摘要；提出了一种双气隙共磁钢结构的新型两自由度电动机，介绍了该电机的基本结构和工作原理，并对其进行了运动学分析。

关键词；非球形i两自由度，电动机

中图分类号：tm301    文献标识码：a    文章编号：1001-6848(2000)02-0003-05

    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，提高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飞速发展，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。本文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，介绍了其结构和工作原理，并给出了运动学分析结果。

    从图1可以看出，该电机由内定子、内转子、外转子、输出轴、一对x向轴承、一对x向端盖、一对z向轴承、一对z向端盖组成。

   

    电机的外转子由硅钢片迭压制成，肉侧圆周上均匀布置一些齿和槽，槽内设置两相励磁绕组，电机的输出轴设置在外转子的上方。电机的内定子由支z轴撑轴和两段铁心组成，两段铁心上分别均匀布置若干小齿，两段铁心上的小齿相互错开1/2齿距。电机的内转子由永磁体及其两侧的两段铁心组成，永磁体采用高矫顽力、高磁能积、易于加工的钕铁硼材料，z向轴向充磁。由于永磁体的作用内转子外侧4个齿呈n、s、s、n规律分布。内转子内侧沿圆周分布4对极，每个极上有若干小齿，极间槽内设置两相励磁绕组。内定子铁心和内转子铁心与外转子铁心一样均由硅钢片迭压制成。

    内转子外部齿端部及内部齿端部分别加工成以x轴和z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i内转子通过螺钉与x向端盖固联在一起，x向端盖又通过x向轴承安装在外转子上，从而外转子可相对于内转子与x向端盖构成的整体绕x轴作有限转动；内定子通过z向轴承和z向端盖与内转子安装在一起，从而内转子及x向端盖构成的整体及外转子可相对于内定子绕z轴连续转动。

   

     当外转子的两相绕组按a-b-(-a) -(-b)  姿态即位姿矩阵的顺序通电时，奴经永磁体、一段内转子铁心、气隙1、外转子铁心、气隙1、另一段内转子铁心回到永磁体形成闭合回路，电机工作于pm（永磁）电动机状态，电机的外转子相对于内转子绕x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，瓯经永磁体、一段内转子铁心、气隙2、两段内定子铁心、气隙2、另一段内转子铁心回到永磁体形成闭合回路，电机工作于hb（混合式）电动机状态，电机的内转子连同外转子相对于内定子绕z轴连续转动，从而输出轴随之自转（当输出轴处于竖直位置时）或侧摆（当输出轴处于偏转状恋时）。磁通霞和磁通奴都经过永磁体，气隙1和气隙2公用了一个永磁体，即双气隙共磁钢，因而该电机一个永磁体、两个绕组就实现了两个转动自由度，电机体积较小，性能体积比高。

    在电机的外转子绕组与内转子的绕组同时按自己的方式通电时，电机的输出轴同时进行俯仰和侧摆运动，从而实现了两自由度运动。

    在电机内定子铁心的中心0点建立第o号坐标系（即固定坐标系）和第1号坐标系，第o号坐标系固联在内定子上，第1号坐标系固联在内转子上，在输出轴端部p点建立第2号坐标系。各坐标系坐标轴的方向如图3所示。可用一个4×4的齐次矩阵表示输出轴末端p点相对于固定坐标系的位置和姿态即位姿矩阵