一种多自由度有限转角电机的制作方法

1.本发明涉及电机技术领域，特别是涉及一种多自由度有限转角电机。


背景技术：

2.越来越多的运动控制领域需要一体化的多自由度驱动装置，现有的一体化多自由度驱动装置有以下几种形式：一种是使用嵌套型的多第二结构件结构，每层驱动组件负责一个自由度；另一种是把第二结构件做成球形，第一结构件做成曲面包裹住球形第二结构件。这些多自由度驱动装置都存在结构复杂、成本高的问题，尤其是球状第二结构件的电机的控制技术还比较复杂，难以批量应用。


技术实现要素：

3.本发明的目的是解决上述现有技术存在的问题，提供一种结构简单、成本低廉的多自由度有限转角电机。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.本发明提供了一种多自由度有限转角电机，包括第一结构件、定子芯、限位结构、磁钢组和第二结构件，所述第一结构件包括第一圆盘和固设在所述第一圆盘上的、与所述第一圆盘同轴的套筒，所述第一圆盘上设置有与所述套筒相通的通孔，所述第二结构件包括第二圆盘和固设在所述第二圆盘上的轴体；所述轴体通过调心轴承与所述套筒转动配合，所述限位结构能够使得所述第一结构件和所述第二结构件在有限转角范围内相对转动；
6.所述定子芯上设置有多个沿周向分布的线圈，所述磁钢组包括多个磁钢，多个所述磁钢与多个所述线圈一一对应；多个所述线圈分为第一类线圈和第二类线圈，所述第一类线圈通电时，所述第一类线圈对应的所述磁钢受到垂直于所述第一圆盘的力，并驱动所述第一结构件和所述第二结构件相对转动；所述第二类线圈通电时，所述第二类线圈对应的所述磁钢受到与所述套筒的周向相切的力，并驱动所述第二结构件绕并驱动所述第二结构件绕多自由度有限转角电机的方位轴转动；
7.所述定子芯固定套设在所述套筒上，所述磁钢组固设在所述第二圆盘上；或所述定子芯固设在所述第二圆盘上，所述磁钢组固设在所述套筒上。
8.优选的，多个所述线圈中还包括第三类线圈，所述第三类线圈通电时，所述第三类线圈对应的所述磁钢受到垂直于所述第一圆盘的力，并驱动所述第一结构件和所述第二结构件绕多自由度有限转角电机的横滚轴相对转动；所述第一类线圈通电时，所述第一类线圈对应的所述磁钢受到垂直于所述第一圆盘的力，并驱动所述第一结构件和所述第二结构件绕多自由度有限转角电机的俯仰轴相对转动。
9.优选的，所述线圈为12个，其中，四个所述线圈为所述第一类线圈，另外四个所述线圈为所述第三类线圈，再四个所述线圈为所述第二类线圈；四个所述第一类线圈关于所述俯仰轴对称分布，四个所述第三类线圈关于所述横滚轴对称分布，四个所述第二类线圈
沿所述定子芯的周向均匀分布。
10.优选的，对应所述第一类线圈和所述第三类线圈设置的所述磁钢的充磁方向均与所述第二圆盘的轴向相同，位于所述横滚轴不同侧的所述第一类线圈通电时的受到的力的方向相反，位于所述俯仰轴不同侧的所述第三类线圈通电时的受到的力的方向相反；对应所述第二类线圈设置的所述磁钢的充磁方向与所述第二圆盘的周向相切。
11.优选的，所述限位结构包括设置在所述套筒远离所述第一圆盘的一端的第一结构件限位齿和设置在所述第二圆盘靠近所述套筒的一侧的两个第二结构件限位齿，两个所述第二结构件限位齿与所述第二圆盘的中心之间的距离、及所述第一结构件限位齿与所述套筒的中心轴之间的距离相等，所述第一结构件限位齿位于两个所述第二结构件限位齿之间。
12.优选的，所述有限转角的范围为8
°
～16
°
。
13.优选的，所述磁钢组固设在所述第二圆盘上时，在所述第二圆盘上还固设有磁轭圈，所述磁钢组中的各个所述磁钢固设在所述磁轭圈的内壁上。
14.优选的，所述定子芯固定套设在所述套筒上时，所述第一结构件为定子，所述第二结构件为转子；所述定子芯固设在所述第二圆盘上时，所述第一结构件为转子，所述第二结构件为定子。
15.优选的，所述定子芯的材料为铁磁材料或非导磁材料，所述铁磁材料为矽钢片，所述非导磁材料为铝合金或塑料；所述定子芯上设置有多个周向排列的绕线齿，相邻的两个所述绕线齿之间形成有齿槽，所述绕线齿与所述线圈一一对应，所述线圈绕在对应的所述绕线齿上。
16.优选的，所述绕线齿靠近所述磁钢的一端上设置有凹槽，所述凹槽上设置有用于测量所述绕线齿相对磁钢的偏转角度数据的霍尔元件，所述霍尔元件与单片机电连接，所述单片机与电机驱动芯片电连接，每个所述线圈均与所述电机驱动芯片电连接。
17.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
18.本发明的多自由度有限转角电机结构简单、成本低廉。本发明的的多自由度有限转角电机能够驱动转子绕着电机方位轴、俯仰轴和横滚轴在有限转角范围内旋转，能够满足多个自由度的小角度运动范围的驱动应用。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明多自由度有限转角电机的结构示意图；
21.图2为本发明多自由度有限转角电机的爆炸图；
22.图3为本发明多自由度有限转角电机中第二结构件的结构示意图；
23.其中：100、多自由度有限转角电机；1、第一圆盘；2、套筒；3、第一结构件限位齿；4、调心轴承；5、定子芯；6、磁钢；7、磁轭圈；8、轴体；9、第二圆盘；10、第二结构件限位齿。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.本发明的目的是解决上述现有技术存在的问题，提供一种结构简单、成本低廉的多自由度有限转角电机。
26.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
27.如图1至图3所示：本实施例提供了一种多自由度有限转角电机100，包括第一结构件、定子芯5、限位结构、磁钢6组和第二结构件，第一结构件包括第一圆盘1和固设在第一圆盘1上的、与第一圆盘1同轴的套筒2，第一圆盘1上设置有与套筒2相通的通孔，第二结构件包括第二圆盘9和固设在第二圆盘9上的轴体8；轴体8通过调心轴承4与套筒2转动配合，限位结构能够使得第一结构件和第二结构件在有限转角范围内相对转动。
28.具体的，限位结构包括设置在套筒2远离第一圆盘1的一端的第一结构件限位齿3和设置在第二圆盘9靠近套筒2的一侧的两个第二结构件限位齿10，两个第二结构件限位齿10与第二圆盘9的中心之间的距离、及第一结构件限位齿3与套筒2的中心轴之间的距离相等，第一结构件限位齿3位于两个第二结构件限位齿10之间。当第二结构件绕自身轴线转动时，运动一定角度后其中一个第二结构件限位齿10就会受到第一结构件限位齿3的阻挡作用，从而实现第二结构件在有限转角范围内的转动，在本实施例中有限转角的范围为8
°
～16
°
。
29.定子芯5上设置有多个沿周向分布的线圈，磁钢6组包括多个磁钢6，多个磁钢6与多个线圈一一对应；多个线圈分为第一类线圈、第二类线圈和第三类线圈，第一类线圈通电时，第一类线圈对应的磁钢6受到垂直于第一圆盘1的力，并驱动第一结构件和第二结构件绕多自由度有限转角电机100的俯仰轴相对转动；第二类线圈通电时，第二类线圈对应的磁钢6受到与套筒2的周向相切的力，并驱动第二结构件绕并驱动第二结构件绕多自由度有限转角电机100的方位轴转动；第三类线圈通电时，第三类线圈对应的磁钢6受到垂直于第一圆盘1的力，并驱动第一结构件和第二结构件绕多自由度有限转角电机100的横滚轴相对转动。
30.在本实施例中，定子芯5固定套设在套筒2上，磁钢6组固设在第二圆盘9上，在第二圆盘9上还固设有磁轭圈7，磁钢6组中的各个磁钢6固设在磁轭圈7的内壁上。第一结构件作为定子，第二结构件作为转子；实际应用时，也可以对上述布置方式作出适应性的改变，比如将定子芯5固设在第二圆盘9上，将磁钢6组固设在套筒2上，此时，第一结构件为转子，第二结构件为定子。
31.参照定子芯5的结构，在本实施例中，线圈为12个，12个线圈分别缠绕在定子芯5周向伸出的支撑臂上，其中，四个线圈为第一类线圈，另外四个线圈为第三类线圈，再四个线圈为第二类线圈；四个第一类线圈关于俯仰轴对称分布，四个第三类线圈关于横滚轴对称分布，四个第二类线圈沿定子芯5的周向均匀分布。
32.对应第一类线圈和第三类线圈设置的磁钢6的充磁方向均与第二圆盘9的轴向相
同，位于横滚轴不同侧的第一类线圈通电时的受到的力的方向相反，位于俯仰轴不同侧的第三类线圈通电时的受到的力的方向相反；对应第二类线圈设置的磁钢6的充磁方向与第二圆盘9的周向相切；需要说明的是，可以通过对磁钢6的磁极方向、线圈的缠绕方向等作出调整进而实现线圈或对对应的线圈或磁钢6所受到的力的方向进行调整；而使得第二结构件即转子只能够相对第一结构件在有限转角范围内转动还能够使得对应的线圈和磁钢6不会偏离太多，如果对应的线圈和磁钢6偏离太多，则会导致受力磁钢6不能够受到对应的线圈的力的作用，从而导致整个系统受力的紊乱。
33.定子芯5可以采用矽钢片等铁磁材料制成，也可以采用非导磁材料制成；定子芯5使用矽钢片等铁磁材料时，能够提高较大的力矩，并有助于线圈散热，但由于铁磁材料受到磁钢6的吸引力具有回中效果，限制了偏转角度的范围(只能达到2
°‑4°
左右)；当需要较大的偏转角度范围时，可以使用铝合金或塑料等非导磁材料制作定子芯5，由于消除了磁钢6对定子芯5的回中吸引力，因此旋转角度范围会更大，但同时单位电流的旋转力矩也会有所降低。定子芯5上设置有多个周向排列的绕线齿，相邻的两个绕线齿之间形成有齿槽，绕线齿与线圈一一对应，线圈绕在对应的绕线齿上，且线圈分布在齿槽中；在本实施例中，绕线齿靠近磁钢6的一端上设置有凹槽，凹槽上设置有用于测量绕线齿相对磁钢6的偏转角度数据的霍尔元件，霍尔元件与单片机电连接，单片机与电机驱动芯片电连接，四个第一类线圈串联后与电机驱动芯片电连接，四个第二类线圈串联后与电机驱动芯片电连接，四个第三类线圈串联后与电机驱动芯片电连接，单片机能够根据霍尔元件所反馈的绕线齿相对磁钢6的偏转角度数据来计算出下一步各类线圈应该通入的电流的大小和方向，并通过电机驱动芯片来调整第一类线圈、第二类线圈和第三类线圈中各自的电流的大小和方向，通过调整电流的方向能够改变电机在对应自由度上的偏转方向，通过调整电流的大小能够改变电机在对应自由度上的偏转角度；单片机上还连接有各自由度的旋转角度控制开关或通过信号传输单元来接收控制指令，单片机根据接收到的控制制令信号来通过电机驱动芯片来调整第一类线圈、第二类线圈和第三类线圈中各自的电流的大小和方向，从而完成多自由度有限转角电机100在不同自由度的旋转的控制。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
35.本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。