一种三自由度旋转电机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明是一种三自由度旋转电机，属于三自由度旋转电机的创新技术。
【背景技术】
[0002]对于控制机器人运动的驱动器，目前应用最多是旋转电机和直线电机，其结构均由电机基座、电机机罩以及内部动力元件组成。每个电机负责控制机器人在一个自由度方向上的运动，且在电机负载较大或者在旋转自由度方向上旋转角度范围较小的情况下，需要配合精密减速器的作用。另外，由于现有的机器人产品大多为多关节式，而驱动关节运动所需的电机和精密减速器无论在成本还是重量方面均占据较大的比重，因此成本和自重过高。此外，为了承担电机和精密减速器的重量，机器人手臂结构要做得足够粗壮，进一步增加了机器人的成本和自重。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种结构紧凑、惯量小、灵活度大的三自由度旋转电机。本发明用于机器人控制可以降低机器人的制造成本，简化机器人的整体结构，且减轻机器人手臂的负荷。
[0004]本发明的技术方案是:本发明的三自由度旋转电机，包括有电机机座、旋转体、线圈组、电机输出轴、永磁体、永磁体支撑套、电机机罩、导线，其中电机机座及电机机罩都设有中空腔体，电机输出轴固定在旋转体上，旋转体上装设有线圈组，永磁体装设在永磁体支撑套上，旋转体的外表面与永磁体支撑套的内表面相配合，旋转体能在永磁体支撑套所设的中空腔体内转动，永磁体支撑套置于电机机座所设的中空腔体内，永磁体支撑套的外表面与电机机座的内表面接触，电机机座与电机机罩连接，导线的一端外接电源正、负电极，导线的另一端与旋转体所设的线圈组相连。
[0005]本发明的三自由度旋转电机，在确定的尺寸结构及高精度要求前提下，具有以下优点:
1)本发明的三自由度旋转电机能够实现单一主轴的360°旋转及两副轴一定角度的摆动旋转，定位精度高；
2)本发明能实现三轴联动旋转，相对现有技术控制简单，结构简化，降低了制造成本；
3)本发明结构紧凑、转动惯量小、灵活度大，控制范围广；
4)本发明用于机器人，降低了机器人整体的制造成本。
[0006]本发明是一种结构紧凑、惯量小、灵活度大的三自由度旋转电机。可用于旋转自由度的控制。
【附图说明】
[0007]图1为本发明的结构分解图；
图2为本发明的立体图； 图3为本发明三自由度旋转电机中旋转体的结构示意图；
图4为本发明线圈组的工作原理图。
【具体实施方式】
[0008]实施例:
本发明的结构示意图如图1、2、3、4所示，本发明的三自由度旋转电机，包括有电机机座1、旋转体2、线圈组3、电机输出轴4、永磁体5、永磁体支撑套6、电机机罩7、导线10，其中电机机座I及电机机罩7都设有中空腔体，电机输出轴4固定在旋转体2上，旋转体2上装设有线圈组3，永磁体5装设在永磁体支撑套6上，旋转体2的外表面与永磁体支撑套6的内表面相配合，旋转体2能在永磁体支撑套6所设的中空腔体内转动，永磁体支撑套6置于电机机座I所设的中空腔体内，永磁体支撑套6的外表面与电机机座I的内表面接触，电机机座I与电机机罩7连接，导线10的一端外接电源正、负电极，导线10的另一端与旋转体2所设的线圈组3相连。
[0009]上述支撑套6与电机机罩7及电机机座I内表面过盈配合，通过电机机罩7的凹槽和电机机座I的唇缘扣合固定。且旋转体2与永磁体5之间保持一定距离。
[0010]本实施例中，上述旋转体2为球形结构，旋转体2的外表面开有环形线圈组卡槽8，线圈组卡槽8的几何中心与旋转体2的几何中心重合。
[0011]本实施例中，上述线圈组卡槽8上还设有通向几何中心方向的导线槽9，导线10穿进导线槽9中。导线10穿进导线槽9后一端与外接电源连接，另一端与旋转体2所设的线圈组3相连。
[0012]本实施例中，上述旋转体上位于同一圆平面上装设的若干线圈组中的线圈为并联连接。
[0013]本实施例中，上述旋转体上装设的线圈组3的数量为12个，其中4个线圈组组成一个圆平面，12个线圈组组成3个圆平面，3个圆平面中两两互相垂直，位于同一圆平面上的4个线圈组中的线圈为并联连接，各个圆平面中的线圈组彼此之间不连接。
[0014]本实施例中，上述旋转体2中的线圈组3固定在旋转体2所设的线圈组卡槽8上，旋转体2的线圈组3的两端与导线10的一端连接。
[0015]在每一个圆平面内，相对安装的线圈组3通过导线10传递的电流11的方向相同，在垂直于电流方向并指向圆平面中心的磁场中产生垂直于圆平面两个方向相反的洛伦兹力，使得旋转体2绕自身轴线转动。同理，另一对相对安装的线圈组3在电流11和磁场的共同作用也会使得旋转体2绕另一轴线转动。上述两个旋转运动可合成一个新的旋转运动。
[0016]本实施例中，上述永磁体支撑套6的外表面均布设有若干安装槽，若干永磁体5固定在永磁体支撑套6所设的安装槽上。
[0017]本实施例中，上述永磁体支撑套6的外表面为圆弧面，永磁体支撑套6设有的安装槽为圆弧面安装槽，永磁体5也做成表面为圆弧面的永磁体板，圆弧面的永磁体5装设在永磁体支撑套6设有的圆弧面安装槽上。
[0018]永磁体5的作用是产生方向指向旋转体2几何中心的磁场，使得磁场方向与线圈组3上通过的电流11的方向相垂直。
[0019]本发明的工作原理如下:在旋转体2的每一个圆平面内，相对安装的线圈组3通过的经导线10传递的电流11的方向相同，在垂直于电流方向并指向圆平面中心的磁场中产生垂直于圆平面两个方向相反的洛伦兹力，使得旋转体2绕自身轴线转动。同理，另一对相对安装的线圈组3在电流11和磁场的共同作用也会使得旋转体2绕另一轴线转动。上述两个旋转运动可合成一个新的旋转运动。
[0020]本发明用于机器人控制，通过一个电机即能同时控制机器人关节绕X轴旋转、绕Y轴旋转以及绕Z轴旋转三个方向上的运动，实现三维空间的任意姿态，扩大了控制范围。此夕卜，由于电机输出扭矩较大，且控制可靠，因此可删减安装在机器人关节上的精密减速器，以此进一步降低机器人制造成本、简化机器人整体结构，且减轻机器人手臂的负荷。
[0021]以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
【主权项】
1.一种三自由度旋转电机，其特征在于包括有电机机座、旋转体、线圈组、电机输出轴、永磁体、永磁体支撑套、电机机罩、导线，其中电机机座及电机机罩都设有中空腔体，电机输出轴固定在旋转体上，旋转体上装设有线圈组，永磁体装设在永磁体支撑套上，旋转体的外表面与永磁体支撑套的内表面相配合，旋转体能在永磁体支撑套所设的中空腔体内转动，永磁体支撑套置于电机机座所设的中空腔体内，永磁体支撑套的外表面与电机机座的内表面接触，电机机座与电机机罩连接，导线的一端外接电源正、负电极，导线的另一端与旋转体所设的线圈组相连。2.根据权利要求1所述的三自由度旋转电机，其特征在于上述旋转体为球形结构，旋转体的外表面开有环形线圈组卡槽，线圈组卡槽的几何中心与旋转体的几何中心重合。3.根据权利要求2所述的三自由度旋转电机，其特征在于上述线圈组卡槽上还设有通向几何中心方向的导线槽，导线穿进导线槽中。4.根据权利要求1至3任一项所述的三自由度旋转电机，其特征在于上述旋转体上位于同一圆平面上装设的若干线圈组中的线圈为并联连接。5.根据权利要求4所述的三自由度旋转电机，其特征在于上述旋转体上装设的线圈组的数量为12个，其中4个线圈组组成一个圆平面，12个线圈组组成3个圆平面，3个圆平面中两两互相垂直，位于同一圆平面上的4个线圈组中的线圈为并联连接，各个圆平面中的线圈组彼此之间不连接。6.根据权利要求4所述的三自由度旋转电机，其特征在于上述旋转体中的线圈组固定在旋转体所设的线圈组卡槽上，旋转体的线圈组的两端与导线的一端连接。7.根据权利要求4所述的三自由度旋转电机，其特征在于上述永磁体支撑套的外表面均布设有若干安装槽，若干永磁体固定在永磁体支撑套所设的安装槽上。8.根据权利要求7所述的三自由度旋转电机，其特征在于上述永磁体支撑套的外表面为圆弧面，永磁体支撑套设有的安装槽为圆弧面安装槽，永磁体也做成表面为圆弧面的永磁体板，圆弧面的永磁体装设在永磁体支撑套设有的圆弧面安装槽上。
【专利摘要】本发明是一种三自由度旋转电机。包括电机机座、旋转体、线圈组、电机输出轴、永磁体、永磁体支撑套、电机机罩，电机机座及电机机罩都设有中空腔体，电机输出轴固定在旋转体上，旋转体上装设有线圈组，永磁体装设在永磁体支撑套上，旋转体的外表面与永磁体支撑套的内表面相配合，旋转体能在永磁体支撑套所设的中空腔体内转动，永磁体支撑套置于电机机座所设的中空腔体内，永磁体支撑套的外表面与电机机座的内表面接触，电机机座与电机机罩连接，导线的一端外接电源正、负电极，导线的另一端与旋转体所设的线圈组相连。本发明结构紧凑、惯量小、灵活度大，本发明用于机器人控制可以降低机器人的制造成本，简化机器人的整体结构，且减轻机器人手臂的负荷。
【IPC分类】H02K7/10, B25J9/00
【公开号】CN105108730
【申请号】CN201510485315
【发明人】罗良维, 杨春燕
【申请人】广东工业大学
【公开日】2015年12月2日
【申请日】2015年8月10日