仿生眼球用正交圆柱结构两自由度步进电机制造技术

本实用新型专利技术公开了一种仿生眼球用正交圆柱结构两自由度步进电机，包括内定子、外转子、外定子、底座，底座上设有支撑轴，内定子包括内定子上部、内定子下部，内定子上部、内定子下部分别固定于支撑轴上，内定子上部、内定子下部之间通过空气隔开，纵向轴承外圈与不导磁的纵向端盖配合，外转子与支撑轴连接，外定子上设有输出轴；外定子通过安装在不导磁纵向端盖上；外定子包括两段外定子铁心，外转子包括弧形永磁体及其两侧的两段外转子铁心，外转子铁心外侧均匀布置若干小齿，两段外转子铁心内侧分别开有四个外转子铁心小齿，外转子内部齿端部、外转子外部齿端部分别加工成以纵轴、横轴为轴线的两个相互正交的内部圆柱面、外部圆柱面。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

Orthogonal cylindrical structure with two degrees of freedom stepper motor for bionic eye

The utility model discloses two DOF orthogonal cylinder structure step motor for a bionic eye, including the inner stator, rotor, stator, the base, the base is provided with a supporting shaft, the inner stator comprises an inner stator stator upper, lower, upper, lower stator stator parts are respectively fixed on the supporting shaft. The upper part of the inner stator, between the stator through the lower part of the air is separated, the longitudinal end of the vertical bearing outer ring and non-magnetic cover with the outer rotor is connected with the supporting shaft, the outer stator is arranged on the output shaft; the outer stator arranged in the non-magnetic longitudinal end cover; the outer stator comprises two outer stator core, including outer rotor the two section of outer rotor core arc of permanent magnets and on both sides of the outer rotor iron core are evenly arranged a number of small teeth, two outer rotor core inside are respectively provided with four outer rotor teeth, external rotor internal The end part of the outer end of the tooth end and the outer rotor is processed into two mutually orthogonal internal cylindrical surfaces and an outer cylindrical surface with a longitudinal axis and a horizontal axis as the axis.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种两自由度电动机，尤其涉及一种适合于驱动仿生眼球在一定范围内运动的仿生眼球用正交圆柱结构两自由度步进电机。
技术介绍
多自由度电动机具有机械集成度高、电机结构材料和驱动控制系统元件利用率高等特点，可以大大简化机械系统的结构，减小体积和重量，提闻系统的精度和动态性能，在机器人等具有多个运动自由度的系统中具有广泛的应用前景。80年代以来，随着机器人和空间技术的迅猛发展，多自由度电动机及其应用方面的研究日益受到重视，国内外学者的研究工作十分活跃，各种样机层出不穷。从现有资料看，国内外学者所研制的多自由度电动机大都采用球形结构，从结构原理上看球形结构较为合理，但存在着如结构复杂加工困难等缺点。鉴于球形结构多自由度电动机结构复杂和加工困难，哈尔滨工业大学提出了一种非球形的正交圆柱结构双气隙共磁钢的两自由度电动机。图1是传统的正交圆柱结构两自由度电动机的结构分解图，图2和图3分别是该样机的两个自由度的结构原理示意图。该电动机由内定子I 28、内转子25、外转子I 24、支撑轴I 26、底座I 27、输出轴I 23、机壳33、一对永磁体I 31、一对横向轴承I 22、一个纵向轴承I 29组成。外转子24由硅钢片叠压而成，内侧圆周上均匀布置一些齿和槽，槽内设置外转子绕组30、内转子绕组32，输出轴23设置在外转子上方。内定子28由两段铁心组成，两段铁心上的小齿互错1/2齿距。内转子25由永磁体及其两侧的两段铁心组成，永磁体31纵向轴向充磁，两段铁心内侧齿上设置两相励磁绕组。内转子外部齿端部及内部齿端部分别加工成以横轴和纵轴为轴线的两个相互正交的圆柱面，分别与外转子和内定子齿表面形成同心圆柱。内转子与机壳固定在一起，外转子通过横向轴承与机壳安装在一起，从而外转子可相对于机壳转动。支撑轴通过纵向轴承与机壳安装在一起，从而机壳可以相对于支撑轴转动。传统的正交圆柱结构两自由度电动机的工作原理:当外转子的两相绕组按A—B一-A一-B的顺序通电时，磁通Φ I经永磁体一一段内转子铁心一气隙一外转子铁心一气隙一另一段内转子铁心一永磁体形成闭合回路，电机工作于永磁式步进电动机状态，外转子相对于内转子绕横轴转动，使输出轴实现俯仰运动；当内转子的两相绕组按A— B—-A--B的顺序通电时，磁通Φ 2经永磁体一一段内转子铁心一气隙一两段内定子铁心一气隙一另一段内转子铁心一永磁体形成闭合回路，电机工作于混合式步进电动机状态，内转子连同外转子相对于内定子绕纵轴转动，使输出轴随之自转(当输出轴处于竖直位置时)或侧摆(当输出轴处于偏转状态时)。磁通Φ1和Φ 2都经过永磁体，两段气隙公用了一个永磁体，即双气隙共永磁体，因而该电动机利用一个永磁体、两组绕组实现了两个自由度的运动，电动机体积较小，具有较高的性能体积比。尽管与球形结构电动机相比，传统的正交圆柱结构两自由度电动机在结构上更加简化，更容易加工制造，体积更小，但是其在实际运行时存在以下问题:由于外转子工作于永磁式步进电动机状态，其步距角即为一个极距角，而实际中极距不能太小，否则绕组将无法放置，因而步距角较大，电动机定位精度较低，运动平滑性较差；实际运行中内转子连同外转子相对于内定子绕纵轴是不能单一方向持续转动的，否则将导致内转子和外转子的两相绕组无法放置。同时，由于驱动仿生眼球时要求所用两自由度电动机的体积更小、质量更轻、定位精度更高、运行平滑性更好，而且能使眼球(输出轴末端)在给定范围内一定精度下沿任何轨迹运动(包括眼球连续地转动)，传统的正交圆柱结构两自由度电动机是不适合于驱动仿生眼球运动的。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服上述现有技术的不足；提供一种仿生眼球用正交圆柱结构两自由度步进电机；实现驱动仿生眼球在一定范围内一定精度下沿任何轨迹、持续地转动，而且能够比传统的正交圆柱结构两自由度电动机体积更小、质量更轻、定位精度更高、运行平滑性更好。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案:一种仿生眼球用正交圆柱结构两自由度步进电机，包括内定子、外转子、外定子、底座，底座上设有支撑轴，内定子包括内定子上部、内定子下部，内定子上部、内定子下部分别固定于支撑轴上，内定子上部、内定子下部之间通过空气隔开，内定子上部、内定子下部之间互错1/4齿距，内定子上部设有两段上部铁心，两段上部铁心互错1/2齿距，内定子下部设有两段下部铁心，两段下部铁心互错1/2齿距，内定子上部设有A相绕组和-A相绕组、内定子下部设有B相绕组和-B相绕组，A相绕组和-A相绕组绕制方向相反，B相绕组和-B相绕组绕制方向相反，支撑轴上设有纵向轴承，纵向轴承外圈与不导磁纵向端盖配合，外转子通过不导磁纵向端盖与支撑轴连接，从而外转子可以绕支撑轴连续转动，外定子上设有输出轴，输出轴固定在外定子的中心，输出轴所在轴线与纵轴正交，从而输出轴可随外定子同步运动；外定子与不导磁连杆连接，不导磁连杆与横向轴承的内孔配合，横向轴承的外圈与不导磁横向端盖配合，不导磁横向端盖与纵向端盖连接，从而外定子既可以与外转子一起绕支撑轴同步转动，又可以相对于内定子绕横轴有限转动；外定子包括两段外定子铁心，沿外定子铁心内侧圆周分布两对极，每个极上有若干小齿，极间槽内设置两相励磁绕组；夕卜转子7包括弧形永磁体及其两侧的两段外转子铁心，外转子铁心外侧均匀布置若干小齿，两段外转子铁心上的小齿互错1/2齿距；两段外转子铁心内侧分别开有四个外转子内齿，外转子内齿分别与内定子的上部铁心、下部铁心上的齿相对应。外转子内部齿端部、外转子外部齿端部分别加工成以纵轴、横轴为轴线的两个相互正交的内部圆柱面、外部圆柱面，内部圆柱面、外部圆柱面分别与内定子、外定子齿表面形成同心圆柱。所述A相绕组和-A相绕组串接在一起，只有一个导线引出端，并从A相绕组端部引出；B相绕组和-B相绕组串接在一起，只有一个导线引出端，并从B相绕组端部引出。所述外定子的两个圆弧端面分别与不导磁连杆的第二端面通过焊接连接；不导磁横向端盖的外端面分别与不导磁纵向端盖的第一端面通过焊接连接。所述输出轴上设有微型摄像机，摄像机轴线与输出轴轴线重合。本专利技术的工作原理:当内定子的两相绕组按A— B—-A一-B的顺序通电时，Φ I经弧形永磁体一一段外转子铁心一气隙一内定子铁心一气隙一另一段外转子铁心一弧形永磁体形成闭合回路，电机工作于两相永磁式步进电动机状态，外转子相对于内定子绕支撑轴转动，使输出轴实现水平摆动。当外定子的两相绕组按A— B—-A一-B的顺序通电时，Φ2经弧形永磁体一一段外转子铁心一气隙一外定子铁心一气隙一另一段外转子铁心一弧形永磁体形成闭合回路，电机工作于两相混合式步进电动机状态，外定子相对于外转子绕横轴转动，使输出轴实现俯仰运动。做个合适的比喻，电机两个自由度各自的运动使输出轴末端运行的轨迹分别类似地球仪上的经线和纬线。在实际当中，电机的两个自由度运动都是在一定极限转动角度范围之内的，即可认为电机输出轴能够在最大经度经线和最大维度纬线所围成的一段球面范围内以一定精度沿任意轨迹运动(包括持续转动，前提是不超出这一限定的球面范围)。因此，只要实际要求的仿生眼球的运动范围在上述最大经度线和最大纬度线所围成的一段球面范围之内，则本专利技术可驱动输出轴末端的眼球在要求范围内以一定精度沿任意轨迹运动(包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种仿生眼球用正交圆柱结构两自由度步进电机，包括内定子、外转子、外定子、底座，底座上设有支撑轴，其特征是，所述内定子包括内定子上部、内定子下部，内定子上部、内定子下部分别固定于支撑轴上，内定子上部、内定子下部之间通过空气隔开，内定子上部、内定子下部之间互错1/4齿距，内定子上部设有两段上部铁心，两段上部铁心互错1/2齿距，内定子下部设有两段下部铁心，两段下部铁心互错1/2齿距，内定子上部设有A相绕组和?A相绕组、内定子下部设有B相绕组和?B相绕组，A相绕组和?A相绕组绕制方向相反，B相绕组和?B相绕组绕制方向相反，支撑轴上设有纵向轴承，纵向轴承外圈与不导磁的纵向端盖配合，外转子通过不导磁的纵向端盖与支撑轴连接，外定子上设有输出轴，输出轴固定在外定子的中心，输出轴所在轴线与纵轴正交，外定子与不导磁连杆连接，不导磁连杆与横向轴承的内孔配合，横向轴承的外圈与不导磁横向端盖配合，不导磁横向端盖与纵向端盖连接；外定子包括两段外定子铁心，沿外定子铁心内侧圆周分布两对极，每个极上有若干小齿，极间槽内设置两相励磁绕组；外转子包括弧形永磁体及其两侧的两段外转子铁心，外转子铁心外侧均匀布置若干小齿，两段外转子铁心上的小齿互错1/2齿距，两段外转子铁心内侧分别开有四个外转子内齿，外转子内齿分别与内定子的上部铁心、下部铁心上的齿相对应,外转子内部齿端部、外转子外部齿端部分别加工成以纵轴、横轴为轴线的两个相互正交的内部圆柱面、外部圆柱面，内部圆柱面、外部圆柱面分别与内定子、外定子齿表面形成同心圆柱。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐衍亮，鲁炳林，马昕，顾建军，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：实用新型
国别省市：