非球形正交结构两自由度混合式步进电动机及其方法

摘要

本发明公开了非球形正交结构两自由度混合式步进电动机及其方法，该电动机包括底座，底座上安装有第1自由度电机，第1自由度电机的转轴为半圆柱型，该转轴的外径大于第2自由度电机的定子铁心外径，且该转轴的平面侧开有槽口，使得第2自由度电机整体嵌到槽口里；第2自由度电机的转轴为完整圆柱型且该转轴上设有输出轴；第1自由度电机的转轴中心轴线位于水平面上且设为X轴，第2自由度电机的转轴中心轴线与X轴垂直正交，第2自由度电机的转轴中心轴线作为Y轴，第1自由度电机的转轴带动第2自由度电机整体绕X轴在一定范围内转动；输出轴的轴线与Y轴垂直正交，实现输出轴的两自由度运动。

权利要求

1.一种非球形正交结构两自由度混合式步进电动机，其特征在于，包括底座，底座上安装有第1自由度电机，第1自由度电机的转轴为半圆柱型，且第1自由度电机的转轴的外径大于第2自由度电机的定子铁心外径，且第1自由度电机的转轴的平面侧开有槽口，使得第2自由度电机整体能够嵌放到槽口里面；第2自由度电机的转轴为完整圆柱型且第2自由度电机的转轴上设有输出轴；

第1自由度电机的转轴中心轴线位于水平面上且设为X轴，第2自由度电机的转轴中心轴线与X轴垂直正交，则第2自由度电机的转轴中心轴线作为Y轴，第1自由度电机的转轴带动第2自由度电机整体绕X轴在一定范围内转动；

输出轴的轴线还与Y轴垂直正交，输出轴又在第2自由度电机作用下Y轴在一定范围内转动，最终实现输出轴的两自由度运动。

2.如权利要求1所述的一种非球形正交结构两自由度混合式步进电动机，其特征在于，第1自由度电机包括第1自由度电机转子部分和第1自由度电机定子部分，第1自由度电机转子部分包括第一永磁体及其两侧的叠压第一转子铁心和第二转子铁心；

第1自由度电机定子部分包括第一定子绕组和叠压的第一定子铁心和第二定子铁心，第一定子铁心的一端与底座相连，另一端与第1自由度电机的轴承相连；第1自由度电机转子部分中心轴线上设有第1自由度电机的转轴，使得转子部分固定套装在转轴上，第1自由度电机的转轴与第1自由度电机的轴承配合，使得第1自由度电机的定子部分与转子部分固定在一起。

3.如权利要求2所述的一种非球形正交结构两自由度混合式步进电动机，其特征在于，第2自由度电机包括第2自由度电机转子部分和第2自由度电机定子部分，第2自由度电机转子部分包括第二永磁体及其两侧的叠压第三转子铁心和第四转子铁心；

第2自由度电机定子部分包括第二定子绕组和叠压的第三定子铁心和第四定子铁心，第一定子铁心的一端与底座相连，另一端与第2自由度电机的轴承相连；第2自由度电机转子部分中心轴线上设有第2自由度电机的转轴，使得转子部分固定套装在转轴上，第2自由度电机的转轴与第2自由度电机的轴承配合，使得第2自由度电机的定子部分与转子部分固定在一起。

4.如权利要求2所述的一种非球形正交结构两自由度混合式步进电动机，其特征在于，第一转子铁心和第二转子铁心外侧均匀布置若干转子小齿，且第一转子铁心和第二转子铁心上的转子小齿互错1/2齿距；

第一定子铁心和第二定子铁心内侧均匀分布有磁极，极间槽内设有定子绕组，磁极的极靴上分布有与转子小齿齿距相同的若干定子小齿。

5.如权利要求3所述的一种非球形正交结构两自由度混合式步进电动机，其特征在于，第三转子铁心和第四转子铁心外侧均匀布置若干转子小齿，且第三转子铁心和第四转子铁心上的转子小齿互错1/2齿距；

第三定子铁心和第四定子铁心内侧均匀分布有磁极，极间槽内设有定子绕组，磁极的极靴上分布有与转子小齿齿距相同的若干定子小齿。

6.如权利要求1所述的一种非球形正交结构两自由度混合式步进电动机，其特征在于，输出轴上直接安装有位置检测装置。

7.一种如权利要求1-6任一所述的非球形正交结构两自由度混合式步进电动机的工作方法，其特征在于，包括：单个电机单独工作和两个电机共同工作这种状态；

在单个电机单独工作状态下，第1自由度电机的定子绕组按一定顺序通电，第1自由度电机工作于混合式步进电动机状态，第1自由度电机的转子部分带动第1自由度电机的转轴和第2自由度电机整体绕X轴转动，使输出轴实现绕X轴方向摆动；或第2自由度电机的定子绕组按一定顺序通电，第2自由度电机工作于混合式步进电动机状态，第2自由度电机的转子部分带动第2自由度电机的转轴绕Y轴转动，使输出轴实现绕Y轴方向摆动；

在两个电机共同工作这种状态下，第1自由度电机和第2自由度电机同时通电，第1自由度电机和第2自由度电机均工作于混合式步进电动机状态，第1自由度电机的转子部分带动第1自由度电机的转轴和第2自由度电机整体绕X轴转动，使输出轴实现绕X轴方向摆动，第2自由度电机的转子部分带动第2自由度电机的转轴绕Y轴转动，使输出轴实现绕Y轴方向摆动，最终实现输出轴在一定范围内绕X轴和Y轴作两自由度运动。

8.一种具有多个运动自由度的机器人，其特征在于，包括如权利要求1-6任一所述的非球形正交结构两自由度混合式步进电动机。

9.一种搅拌机，其特征在于，包括如权利要求1-6任一所述的非球形正交结构两自由度混合式步进电动机。

10.一种电动陀螺仪，其特征在于，包括如权利要求1-6任一所述的非球形正交结构两自由度混合式步进电动机。

说明书

非球形正交结构两自由度混合式步进电动机及其方法

技术领域

[0001] 本发明属于电动机领域，尤其涉及一种非球形正交结构两自由度混合式步进电动机及其方法。

背景技术

[0002] 多自由度电动机指具有两个或三个旋转自由度，可以绕过定点的空间轴线旋转的电动机。它具有机械集成度高、电动机结构材料和驱动控制系统元件利用率高等特点，在具有多个运动自由度的机械系统中，一台多自由度电动机可以代替两台或多台单自由度电动机，可以大大简化机械系统的结构，减小体积和重量，从而提高系统的精度和动态性能，提高性能价格比。因此多自由度电动机在机器人、多坐标机械加工中心、航天飞行器、电动陀螺仪、全方位跟踪天线、炮塔转台、人体假肢、医疗器械、摄像操作台、全景摄影操作台、搅拌机、球形阀等具有多个运动自由度的设备中具有广泛的应用前景。

[0003] 多自由度电动机的研究起源于五十年代，到了八十年代中期，空间技术、机器人及自动化技术的迅速发展，促进了多自由度电动机研究的发展，各种工作原理和不同结构的多自由度电动机层出不穷，对其研究也进入了高潮阶段。20世纪50年代初，为改善感应电动机的调速性能，英国E.C.Williams等人研制了一种变速球形感应电动机，该电机的定转子都是可动的，可以说是多自由度电机的雏形。与此同时，前苏联学者研制出一种自整角原理的三自由度电动机。自此后直到80年代初期，多自由度电动机的研究处于低潮，主要研究成果有N.S.Bers的球形绕组电动机专利，I.Laing和N.Laing的球形电动机泵专利，以及球形电动机在陀螺方面的应用。进入20世纪80年代，机器人和空间技术的迅速发展促进了多自由度电动机研究的发展，同时电机新材料的出现和制造工艺水平的提高、电机理论和自动控制理论研究的深入以及电力电子技术和计算机技术的飞速发展，为多自由度电动机本体制造及其驱动控制系统的实现提供了有利的条件。此后，美国、日本和欧洲等地学者的研究工作十分活跃，各种工作原理和不同结构的多自由度电动机层出不穷，比较典型的有法国的A.Foggia等人研制的外转子两自由度球形感应电动机、美国G.J.Vanchtsevanos等人研制的三自由度球形感应电动机、美国Kok-Meng Lee等人研制的球形步进电动机、A.R.Miles等人研制的三相自整角原理的两自由度球形电动机、日本的K.Kaneko等人研制的三自由度球形直流伺服电动机、日本电气精器公司提出的框架结构两自由度电动机等等。

[0004] 我国对多自由度电动机的研究始于20世纪80年代后期，虽然起步较晚，但国家有关部门非常重视，863计划和国家自然科学基金都资助过多自由度电动机方面的研究项目。主要研究成果有西北工业大学研制了一种三自由度球形直流电动机，华中理工大学研制了一台三自由度球形感应电动机，浙江大学基于日本电气精器公司提出的框架结构两自由度电动机原理研制了一种用于机器人球关节的正交结构两自由度混合式步进电动机，哈尔滨工业大学研制出了一种正交圆柱结构两自由度电动机，山东大学研制出了一种用于驱动机器人仿生眼球的仿生眼球用两自由度混合式步进电动机。

[0005] 纵观前人所做的工作，多自由度结构电动机样机的种类虽然较多，但大部分还不十分完善，仍处于实验室研究阶段，距实际应用还存在一定的距离。其中，传统球形结构的多自由度电动机制造和加工工艺比较困难，且电动机控制系统过于复杂，必须安装位置检测装置以构成闭环控制，从而实现输出轴的准确定位，造成电动机整体体积和重量较大；基于正交结构的两自由度电动机制造和加工工艺较为成熟，电动机可采用开环方式进行控制，从而省去了位置传感器、简化了控制系统、减小了电动机整体体积和重量，但是仍存在一系列难以解决的问题，例如：

[0006] 1.图1为哈尔滨工业大学研制的正交圆柱结构两自由度电动机示意图，该电动机由第1自由度电机1、第2自由度电机2、输出轴3和正底座4构成，其中，第1自由度电机1工作于混合式步进电动机状态，步距角小、开环定位精度高，第2自由度电机2工作于永磁式步进电动机状态，步距角大、开环定位精度低，因此两自由度电动机整体定位精度较差。

[0007] 2.图2为浙江大学研制的正交结构两自由度混合式步进电动机示意图，图3为山东大学研制的仿生眼球用两自由度混合式步进电动机示意图，两者均由第1自由度电机1、第2自由度电机2、输出轴3和正底座4构成，且第1自由度电机1、第2自由度电机2均工作于混合式步进电动机状态，步距角小、开环定位精度高，由于第2自由度电机2均采用特殊的非圆柱结构电机，转动过程中会在非对称电磁转矩和重力影响下产生机械方面的不平衡力，造成电机扰动，严重时可能导致电机无法正常运行。

[0008] 3.由图1、图2、图3可见，传统正交结构两自由度电动机的第1自由度电机外径均小于第2自由度电机内径，即起主要驱动作用的第1自由度电机(通常为完整圆柱结构电机，需同时驱动第2自由度电机和负载运动)采用的是小电机结构，而起次要驱动作用的第2自由度电机(完整或部分圆柱结构电机，只需驱动负载运动)采用的是大电机结构，且第1自由度电机体积和力矩的增加受到第2自由度电机尺寸的限制，这在电机结构设计合理性上存在一定问题。

[0009] 4.由图1、图2可见，此两种结构两自由度电动机的第1自由度电机两端部和第2自由度电机内部存在部分空间未得到充分利用，这在一定程度上降低了两自由度电动机整体的机械集成度，增加了电机整体体积。

发明内容

[0010] 为了解决现有技术的缺点，本发明的第一目的是提供一种非球形正交结构两自由度混合式步进电动机。该非球形正交结构两自由度混合式步进电动机包括：底座，底座上安装有第1自由度电机，第1自由度电机的转轴为半圆柱型，且该转轴的外径大于第2自由度电机的定子铁心外径，且该转轴的平面侧开有槽口，使得第2自由度电机整体能够嵌放到槽口里面；第2自由度电机的转轴为完整圆柱型且该转轴上设有输出轴；

[0011] 第1自由度电机的转轴中心轴线位于水平面上且设为X轴，第2自由度电机的转轴中心轴线与X轴垂直正交，则第2自由度电机的转轴中心轴线作为Y轴，第1自由度电机的转轴带动第2自由度电机整体绕X轴在一定范围内转动；

[0012] 输出轴的轴线还与Y轴垂直正交，输出轴又在第2自由度电机作用下Y轴在一定范围内转动，最终实现输出轴的两自由度运动。

[0013] 进一步地，第1自由度电机包括第1自由度电机转子部分和第1自由度电机定子部分，第1自由度电机转子部分包括第一永磁体及其两侧的叠压第一转子铁心和第二转子铁心；

[0014] 第1自由度电机定子部分包括第一定子绕组和叠压的第一定子铁心和第二定子铁心，第一定子铁心的一端与底座相连，另一端与第1自由度电机的轴承相连；第1自由度电机转子部分中心轴线上设有第1自由度电机的转轴，使得转子部分固定套装在转轴上，相应转轴与轴承配合，使得第1自由度电机的定子部分与转子部分固定在一起。

[0015] 更进一步地，第一转子铁心和第二转子铁心外侧均匀布置若干转子小齿，且第一转子铁心和第二转子铁心上的转子小齿互错1/2齿距；

[0016] 第一定子铁心和第二定子铁心内侧均匀分布有磁极，极间槽内设有定子绕组，磁极的极靴上分布有与转子小齿齿距相同的若干定子小齿。这样使得第1自由度电机工作于混合式步进电动机状态。

[0017] 进一步地，第2自由度电机包括第2自由度电机转子部分和第2自由度电机定子部分，第2自由度电机转子部分包括第二永磁体及其两侧的叠压第三转子铁心和第四转子铁心；

[0018] 第2自由度电机定子部分包括第二定子绕组和叠压的第三定子铁心和第四定子铁心，第一定子铁心的一端与底座相连，另一端与第2自由度电机的轴承相连；第2自由度电机转子部分中心轴线上设有第2自由度电机的转轴，使得转子部分固定套装在转轴上，相应转轴与轴承配合，使得第2自由度电机的定子部分与转子部分固定在一起。

[0019] 更进一步地，第三转子铁心和第四转子铁心外侧均匀布置若干转子小齿，且第三转子铁心和第四转子铁心上的转子小齿互错1/2齿距；

[0020] 第三定子铁心和第四定子铁心内侧均匀分布有磁极，极间槽内设有定子绕组，磁极的极靴上分布有与转子小齿齿距相同的若干定子小齿。这样使得第2自由度电机工作于混合式步进电动机状态。

[0021] 其中，第1自由度电机和第2自由度电机的转轴均为单出轴形式。

[0022] 进一步地，输出轴上直接安装有位置检测装置，以构成伺服系统、实现闭环控制，从而满足小体积、高精度、高性能的场合要求。

[0023] 其中，本发明的两个自由度电机的定子部分与定子端盖通过螺钉固定在一起，定子端盖上设有轴承，定子部分通过定子端盖和轴承与转子部分固定在一起。

[0024] 第1自由度电机的底部定子端盖可同时作为整体电机的底座，定子端盖与定子铁心固定，因此第1自由度电机的定子端盖和定子部分在空间静止不动，而转子部分和转轴可绕转轴的中心轴线(假定为X轴)在一定范围内转动。

[0025] 本发明的第二目的是提供了一种非球形正交结构两自由度混合式步进电动机的工作方法，包括：单个电机单独工作和两个电机共同工作这种状态；

[0026] 在单个电机单独工作状态下，第1自由度电机的定子绕组按一定顺序通电，第1自由度电机工作于混合式步进电动机状态，第1自由度电机的转子部分带动转轴和第2自由度电机整体绕X轴转动，使输出轴实现绕X轴方向摆动；或

[0027] 第2自由度电机的定子绕组按一定顺序通电，第2自由度电机工作于混合式步进电动机状态，第2自由度电机的转子部分带动转轴绕Y轴转动，使输出轴实现绕Y轴方向摆动；

[0028] 在两个电机共同工作这种状态下，第1自由度电机和第2自由度电机同时通电，第1自由度电机和第2自由度电机均工作于混合式步进电动机状态，第1自由度电机的转子部分带动转轴和第2自由度电机整体绕X轴转动，使输出轴实现绕X轴方向摆动，第2自由度电机的转子部分带动转轴绕Y轴转动，使输出轴实现绕Y轴方向摆动，最终实现输出轴在一定范围内绕X轴和Y轴作两自由度运动。

[0029] 本发明的第三目的是提供一种具有多个运动自由度的机器人，该具有多个运动自由度的机器人包括所述的非球形正交结构两自由度混合式步进电动机。

[0030] 本发明的第四目的是提供一种搅拌机，该搅拌机包括所述的非球形正交结构两自由度混合式步进电动机。

[0031] 本发明的第五目的是提供一种电动陀螺仪，该电动陀螺仪包括所述的非球形正交结构两自由度混合式步进电动机。

[0032] 本发明的非球形正交结构两自由度混合式步进电动机还应用于多坐标机械加工中心、航天飞行器、全方位跟踪天线、炮塔转台、人体假肢、医疗器械、摄像操作台、全景摄影操作台、球形阀等具有多个运动自由度的设备中。

[0033] 本发明的有益效果为：

[0034] (1)本发明的该混合步进电机扩展了多自由度电动机的种类，电机机械集成度和材料利用率较高，定位精度较高，输出轴的偏转范围较大，能够达到甚至超过±60°，电机本体和机械连接结构较为简单，加工制造容易，有利于实现多自由度电动机，特别是两自由度电动机的实用化、轻量化和小体积化。

[0035] (2)发明的该混合步进电机解决了电磁耦合问题。本发明的第1自由度电机和第2自由度电机是通过不导磁转轴固定在一起的，因此两者在电磁方面是相互独立的，之间不存在电磁耦合关系，极大简化了电机的电磁计算和性能分析，解决了多自由度电动机研究过程中的关键问题之一。

[0036] (3)发明的该混合步进电机彻底消除了机械方面的不平衡力，有利于电机平稳运行。本发明的第2自由度电机采用完整圆柱结构电机，不存在机械和电磁方面的不平衡力；通常情况下，底座为水平固定放置，即第1自由度电机只需进行水平摆动运行，因此彻底消除了重力以及由此产生的机械不平衡力对电机运行的影响，使得电机运行更加平稳；此外，第2自由度电机相对于第1自由度电机的转轴轴线(X轴)近似呈空间对称均质分布，并且其质心几乎位于X轴上，因此其在转动过程中始终作为第1自由度电机的恒定负载，有利于第1自由度电机的平稳运行。

[0037] (4)发明的该混合步进电机简化了电机制造和加工工艺。本发明的两个自由度电机在电磁方面是相互独立的，可以针对每个自由度电机单独进行电磁设计，此外，两个自由度电机可分别进行制造和加工，加工完成后进行简易组装即可，因此可以简化制造和加工工艺，保证每个自由度电机的加工精度，从而提高两自由度电动机整体的加工精度。

[0038] (5)发明的该混合步进电机能够简化电机的驱动控制系统。本发明的两个自由度电机均工作于混合式步进电动机状态且相互独立，因此可采用适用于混合式步进电动机的电流细分驱动控制方法对两个自由度电机单独进行驱动和控制，实现了两个自由度之间的解耦控制，便于进行轨迹规划和控制算法研究，此外，采用成熟的集成化细分驱动控制电路，大大简化了驱动控制系统的研制，便于开发计算机控制系统，提高控制驱动一体化、集成化程度。

[0039] (6)发明的该混合步进电机可实现开环位置控制，省去位置传感器，且开环控制定位精度较高。本发明的两个自由度电机均工作于混合式步进电动机状态且相互独立，因此可分别进行开环位置控制，开环控制定位精度的高低取决于每个自由度电机的步距角大小，而混合式步进电动机的优点在于，开环控制条件下可采用电流细分驱动方法提高定位精度，且电流细分数越大，定位精度越高，因此通过改变电流细分数即可满足不同的定位精度要求，彻底解决了普通正交圆柱结构两自由度电动机(图1)开环运行定位精度低的问题。

[0040] (7)发明的该混合步进电机提高了电动机整体的机械集成度。如图4所示，本发明的两个自由度电机是通过第1自由度电机的转轴固定连接在一起的，第1自由度电机转轴的设计使得第1自由度电机转子铁心内部和第2自由度电机定子端盖外部之间的空间得到了有效利用，相比于普通正交圆柱结构两自由度电动机(图1)和正交结构两自由度混合式步进电动机(图2)机械集成度更高；另一方面，底座的设计除了用于固定整体电机之外，还可用作第1自由度电机的定子端盖，进一步提高了机械集成度，有利于减小电机整体的体积。

[0041] (8)发明的该混合步进电机完善了电机结构设计的合理性，提高了电机的力矩性能。不同于传统的正交结构两自由度电动机(如图1，图2，图3)，本发明中起主要驱动作用的第1自由度电机采用大电机结构，起次要驱动作用的第2自由度电机采用小电机结构，并且第1自由度电机转子内径大于第2自由度电机的定子外径(如图4)，使得电机结构设计更为合理；另一方面，起主要驱动作用的第1自由度电机定、转子外径不受第2自由度电机尺寸的限制(如图4)，且定、转子铁心叠压长度可变化范围较大，因此可通过增加定、转子外径和定、转子叠压铁心长度来提高主驱动电机的力矩性能，从而提升电机整体的力矩性能指标。

[0042] (9)发明的该混合步进电机方便对电机进行性能测试和实验研究。一方面，本发明的两个自由度电机相互独立，因此可分别进行性能测试和实验研究。另一方面，第1自由度电机为单出轴的独立完整电机，可直接进行实验测试；对第2自由度电机进行实验测试时，可构造转子部分(包括转子铁心、永磁体)和转轴为完整圆柱结构的测试样机，测试样机相比于原电机尺寸结构参数不变但可进行大于360°转动，使得用于常规电机的实验测试可直接应用于测试样机。

[0043] (10)发明的该混合步进电机相比于传统的正交圆柱结构两自由度步进电动机(如图1，图2，图3)，本发明更容易安装位置检测装置以构成伺服系统，从而实现闭环控制，满足小体积、高精度、高性能的场合要求。

附图说明

[0044] 图1为正交圆柱结构两自由度电动机的整体结构示意图；

[0045] 图2为正交结构两自由度混合式步进电动机的整体结构示意图；

[0046] 图3为仿生眼球用两自由度混合式步进电动机的整体结构示意图；

[0047] 图4为本发明的整体结构图；

[0048] 图5为本发明的整体结构俯视图；

[0049] 图6为本发明的第1自由度电机和底座整体结构图；

[0050] 图7为本发明的第2自由度电机和输出轴整体结构图；

[0051] 图8为本发明的第1自由度电机结构分解图；

[0052] 图9为本发明的第2自由度电机结构分解图；

[0053] 图10为本发明第1自由度电机的定子绕组各线圈接线图；

[0054] 图11为本发明第2自由度电机的定子绕组各线圈接线图；

[0055] 图12为本发明的第1自由度电机转动60°的位置示意图；

[0056] 图13为本发明的第2自由度电机转动60°的位置示意图；

[0057] 图14为本发明的输出轴末端端点运行轨迹范围示意图；

[0058] 图15为传统正交结构两自由度电动机的输出轴末端端点运行轨迹范围示意图；

[0059] 图16为本发明第1自由度电机的实验测试样机整体结构图；

[0060] 图17为本发明第2自由度电机的实验测试样机结构分解图；

[0061] 图18为本发明用于闭环控制时的电机本体结构图；

[0062] 图19为本发明用于闭环控制时的电机本体+位置检测装置整体结构图。

[0063] 其中，1、第1自由度电机1；2、第2自由度电机；3、输出轴；4、底座4；5-1、第一定子端盖；5-3、第三定子端盖；5-4、第四定子端盖；6-1、第一轴承；6-2、第二轴承；6-3、第三轴承；6-4、第四轴承；7-1、第一转子铁心；7-2、第二转子铁心；7-3、第三转子铁心；7-4、第四转子铁心；8-1、第1自由度电机的转轴；8-2、第2自由度电机的转轴；9-1、第一永磁体；9-2、第二永磁体；10-1、第一定子铁心；10-2、第二定子铁心；12、输出轴末端端点运行轨迹所在球面；
13、固定第1自由度电机为-60°，第2自由度电机转动±60°时的运行轨迹曲线；14、固定第2自由度电机为-60°，第1自由度电机转动±60°时的运行轨迹曲线；15、固定第1自由度电机为+60°，第2自由度电机转动±60°时的运行轨迹曲线；16、固定第2自由度电机为+60°，第1自由度电机转动±60°时的运行轨迹曲线；17、第2自由度电机的支撑座；18、X轴编码器；19、Y轴编码器。

具体实施方式

[0064] 下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

[0065] 本发明的目的是为解决多自由度电动机，尤其是正交结构两自由度电动机存在的上述问题，进一步推动和实现多自由度电动机的实用化、产业化和商业化，提供一种非球形正交结构两自由度混合式步进电机。可以实现驱动机器人关节和机器人仿生眼球在一定范围内、一定精度下沿任何轨迹运动，而且比多数传统的球形多自由度电动机结构更为简单、更容易加工制造、转子偏转范围更大、体积更小、重量更轻、驱动电路更加简化、控制方式更为简单、运行平滑性更好。本发明的显著优点在于，减小了电磁方面的不平衡力、彻底消除了机械方面的不平衡力，可实现电动机的开环位置控制，省去位置传感器，并且即使在开环位置控制运行条件下，亦可通过采用细分驱动电路供电实现较高的定位精度。

[0066] 本发明的非球形正交结构两自由度混合式步进电动机与传统的两(多)自由度电动机相比具有结构原理简单、机械集成度高、设计计算方便、加工制造容易、驱动控制方式简单、可实现开环控制、开环控制定位精度高、闭环伺服系统构造简单的优势，不但可以用于对体积要求较高、对精度要求相对较低(开环控制)的场合，而且可以用于对体积和精度要求都较高(闭环控制)的场合，与其他两(多)自由度电机相比具有明显优势。

[0067] 实施例1

[0068] 本发明的第一目的是提供了一种非球形正交结构两自由度混合式步进电动机，如图4所示，该非球形正交结构两自由度混合式步进电动机包括第1自由度电机1、第2自由度电机2、输出轴3和底座4，两个自由度电机均为内转子电机，包括转子部分、定子部分、定子端盖、转轴；所述两个自由度电机的转子部分结构原理相同，包括永磁体及其两侧的两段叠压转子铁心，转子铁心外侧均匀布置若干小齿，两段转子铁心上的小齿互错1/2齿距；所述两个自由度电机的定子部分包括叠压定子铁心、定子绕组，定子铁心内侧均匀分布有磁极，极间槽内设有定子绕组，磁极的极靴上分布有与转子小齿齿距相同的若干定子小齿；所述两个自由度电机的定子部分与定子端盖通过螺钉固定在一起，定子端盖上设有轴承，转子中心线上设有转轴，转子部分固定套装在转轴上，转轴与轴承配合，定子部分通过定子端盖和轴承与转子部分固定在一起。

[0069] 其中，本发明的两个自由度电机也可以采用其他的结构形式，例如：

[0070] 两个自由度电机的转子铁心外周均匀加工有若干转子小齿，定子铁心内周均匀分布有定子大齿，每个定子大齿上加工有若干定子小齿；每个定子大齿上缠绕有集中形式的定子绕组；

[0071] 定子小齿与转子小齿的齿距相同，可以有效削弱电机转矩脉动，提高电机运行平稳性；

[0072] 每个自由度电机的两段转子铁心上的转子小齿相互错开1/2齿距，使得电机工作于混合式步进电动机状态；两个自由度电机的其他结构均与现有的结构相同。

[0073] 第1自由度电机1的定子部分包括第一定子铁心10-1、第一轴承6-1和第二轴承6-2。第1自由度电机1的转子部分包括第一转子铁心7-1、第二转子铁心7-2和第一永磁体9-1。
第2自由度电机1的定子部分包括第二定子铁心10-2、第三轴承6-3、第四轴承6-4。第2自由度电机2的转子部分包括第三转子铁心7-3、第四转子铁心7-4和第二永磁体9-2。

[0074] 其中，第1自由度电机1的第二定子端盖可同时作为整体电机的底座4，第一定子端盖5-1与第一定子铁心10-1固定，因此第1自由度电机1的第一定子端盖5-1、第二定子端盖和定子部分在空间静止不动，而转子部分和转轴8-1可绕转轴8-1的中心轴线(假定为X轴)在一定范围内转动；

[0075] 所述第1自由度电机1的转轴8-1主体为半圆柱型，转轴8-1主体外径大于第二定子铁心10-2外径，并且第1自由度电机1的转轴8-1主体的平面一侧开有足够大的槽口，使得第2自由度电机2整体能够嵌放到槽口里面；

[0076] 所述第1自由度电机1的转轴8-1与第2自由度电机2整体固定套装在一起，使得X轴与第2自由度电机2的转轴8-2中心线(假定为Y轴)垂直正交，因此第1自由度电机1的转轴8-1可带动第2自由度电机2整体绕X轴在一定范围内转动；

[0077] 所述第2自由度电机2的转轴8-2上设有输出轴3，输出轴3可接负载设备，并且输出轴3轴线(假定为S轴)与Y轴垂直正交，因此输出轴3可在第1自由度电机1和第2自由度电机2作用下分别绕X轴和Y轴在一定范围内转动，从而带动负载设备实现两自由度运动。

[0078] 所述两个自由度电机的转轴8-1、8-2均可设计为单出轴形式，出轴部分可直接安装位置检测装置以构成伺服系统、实现闭环控制，从而满足小体积、高精度、高性能的场合要求。

[0079] 本发明用作两相电动机时，实现两自由度运行原理如下：

[0080] 第1自由度电机通电产生永磁磁通Φ1，永磁磁通Φ1依次经半圆环永磁体→第1自由度电机的一段转子铁心→气隙→第1自由度电机的定子铁心→气隙→第1自由度电机的另一段转子铁心→半圆环永磁体形成闭合回路，当第1自由度电机的定子绕组按一定顺序通电时，第1自由度电机工作于混合式步进电动机状态，第1自由度电机的转子部分带动转轴和第2自由度电机整体绕X轴转动，使输出轴实现绕X轴方向摆动；

[0081] 第2自由度电机通电产生永磁磁通Φ2，永磁磁通Φ2依次经环形永磁体→第2自由度电机的一段转子铁心→气隙→第2自由度电机的定子铁心→气隙→第2自由度电机的另一段转子铁心→环形永磁体形成闭合回路，当第2自由度电机的定子绕组按一定顺序通电时，第2自由度电机工作于混合式步进电动机状态，第2自由度电机的转子部分带动转轴绕Y轴转动，使输出轴实现绕Y轴方向摆动；

[0082] 给第1自由度电机和第2自由度电机同时通电，使输出轴实现在一定范围内绕X轴和Y轴作两自由度运动。

[0083] 具体地，如图4、图6、图8、图10所示，第1自由度电机1的定子部分和第一定子端盖5-1通过底座4固定不动；其中，第1自由度电机1的定子部分还包括定子绕组11-1(+A)、11-2(+B)、11-3(-A)、11-4(-B)。

[0084] 当两相定子绕组按(+A)—(+B)—(-A)—(-B)的顺序通电时，转子部分和转轴8-1可通过第一轴承6-1、第二轴承6-2绕X轴转动,并驱动输出轴3和第2自由度电机2整体绕X轴转动。

[0085] 第2自由度电机1的定子部分包括第二定子铁心10-2、第三轴承6-3、第四轴承6-4。在此基础上，当第2自由度电机2的两相定子绕组(11-5(+A)～11-12(-B)按(+A)—(+B)—(-A)—(-B)的顺序通电时，其转子部分和转轴8-2可通过第三轴承6-3、第四轴承6-4绕Y轴转动，并驱动输出轴3绕Y轴转动，如图4、图7、图9、图11所示。

[0086] 因此，输出轴3可在第1自由度电机1、第2自由度电机2驱动下分别绕X轴、Y轴转动，并且两个自由度电机的运动相互独立，从而实现两自由度运动。其中，第1自由度电机1的极限转动角度如图12中的θ1(θ1≥60°)所示，第2自由度电机2的极限转动角度取决于输出轴3的长度，若输出轴3较长，则第2自由度电机2的极限转动角度为(360°-2θ2)(θ2定义为输出轴3末端端点接触到底座4所在平面时S轴与X轴的夹角，如图13所示)，若输出轴3较短，则第2自由度电机2可进行超过360°自由转动。

[0087] 本发明与传统的正交结构两自由度电动机(如图1，图2，图3)均可实现两自由度运动，但两者输出轴3的末端端点运行轨迹有所区别，原因在于：尽管两者的X轴和Y轴在空间始终垂直正交、交点位置恒定不变，并且输出轴3的轴线(假定为S轴)始终垂直于Y轴，但本发明的S轴不穿过X轴和Y轴交点，而传统正交结构两自由度电动机的S轴始终穿过X轴和Y轴交点。下面将结合附图详细介绍两者输出轴3末端端点运行轨迹的异同之处。以两个自由度电机的转动角度θ1＝θ2＝±60°、步距角(每步进运行一步转过的机械角度)1.8°、输出轴3末端端点到X轴和Y轴交点的距离相同为例，本发明和传统正交结构两自由度电动机的输出轴3末端端点运行区域恰好包含在曲线13、曲线14、曲线15、曲线16所围成的球面区域范围之内，如图14、图15所示，这一球面区域范围内的点阵即为输出轴3末端端点所能达到达的空间所有位置。

[0088] 曲线13为固定第1自由度电机为-60°，第2自由度电机转动±60°时的运行轨迹曲线；曲线14为固定第2自由度电机为-60°，第1自由度电机转动±60°时的运行轨迹曲线；曲线15为固定第1自由度电机为+60°，第2自由度电机转动±60°时的运行轨迹曲线；曲线16为固定第2自由度电机为+60°，第1自由度电机转动±60°时的运行轨迹曲线。

[0089] 两者输出轴3末端端点的运行轨迹相比，相同之处在于：运行轨迹位均于同一球面12上；不同之处在于：(1)当第1自由度电机的转角位置恒定、第2自由度电机绕Y轴在±60°范围内转动时，本发明的运行轨迹曲线与球面12上的经线相互交叉，传统正交结构两自由度电动机的运行轨迹曲线与球面12上的经线重合，(2)当第2自由度电机的转角位置恒定、第1自由度电机绕X轴在±60°范围内转动时，本发明和传统正交结构两自由度电动机的运行轨迹曲线均与球面12上的纬线重合，但本发明运行轨迹曲线所在纬线的维度小于传统正交结构两自由度电动机运行轨迹曲线所在纬线的维度。可见，传统正交结构两自由度电动机的输出轴末端端点采用的是经纬线运行轨迹及定位方式，因此属于广义上的球形结构两自由度电动机，而本发明输出轴末端端点的运行轨迹及定位方式均区别于传统的球形正交结构两自由度电动机，因此属于非球形两自由度电动机；此外，本发明两个自由度电机的转动轴线(X轴和Y轴)相互垂直正交，因此属于正交结构两自由度电动机。综上，本发明的本质特征是一种非球形正交结构两自由度电动机。由图14、图15可见，电机的步距角越小，则点阵中相邻两点的球面距离越近，表示输出轴末端端点的定位精度越高。实际当中，通常采用电流细分驱动方式(混合式步进电动机采用电流细分驱动方式为现有技术，是本领域公知常识)以减小步距角，并且电流细分数越大，步距角越小、定位精度越高。例如，当采用64电流细分驱动时，步距角可减小为1.8°/64，约为0.03°，这在开环运行条件下已经是非常高的定位精度。

[0090] 本发明通常用作两相和三相电动机结构，其中，第2自由度电机为普通结构混合式步进电动机，其定子绕组接线方式、定子磁极数及定转子齿数的确定方法属于本领域公知常识，在此重点介绍第1自由度电机。第1自由度电机的定子绕组接线方式与普通结构混合式步进电动机相同，其定转子齿距角θr(机械角度)有4种确定方法，分别为：(1)θr＝360°/[j(4mk+2)]，(2)θr＝360°/[j(4mk-2)]，(3)θr＝360°/[j(4mk+2m-2)]，(4)θr＝360°/[j(4mk-2m+2)]；定子磁极数为2m，相邻两个定子磁极相互错开(n+0.5/m)θr；每个定子磁极上的定子齿数为n。其中，j，k，n均为正整数，m为电机相数，n的选取需保证相邻两个定子磁极之间留有一定大小的空隙，以方便嵌放定子绕组。以本发明用作两相(m＝2)电动机为例，当选取j＝1，k＝6，n＝3时，其第一定子铁心10-1及定子绕组接线方式如图10所示，其中，定转子齿距角为θr＝360°/50＝7.2°，定子磁极数为2m＝4，相邻两个定子磁极相互错开(n+0.5/m)θr＝23.4°，每极定子齿数为n＝3，定子绕组接线按磁极的顺序依次为(+A)—(+B)—(-A)—(-B)。

[0091] 相比于传统的正交结构两自由度电动机(如图1，图2，图3)，本发明的显著优势之一体现在容易构造测试样机并进行性能测试和实验研究，这为缩短本发明从产品初步设计到产品性能完善的研发周期奠定了基础，有利于推动本发明产品的实用化、产业化和商业化进程。下面结合图4、图6、图7、图16、图17具体说明本发明测试样机的构造方法以及性能测试和实验研究方法。本发明电机整体(如图4)是由两个相互独立的完整圆柱结构电机组成的，即第1自由度电机1(如图6)和第2自由度电机2(如图7)，并且能分别构造测试样机并进行实验测试。其中，第2自由度电机2为单出轴的普通混合式步进电动机，可安装第2自由度电机的支撑座17后直接作为测试样机进行实验测试，如图17所示。第1自由度电机1为内转子混合式步进电动机，由于转子为部分圆柱结构，无法进行大于360°转动，因而较难直接进行实验测试，有必要构造图16所示的测试样机，具体构造方法如下：(1)将第一转子铁心7-1、第二转子铁心7-2、转轴8-1、第一永磁体9-1补充为完整的圆柱结构；(2)将转轴8-1的一端加长，并且在第一定子端盖5-1上开孔，使得加长的转轴部分能够伸出。对于两个自由度电机的测试样机，当两相定子绕组按(+A)—(+B)—(-A)—(-B)的顺序通电时，样机可以像普通混合式步进电动机一样转动，因而可进行一系列性能测试和实验研究，主要包括：
(1)进行空载实验，测量样机在一定转速下的空载反电动势，以验证样机空载电磁设计的准确性和合理性；(2)进行静态负载实验，测量样机的矩角特性，以验证样机负载情况下静态转矩设计的准确性和合理性；(3)进行稳态负载实验，测量样机的矩频特性，获得样机转矩随转速的变化规律，以确定样机的最佳运行转速范围；(4)进行电机起动实验，测量样机的空载和负载情况下最大起动频率，以确定样机的起动转速范围；(5)进行开环运行定位精度测试实验，通过在样机转轴上安装编码器或角度传感器，可以测量样机实际转动的角度数值(可在不同负载情况下进行多组测量)，将此实测数值与开环控制运行条件下的理论数值(驱动器输出总的脉冲数乘以样机步距角)进行比较，可以进行误差分析，从而确定样机的开环运行定位精度。

[0092] 相比于传统的球形结构多自由度电动机和正交结构两自由度电动机(如图1，图2，图3)，本发明的显著优势还体现在容易安装位置检测装置以构成伺服系统，从而实现闭环控制，这为本发明用于小体积、高精度、高性能的场合奠定了基础，可进一步推动本发明产品的实用化、产业化和商业化进程。下面结合图18、图19具体说明本发明用于闭环控制时的电机整体构造方法：(1)将第1自由度电机1的转轴8-1的一端加长，并且在第一定子端盖5-1上开孔，使得加长的转轴部分能够伸出；(2)将输出轴3设计成图18所示的结构，可以外接负载；(3)在第1自由度电机1的转轴8-1、第2自由度电机2的转轴8-2上分别安装X轴编码器18、Y轴编码器19，X轴编码器18、Y轴编码器19，即可作为电机的位置检测装置。

[0093] 实施例2

[0094] 本发明的第二目的是提供了一种非球形正交结构两自由度混合式步进电动机的工作方法，包括：单个电机单独工作和两个电机共同工作这种状态；

[0095] 在单个电机单独工作状态下，第1自由度电机的定子绕组按一定顺序通电，第1自由度电机工作于混合式步进电动机状态，第1自由度电机的转子部分带动转轴和第2自由度电机整体绕X轴转动，使输出轴实现绕X轴方向摆动；或

[0096] 第2自由度电机的定子绕组按一定顺序通电，第2自由度电机工作于混合式步进电动机状态，第2自由度电机的转子部分带动转轴绕Y轴转动，使输出轴实现绕Y轴方向摆动；

[0097] 在两个电机共同工作这种状态下，第1自由度电机和第2自由度电机同时通电，第1自由度电机和第2自由度电机均工作于混合式步进电动机状态，第1自由度电机的转子部分带动转轴和第2自由度电机整体绕X轴转动，使输出轴实现绕X轴方向摆动，第2自由度电机的转子部分带动转轴绕Y轴转动，使输出轴实现绕Y轴方向摆动，最终实现输出轴在一定范围内绕X轴和Y轴作两自由度运动。

[0098] 实施例3

[0099] 本发明的第三目的是提供一种具有多个运动自由度的机器人，该具有多个运动自由度的机器人包括所述的非球形正交结构两自由度混合式步进电动机。具有多个运动自由度的机器人的其他结构均与现有结构相同，此处将不再累述。

[0100] 实施例4

[0101] 本发明的第四目的是提供一种搅拌机，该搅拌机包括所述的非球形正交结构两自由度混合式步进电动机。搅拌机的其他结构均与现有结构相同，此处将不再累述。

[0102] 实施例5

[0103] 本发明的第五目的是提供一种电动陀螺仪，该电动陀螺仪包括所述的非球形正交结构两自由度混合式步进电动机。电动陀螺仪的其他结构均与现有结构相同，此处将不再累述。

[0104] 本发明的非球形正交结构两自由度混合式步进电动机还应用于多坐标机械加工中心、航天飞行器、全方位跟踪天线、炮塔转台、人体假肢、医疗器械、摄像操作台、全景摄影操作台、球形阀等具有多个运动自由度的设备中。

[0105] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。