹角，一般来说可以灵活选择交叉角度，但需要注意，若选择角度偏大，则会影响电机的偏转角度削弱其运动能力，若选择角度过大，则会导致电机的输出轴距离定子过近无法进行偏转运动。类似的，若选择角度偏小，则会使定子半圆环形柱体相邻两层线圈轭距离过近，使线圈无法顺利缠在轭部。若选择角度过小，则会导致相邻两层半圆环柱体对应轭部重叠，考虑到多自由度电机的偏转能力和综合性能，采用交叉三十度结构可以很好的满足现需偏转运动性能与要求。理论上讲还可以对此实施例定子进行部分改动，但需遵循本电机稳定运行的条件：一定要保证定子对称，左右若不对称，在驱动控制线圈通电时，会导致在xy两轴上感应的电磁力分力不均导致控制驱动方案变复杂，若转子出现一定程度的偏心则可能会导致电机系统崩溃，只要符合对称结构做出少部分修改变化是可行的。

参阅图1-图3，该永磁转子驱动式多自由度运动电机，包括：定子、转子、自调心式球轴承、弹簧和外壳部分；永磁转子驱动式多自由度运动电机转子为开槽的球壳体，采用内置永磁体结构，转子内部分与轴承外环固连，同时轴承外环通过固定支架和输出轴相连，输出轴内部放置无线传输装置以及视觉图像采集装置。固定轴承下方固定升降台，由于常规压缩弹簧和控制伸缩永磁体、电磁驱动伸缩线圈的存在，使伸缩运动成为可能。半圆环形柱体交叉定子轭部围绕着匝数形状可控的线圈绕组，分为两侧绕组和特殊绕组，两侧绕组主要控制电机的自转和倾斜运转，特殊绕组主要完善电机的自转和倾斜运转的微调。转子采用内置式永磁体，沿赤道方向n、s极交替排列，永磁体的外形呈球状体，外壳中心与转子中心重合。当希望电机进行自转运动时只需要按规律给中层线圈通电即可完成自转运动，对上层和下层线圈通电即可完成倾斜运动，对升降台下方线圈通对应的电流可以控制升降台运动从而控制电机进行伸缩运动。

定子轭上线圈通入特定的电流后，将引起气隙磁通的改变，进而使转子发生相对转动，通过改变通电策略和线圈组合，可以改变转子的运动状态。通过传感器检测到转子的转速和位置，对比所需运动状态，可以对电机进行微调使电机更好按预期方向运动，通电策略在后面有详细的介绍，下面由电机中心开始向两侧逐步介绍其结构功能，最后介绍电磁驱动伸缩机构。

参阅图4，所述自调心式球轴承由外环、内环以及滚珠三部分组成，该轴承较为常见，在本轴承的基础上，将一固定架连接固定在轴承外环上，组成图示结构。可根据需要选配小型自调心式球轴承来满足本电机结构要求。

参阅图5，所述自调心式球轴承外环伸出固定支架与输出轴相固定连接。

参阅图6，所述自调心式球轴承内环与固定轴间通过8a轴承固定轴连接部分固定连接。

参阅图7，所述自调心式球轴承与转子通过5c转子轴承连接部分固定连接。

参阅图8，所述输出轴与固定轴通过常规油膜连接在一起。

参阅图9，所述的输出轴和固定轴之间采用了油膜连接，输出轴与固定轴之间的油膜可以避免输出轴与固定轴相互接触产生摩擦。

参阅图10-图12，所述转子主要由三部分组成，第一部分为开槽转子，第二部分为八块永磁体，其中包含四块n极性永磁体和四块s极性永磁体，n、s极相互交替嵌入其中。第三部分为开槽转子与轴承连接处，永磁体为内嵌结构，相对于表贴式永磁体内嵌永磁体有着更好的气隙磁密，轴承转动部分和转子槽连接在一起，为转子转动提供便利。

参阅图13，所述的对应线圈轭连线交于定子中心。

参阅图14，所述定子结构也呈现在图中。定子采用3个左半圆环形柱体与3个右半圆环形柱体经线架组合结构，大意可理解为与xoy平面平行的两个半圆环形柱体，两个拼在一起可以组成完整圆环柱结构，两半圆环形柱体分别沿x轴转动30°、0°和-30°形成的三个旋转体的组合体，半圆环形柱体的两个交叉处内侧存在特殊定子轭，上面缠有匝数可变的线圈，半圆环形柱体两侧则分布着控制电机自转与偏转的定子绕组。将所述线圈分左右上层线圈、中层线圈、下层线圈，6个半圆环形柱体都为定子的一个组成部分，可按上中下三层将其分层标注，值得一提同层线圈并不一定同环。

参阅图15，所述定子线圈给出了详细的标号，按顺时针方向各线圈进行字母数字编号，字母后面的数字1、2、3表示上层、中层、下层，a、f则为半圆环形柱体两个交叉处的特殊控制线圈。

参阅图16，描述定子结构，给出了定子的一个剖视图。

参阅图17，所述的定子升降台固定部分目的是将定子和升降台固定在一起，当电机完成伸缩运动时定子和转子不会发生伸缩的相对运动。

参阅图18-图21，所述的升降机构由四大部分组成，分别为控制伸缩永磁体、控制伸缩运动线圈、底座。图18为升降台的简图，图19为常规压缩弹簧的简图，图20为底座和控制伸缩线圈简图。图21为弹性伸缩运动机构的装配爆炸示意图。

参阅图22-图23所述的电机伸缩运动由底部电磁驱动升降台控制，而升降台的起落则由底端常规压缩弹簧和电磁力共同驱动，线圈上方永磁体为n极，当电机需要进行拉伸运动，即输出轴向上方移动时，只需要给底端线圈施加一个从电机上方来看逆时针的直流电流即可，同理，当电机需要进行收缩运动时，只需要给底端线圈施加一个从电机上方来看顺时针的直流电流即可。

参阅图24所述电机的自转运动由定子上中层线圈驱动，图中明确给出了某一时刻逆时针的通电原理，由图可知电机此时受到电磁力的作用要向逆时针方向自转，当自转角度达到36°时，所有线圈的通电策略也分别沿着逆时针方向顺延一个。如图例所示从零点钟方向逆时针看，此刻的通电为00nsn00nsn(0代表未通电)，逆时针旋转36°后的通电策略则为n00nsn00ns，即顺延一位。

参阅图25所述电机的偏转运动定子上层和下层驱动，图中明确给出了某一时刻顺时针偏转的通电策略，只需把图中的ns互换即可完成逆时针偏转的运动。

下面把该电机内所有的固定结构及材料加以叙述。

本电机的所有固定结构：1.电机端盖和电机侧盖通过六角螺母固定在一起。2.输出轴与轴承通过支架连接在一起。3.固定轴通过固定机构8a和轴承连接在一起。4.转子通过固定机构5c和轴承连接在一起。5.定子通过固定机构10与升降台连接在一起。6.固定轴和输出轴通过油膜连接在一起。7.固定轴底端与升降台连接在一起。8.电机底盖通过六角螺母与电机固定在一起。

电机采用的轴承为自调心式球轴承，固定轴与输出轴之间采用油膜连接，弹簧部分采用常规压缩弹簧。其余固定结构、输出轴端盖螺母等均采用传统常规材料，在此不多加赘述。

参阅图26，所述电机的驱动控制系统由运动方案、传感器检测、控制器、驱动器、电机五部分组成。传感器采用多自由度电机中常用的磁敏或光电传感器，控制器芯片采用dsp处理器即可，能够满足位置检测信号获取、处理和运动控制的功能。电机与传感器检测相连，传感器检测与控制器相连，控制器与驱动器相连，驱动器通过电磁自转驱动电路、电磁偏转驱动电路、电磁伸缩驱动电路与电机相连。通过不同通电策略可以使电机进行自转、偏转运动和上下伸缩运动。

以上未述及部分本专业技术人员均可实施。

上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，依然可以在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述方案进行变化、修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换、改进等。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。