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
（哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱150001）
摘要；提出了一種雙氣隙共磁鋼結構的新型兩自由度電動機，介紹了該電機的基本結構和工作原理，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、電機結構材料和驅動控制系統元件利用率高等特點，可以大大簡化機械系統的結構，減小體積和重量，提高系統的精度和動態性能，在機器人等具有多個運動自由度的系統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，國內外學者的研究工作十分活躍，各種樣機層出不窮。從現有資料看，國內外學者所研制的多自由度電動機大都采用球形結構，從結構原理上看球形結構較為合理，但存在著如結構復雜、加工困難等缺點。本文提出了一種非球形的正交圓柱結構雙氣隙共磁鋼的兩自由度電動機，介紹了其結構和工作原理，并給出了運動學分析結果。
2電機的結構和工作原理
從圖1可以看出，該電機由內定子、內轉子、外轉子、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。
電機的外轉子由硅鋼片迭壓制成，肉側圓周上均勻布置一些齒和槽，槽內設置兩相勵磁繞組，電機的輸出軸設置在外轉子的上方。電機的內定子由支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。電機的內轉子由永磁體及其兩側的兩段鐵心組成，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轉子外側4個齒呈n、s、s、n規律分布。內轉子內側沿圓周分布4對極，每個極上有若干小齒，極間槽內設置兩相勵磁繞組。內定子鐵心和內轉子鐵心與外轉子鐵心一樣均由硅鋼片迭壓制成。
內轉子外部齒端部及內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，分別與外轉子和內定子齒表面形成同心圓柱i內轉子通過螺釘與x向端蓋固聯在一起，x向端蓋又通過x向軸承安裝在外轉子上，從而外轉子可相對于內轉子與x向端蓋構成的整體繞x軸作有限轉動；內定子通過z向軸承和z向端蓋與內轉子安裝在一起，從而內轉子及x向端蓋構成的整體及外轉子可相對于內定子繞z軸連續轉動。
當外轉子的兩相繞組按a-b-(-a) -(-b) 姿態即位姿矩陣的順序通電時，奴經永磁體、一段內轉子鐵心、氣隙1、外轉子鐵心、氣隙1、另一段內轉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，電機的外轉子相對于內轉子繞x軸轉動，使輸出軸實現俯仰運動}當內轉子的兩相繞組按a-b-(-a) - (-b)的順序通電時，甌經永磁體、一段內轉子鐵心、氣隙2、兩段內定子鐵心、氣隙2、另一段內轉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，電機的內轉子連同外轉子相對于內定子繞z軸連續轉動，從而輸出軸隨之自轉（當輸出軸處于豎直位置時）或側擺（當輸出軸處于偏轉狀戀時）。磁通霞和磁通奴都經過永磁體，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、兩個繞組就實現了兩個轉動自由度，電機體積較小，性能體積比高。
在電機的外轉子繞組與內轉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擺運動，從而實現了兩自由度運動。
3運動學分析
在電機內定子鐵心的中心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號坐標系固聯在內定子上，第1號坐標系固聯在內轉子上，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。可用一個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即位姿矩陣
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