專利名稱：空間機(jī)械臂用無通電結(jié)構(gòu)電機(jī)制動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種空間機(jī)械臂用無通電結(jié)構(gòu)電機(jī)制動(dòng)器，屬于電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
機(jī)械臂系統(tǒng)中電機(jī)需要快速的制動(dòng)以保證其控制位置的精度。普通工業(yè)用機(jī)械臂的制動(dòng)可以采用多種方式，如利用電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)、加單獨(dú)制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng)等。利用電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)包括反接制動(dòng)和能耗制動(dòng)等方式，它們的實(shí)現(xiàn)方式會(huì)增加控制電路系統(tǒng)中電路的復(fù)雜性，給系統(tǒng)造成相對的安全隱患，在航天應(yīng)用領(lǐng)域，如空間機(jī)械臂領(lǐng)域不適合。還可以采用單獨(dú)的制動(dòng)器，這種單獨(dú)的制動(dòng)器有電磁式和機(jī)械接觸式，機(jī)械接觸式存在磨損的缺陷；電磁式則需要單獨(dú)的電路來進(jìn)行控制，對于航天用電機(jī)系統(tǒng)的制動(dòng)，多出一套單獨(dú)控制電路和電源使設(shè)備的復(fù)雜性提高，會(huì)造成許多不確定因素；同時(shí)電磁式制動(dòng)器磁場密度小，在完成相同制動(dòng)轉(zhuǎn)矩前提下制動(dòng)器體積較大，質(zhì)量較大，不利于其在航天系統(tǒng)中的應(yīng)用。綜上所述，已有的機(jī)械臂系統(tǒng)中對電機(jī)制動(dòng)的實(shí)現(xiàn)均需要通電才能進(jìn)行，它們的實(shí)現(xiàn)方式均不適用于空間機(jī)械臂用系統(tǒng)中對電機(jī)的制動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種空間機(jī)械臂用無通電結(jié)構(gòu)電機(jī)制動(dòng)器，它實(shí)現(xiàn)了無通電情況下對空間機(jī)械臂系統(tǒng)中電機(jī)的制動(dòng)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中需要通電才能對電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)，而使系統(tǒng)控制電路復(fù)雜的問題。 本發(fā)明包括永磁式定子和渦流轉(zhuǎn)子，所述永磁式定子包括多對定子磁極和定子磁
極軛，多對定子磁極的N極與S極相互間隔粘接在定子磁極軛的內(nèi)圓表面上；所述渦流轉(zhuǎn)子
包括渦流轉(zhuǎn)子銅環(huán)和轉(zhuǎn)子鐵軛支架，轉(zhuǎn)子鐵軛支架支撐于轉(zhuǎn)子銅環(huán)的內(nèi)圓表面；渦流轉(zhuǎn)子
銅環(huán)的外圓表面與定子磁極的內(nèi)圓表面之間為氣隙；所述轉(zhuǎn)子鐵軛支架和定子磁極軛的材
質(zhì)均為導(dǎo)磁性材料。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是 本發(fā)明采用無通電結(jié)構(gòu)，在使用中可直接與空間機(jī)械臂系統(tǒng)中電機(jī)的轉(zhuǎn)軸固定安裝，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的制動(dòng)。渦流轉(zhuǎn)子銅環(huán)切割永磁式定子形成的永磁交變磁場，可在渦流轉(zhuǎn)子銅環(huán)中產(chǎn)生渦流電流，進(jìn)而形成對電機(jī)具有制動(dòng)作用的電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。由于制動(dòng)器整體無需通電，并且為無繞組結(jié)構(gòu)，不需要控制電路對其進(jìn)行控制，所以實(shí)現(xiàn)方式簡單，對被制動(dòng)電機(jī)的控制電路無影響；本發(fā)明的制動(dòng)方式為無接觸式，無磨損，所以使用壽命長；同時(shí)本發(fā)明裝置的整體體積小、重量輕，從而本身固有的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，具有整體性好、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。


圖l是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是帶有轉(zhuǎn)子端環(huán)的渦流轉(zhuǎn)子的軸向剖示圖；圖3是本發(fā)明安裝于被制動(dòng)電機(jī)時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中3表示被制動(dòng)電機(jī)的機(jī)殼，4表示被制動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，5表示被制動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心，6表示被制動(dòng)電機(jī)的定子鐵心；圖4是本發(fā)明產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的原理圖，圖中n為被制動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)方向，I為渦流電流，T為電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一 下面結(jié)合圖1、圖3和圖4說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式包括永磁式定子1和渦流轉(zhuǎn)子2，所述永磁式定子1包括多對定子磁極1-1和定子磁極軛1-2，多對定子磁極1-1的N極與S極相互間隔粘接在定子磁極軛1-2的內(nèi)圓表面上；所述渦流轉(zhuǎn)子2包括渦流轉(zhuǎn)子銅環(huán)2-1和轉(zhuǎn)子鐵軛支架2-2，轉(zhuǎn)子鐵軛支架2-2支撐于轉(zhuǎn)子銅環(huán)2-1的內(nèi)圓表面；渦流轉(zhuǎn)子銅環(huán)2-1的外圓表面與定子磁極l-l的內(nèi)圓表面之間為氣隙；所述轉(zhuǎn)子鐵軛支架2-2和定子磁極軛1-2的材質(zhì)均為導(dǎo)磁性材料。 轉(zhuǎn)子鐵軛支架2-2采用導(dǎo)磁性材料制成，對渦流轉(zhuǎn)子銅環(huán)2-1具有支撐與導(dǎo)磁兩種作用，可以選用導(dǎo)磁性不銹鋼或者10號(hào)鋼等材料。
工作原理 將本發(fā)明的渦流轉(zhuǎn)子2套接于空間機(jī)械臂系統(tǒng)中電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)軸4上并緊固，永磁式定子1置于電機(jī)軸系不動(dòng)的機(jī)殼3內(nèi)部緊固，當(dāng)機(jī)械臂系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，制動(dòng)器的作用可以忽略；當(dāng)機(jī)械臂系統(tǒng)中電機(jī)斷電時(shí)，與電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)軸4同軸旋轉(zhuǎn)的渦流轉(zhuǎn)子2與永磁式定子1之間具有相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。首先，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，渦流轉(zhuǎn)子2旋轉(zhuǎn)，永磁式定子1靜止，它們之間具有相對運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)磁場會(huì)在渦流轉(zhuǎn)子銅環(huán)2-1中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，進(jìn)而在渦流轉(zhuǎn)子銅環(huán)2-1中產(chǎn)生渦流電流，其為環(huán)形渦流，如圖4所示，此環(huán)形渦流在定子磁極下為軸向，在渦流轉(zhuǎn)子銅環(huán)2-1端部閉合。 同時(shí)，如果渦流轉(zhuǎn)子2只采用渦流轉(zhuǎn)子銅環(huán)2-1，由于銅為非導(dǎo)磁材料，會(huì)導(dǎo)致氣隙磁密過小。因此在渦流轉(zhuǎn)子銅環(huán)2-l內(nèi)部增加由導(dǎo)磁材料構(gòu)成的轉(zhuǎn)子鐵軛支架2-2。這樣能夠盡量減小渦流轉(zhuǎn)子銅環(huán)2-1的厚度與氣隙的大小，使氣隙磁密相對增大。但渦流轉(zhuǎn)子銅環(huán)2-1過薄會(huì)使其電阻增加，使相同感應(yīng)電勢下的制動(dòng)渦流電流減少，降低制動(dòng)力矩。因此選擇一個(gè)最佳比例非常重要，目的是在渦流轉(zhuǎn)子2盡量短的軸向長度上，產(chǎn)生盡可能大的電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即最小重量下的最大轉(zhuǎn)矩。 本發(fā)明在電機(jī)斷電的時(shí)候可以自動(dòng)產(chǎn)生阻尼作用并迫使整個(gè)系統(tǒng)快速停止旋轉(zhuǎn)
運(yùn)動(dòng)。對于高轉(zhuǎn)速情況下的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩呈明顯增加趨勢，對于系統(tǒng)突然失控導(dǎo)致的機(jī)械臂滑
脫狀態(tài)具有抑制作用。其工作原理為 根據(jù)電磁感應(yīng)定律，渦流電勢E滿足如下公式 E = 4.44fV 其中V-為磁鏈； f-為同步旋轉(zhuǎn)頻率； 可以看出隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速增高，渦流電勢增高，從而渦流電流增高，由于制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小與渦流電流的大小成正比，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增高，渦流制動(dòng)轉(zhuǎn)矩增高，因此在機(jī)械臂系統(tǒng)出現(xiàn)滑脫時(shí)，渦流制動(dòng)轉(zhuǎn)矩迅速增加，可以進(jìn)行快速制動(dòng)。 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對空間機(jī)械臂系統(tǒng)中電機(jī)的無通電制動(dòng)，對機(jī)械臂系統(tǒng)斷電之后可以自動(dòng)產(chǎn)生阻尼制動(dòng)，也可以在機(jī)械臂出現(xiàn)故障而產(chǎn)生快速滑脫時(shí)，起到阻尼作用。該裝置
4與機(jī)械臂系統(tǒng)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)、安裝，不需要單獨(dú)的軸系。制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大小與轉(zhuǎn)速近似成線性 正比關(guān)系，能夠?qū)﹄姍C(jī)快速的制動(dòng)以保證其控制位置的精度。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，加工方便， 適于批量生產(chǎn)。
具體實(shí)施方式
二 下面結(jié)合圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不 同之處在于所述渦流轉(zhuǎn)子2還包括轉(zhuǎn)子端環(huán)2-3，轉(zhuǎn)子端環(huán)2-3包覆于轉(zhuǎn)子銅環(huán)2-1的兩端 面及外圓表面。其它組成及連接關(guān)系與實(shí)施方式一相同。 為獲得較大的渦流轉(zhuǎn)矩，對渦流轉(zhuǎn)子銅環(huán)2-l增加了轉(zhuǎn)子端環(huán)2-3結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子端環(huán) 2-3能夠進(jìn)一步引導(dǎo)渦流轉(zhuǎn)子銅環(huán)2-1端部的電流構(gòu)成回路，可以在盡量短的軸向長度上， 產(chǎn)生盡可能大的電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即最小重量下的最大轉(zhuǎn)矩。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與實(shí)施方式二的不同之處在于所述渦流轉(zhuǎn)子銅環(huán) 2-1和轉(zhuǎn)子端環(huán)2-3的材質(zhì)均為紫銅。其它組成及連接關(guān)系與實(shí)施方式二相同。
渦流轉(zhuǎn)子銅環(huán)2-1作為渦流力矩產(chǎn)生裝置，與轉(zhuǎn)子端環(huán)2-3同時(shí)采用高導(dǎo)電率的 紫銅制成，能夠增加渦流轉(zhuǎn)子的導(dǎo)電性能。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與實(shí)施方式一、二或三的不同之處在于所述各定子 磁極1-1大小相等并在定子磁極軛1-2上無縫設(shè)置。其它組成及連接關(guān)系與實(shí)施方式一、 二或三相同。 所述每塊定子磁極1-1呈瓦塊式結(jié)構(gòu)，為勵(lì)磁磁源，各定子磁極1-1大小相等并且 沒有間隙，會(huì)使氣隙磁場密度均勻并且使磁場密度相對增大。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與實(shí)施方式一、二、三或四的不同之處在于所述多對 定子磁極1-1的極對數(shù)為6-8。其它組成及連接關(guān)系與實(shí)施方式一、二、三或四相同。
多對定子磁極1-1的磁極對數(shù)的優(yōu)化可以保證最小體積下產(chǎn)生最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。從 設(shè)計(jì)的角度看，磁極過多會(huì)導(dǎo)致磁極間漏磁增加，使得有效磁通減少導(dǎo)致電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩減 小。磁極過少，由于采用平行充磁，造成磁極下平均磁密減少也會(huì)導(dǎo)致電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小。 因此存在磁極優(yōu)化問題。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)確定最佳定子磁極1-1的極對數(shù)。
權(quán)利要求
一種空間機(jī)械臂用無通電結(jié)構(gòu)電機(jī)制動(dòng)器，其特征在于它包括永磁式定子(1)和渦流轉(zhuǎn)子(2)，所述永磁式定子(1)包括多對定子磁極(1-1)和定子磁極軛(1-2)，多對定子磁極(1-1)的N極與S極相互間隔粘接在定子磁極軛(1-2)的內(nèi)圓表面上；所述渦流轉(zhuǎn)子(2)包括渦流轉(zhuǎn)子銅環(huán)(2-1)和轉(zhuǎn)子鐵軛支架(2-2)，轉(zhuǎn)子鐵軛支架(2-2)支撐于轉(zhuǎn)子銅環(huán)(2-1)的內(nèi)圓表面；渦流轉(zhuǎn)子銅環(huán)(2-1)的外圓表面與定子磁極(1-1)的內(nèi)圓表面之間為氣隙；所述轉(zhuǎn)子鐵軛支架(2-2)和定子磁極軛(1-2)的材質(zhì)均為導(dǎo)磁性材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間機(jī)械臂用無通電結(jié)構(gòu)電機(jī)制動(dòng)器，其特征在于所述渦流轉(zhuǎn)子(2)還包括轉(zhuǎn)子端環(huán)(2-3)，轉(zhuǎn)子端環(huán)(2-3)包覆于轉(zhuǎn)子銅環(huán)(2-1)的兩端面及外圓表面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的空間機(jī)械臂用無通電結(jié)構(gòu)電機(jī)制動(dòng)器，其特征在于所述渦流轉(zhuǎn)子銅環(huán)(2-1)和轉(zhuǎn)子端環(huán)(2-3)的材質(zhì)均為紫銅。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的空間機(jī)械臂用無通電結(jié)構(gòu)電機(jī)制動(dòng)器，其特征在于所述各定子磁極(1-1)大小相等并在定子磁極軛(1-2)上無縫設(shè)置。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的空間機(jī)械臂用無通電結(jié)構(gòu)電機(jī)制動(dòng)器，其特征在于所述多對定子磁極(1-1)的極對數(shù)為6-8。
全文摘要
空間機(jī)械臂用無通電結(jié)構(gòu)電機(jī)制動(dòng)器，屬于電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。它實(shí)現(xiàn)了無通電情況下對空間機(jī)械臂系統(tǒng)中電機(jī)的制動(dòng)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中需要通電才能對電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)使系統(tǒng)控制電路復(fù)雜的問題。它包括永磁式定子和渦流轉(zhuǎn)子，所述永磁式定子包括多對定子磁極和定子磁極軛，多對定子磁極的N極與S極相互間隔粘接在定子磁極軛的內(nèi)圓表面上；所述渦流轉(zhuǎn)子包括渦流轉(zhuǎn)子銅環(huán)和轉(zhuǎn)子鐵軛支架，轉(zhuǎn)子鐵軛支架支撐于轉(zhuǎn)子銅環(huán)的內(nèi)圓表面；渦流轉(zhuǎn)子銅環(huán)的外圓表面與定子磁極的內(nèi)圓表面之間為氣隙；所述轉(zhuǎn)子鐵軛支架和定子磁極軛的材質(zhì)均為導(dǎo)磁性材料。本發(fā)明用于空間機(jī)械臂用電機(jī)的制動(dòng)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H02K49/04GK101707461SQ20091031062
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月30日
發(fā)明者尚靜, 張誠誠, 徐永向, 胡建輝, 鄒繼斌, 陸永平 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)