專利名稱：空間機械臂用無通電結構電機制動器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種空間機械臂用無通電結構電機制動器，屬于電機技術領域。
背景技術：
機械臂系統中電機需要快速的制動以保證其控制位置的精度。普通工業用機械臂的制動可以采用多種方式，如利用電機進行制動、加單獨制動器進行制動等。利用電機進行制動包括反接制動和能耗制動等方式，它們的實現方式會增加控制電路系統中電路的復雜性，給系統造成相對的安全隱患，在航天應用領域，如空間機械臂領域不適合。還可以采用單獨的制動器，這種單獨的制動器有電磁式和機械接觸式，機械接觸式存在磨損的缺陷；電磁式則需要單獨的電路來進行控制，對于航天用電機系統的制動，多出一套單獨控制電路和電源使設備的復雜性提高，會造成許多不確定因素；同時電磁式制動器磁場密度小，在完成相同制動轉矩前提下制動器體積較大，質量較大，不利于其在航天系統中的應用。綜上所述，已有的機械臂系統中對電機制動的實現均需要通電才能進行，它們的實現方式均不適用于空間機械臂用系統中對電機的制動。
發明內容
本發明的目的是提供一種空間機械臂用無通電結構電機制動器，它實現了無通電情況下對空間機械臂系統中電機的制動，解決了現有技術中需要通電才能對電機進行制動，而使系統控制電路復雜的問題。 本發明包括永磁式定子和渦流轉子，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圓表面上；所述渦流轉子
包括渦流轉子銅環和轉子鐵軛支架，轉子鐵軛支架支撐于轉子銅環的內圓表面；渦流轉子
銅環的外圓表面與定子磁極的內圓表面之間為氣隙；所述轉子鐵軛支架和定子磁極軛的材
質均為導磁性材料。 本發明的優點是 本發明采用無通電結構，在使用中可直接與空間機械臂系統中電機的轉軸固定安裝，實現對電機的制動。渦流轉子銅環切割永磁式定子形成的永磁交變磁場，可在渦流轉子銅環中產生渦流電流，進而形成對電機具有制動作用的電磁制動轉矩。由于制動器整體無需通電，并且為無繞組結構，不需要控制電路對其進行控制，所以實現方式簡單，對被制動電機的控制電路無影響；本發明的制動方式為無接觸式，無磨損，所以使用壽命長；同時本發明裝置的整體體積小、重量輕，從而本身固有的轉動慣量小，具有整體性好、體積小、結構緊湊的優點。
圖l是本發明的整體結構示意圖；圖2是帶有轉子端環的渦流轉子的軸向剖示圖；圖3是本發明安裝于被制動電機時的結構示意圖，圖中3表示被制動電機的機殼，4表示被制動電機的轉軸，5表示被制動電機的轉子鐵心，6表示被制動電機的定子鐵心；圖4是本發明產生制動轉矩的原理圖，圖中n為被制動電機轉軸的旋轉方向，I為渦流電流，T為電磁制動轉矩。
具體實施例方式
具體實施方式
一 下面結合圖1、圖3和圖4說明本實施方式，本實施方式包括永磁式定子1和渦流轉子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的內圓表面上；所述渦流轉子2包括渦流轉子銅環2-1和轉子鐵軛支架2-2，轉子鐵軛支架2-2支撐于轉子銅環2-1的內圓表面；渦流轉子銅環2-1的外圓表面與定子磁極l-l的內圓表面之間為氣隙；所述轉子鐵軛支架2-2和定子磁極軛1-2的材質均為導磁性材料。 轉子鐵軛支架2-2采用導磁性材料制成，對渦流轉子銅環2-1具有支撐與導磁兩種作用，可以選用導磁性不銹鋼或者10號鋼等材料。
工作原理 將本發明的渦流轉子2套接于空間機械臂系統中電機的機械轉軸4上并緊固，永磁式定子1置于電機軸系不動的機殼3內部緊固，當機械臂系統正常運行時，制動器的作用可以忽略；當機械臂系統中電機斷電時，與電機的機械轉軸4同軸旋轉的渦流轉子2與永磁式定子1之間具有相對旋轉運動。首先，根據電磁感應定律，渦流轉子2旋轉，永磁式定子1靜止，它們之間具有相對運動，旋轉磁場會在渦流轉子銅環2-1中產生感應電勢，進而在渦流轉子銅環2-1中產生渦流電流，其為環形渦流，如圖4所示，此環形渦流在定子磁極下為軸向，在渦流轉子銅環2-1端部閉合。 同時，如果渦流轉子2只采用渦流轉子銅環2-1，由于銅為非導磁材料，會導致氣隙磁密過小。因此在渦流轉子銅環2-l內部增加由導磁材料構成的轉子鐵軛支架2-2。這樣能夠盡量減小渦流轉子銅環2-1的厚度與氣隙的大小，使氣隙磁密相對增大。但渦流轉子銅環2-1過薄會使其電阻增加，使相同感應電勢下的制動渦流電流減少，降低制動力矩。因此選擇一個最佳比例非常重要，目的是在渦流轉子2盡量短的軸向長度上，產生盡可能大的電磁制動轉矩，即最小重量下的最大轉矩。 本發明在電機斷電的時候可以自動產生阻尼作用并迫使整個系統快速停止旋轉
運動。對于高轉速情況下的制動轉矩呈明顯增加趨勢，對于系統突然失控導致的機械臂滑
脫狀態具有抑制作用。其工作原理為 根據電磁感應定律，渦流電勢E滿足如下公式 E = 4.44fV 其中V-為磁鏈； f-為同步旋轉頻率； 可以看出隨著電機轉速增高，渦流電勢增高，從而渦流電流增高，由于制動轉矩的大小與渦流電流的大小成正比，隨著電機轉速的增高，渦流制動轉矩增高，因此在機械臂系統出現滑脫時，渦流制動轉矩迅速增加，可以進行快速制動。 本發明實現了對空間機械臂系統中電機的無通電制動，對機械臂系統斷電之后可以自動產生阻尼制動，也可以在機械臂出現故障而產生快速滑脫時，起到阻尼作用。該裝置
4與機械臂系統進行一體化設計、安裝，不需要單獨的軸系。制動轉矩大小與轉速近似成線性 正比關系，能夠對電機快速的制動以保證其控制位置的精度。本發明結構簡單，加工方便， 適于批量生產。
具體實施方式
二 下面結合圖2說明本實施方式，本實施方式與實施方式一的不 同之處在于所述渦流轉子2還包括轉子端環2-3，轉子端環2-3包覆于轉子銅環2-1的兩端 面及外圓表面。其它組成及連接關系與實施方式一相同。 為獲得較大的渦流轉矩，對渦流轉子銅環2-l增加了轉子端環2-3結構，轉子端環 2-3能夠進一步引導渦流轉子銅環2-1端部的電流構成回路，可以在盡量短的軸向長度上， 產生盡可能大的電磁制動轉矩，即最小重量下的最大轉矩。
具體實施方式
三本實施方式與實施方式二的不同之處在于所述渦流轉子銅環 2-1和轉子端環2-3的材質均為紫銅。其它組成及連接關系與實施方式二相同。
渦流轉子銅環2-1作為渦流力矩產生裝置，與轉子端環2-3同時采用高導電率的 紫銅制成，能夠增加渦流轉子的導電性能。
具體實施方式
四本實施方式與實施方式一、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上無縫設置。其它組成及連接關系與實施方式一、 二或三相同。 所述每塊定子磁極1-1呈瓦塊式結構，為勵磁磁源，各定子磁極1-1大小相等并且 沒有間隙，會使氣隙磁場密度均勻并且使磁場密度相對增大。
具體實施方式
五本實施方式與實施方式一、二、三或四的不同之處在于所述多對 定子磁極1-1的極對數為6-8。其它組成及連接關系與實施方式一、二、三或四相同。
多對定子磁極1-1的磁極對數的優化可以保證最小體積下產生最大制動轉矩。從 設計的角度看，磁極過多會導致磁極間漏磁增加，使得有效磁通減少導致電磁制動轉矩減 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導致電磁制動轉矩減小。 因此存在磁極優化問題。通過優化設計確定最佳定子磁極1-1的極對數。
權利要求
一種空間機械臂用無通電結構電機制動器，其特征在于它包括永磁式定子(1)和渦流轉子(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)的內圓表面上；所述渦流轉子(2)包括渦流轉子銅環(2-1)和轉子鐵軛支架(2-2)，轉子鐵軛支架(2-2)支撐于轉子銅環(2-1)的內圓表面；渦流轉子銅環(2-1)的外圓表面與定子磁極(1-1)的內圓表面之間為氣隙；所述轉子鐵軛支架(2-2)和定子磁極軛(1-2)的材質均為導磁性材料。
2. 根據權利要求1所述的空間機械臂用無通電結構電機制動器，其特征在于所述渦流轉子(2)還包括轉子端環(2-3)，轉子端環(2-3)包覆于轉子銅環(2-1)的兩端面及外圓表面。
3. 根據權利要求2所述的空間機械臂用無通電結構電機制動器，其特征在于所述渦流轉子銅環(2-1)和轉子端環(2-3)的材質均為紫銅。
4. 根據權利要求1、2或3所述的空間機械臂用無通電結構電機制動器，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)上無縫設置。
5. 根據權利要求4所述的空間機械臂用無通電結構電機制動器，其特征在于所述多對定子磁極(1-1)的極對數為6-8。
全文摘要
空間機械臂用無通電結構電機制動器，屬于電機技術領域。它實現了無通電情況下對空間機械臂系統中電機的制動，解決了現有技術中需要通電才能對電機進行制動使系統控制電路復雜的問題。它包括永磁式定子和渦流轉子，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圓表面上；所述渦流轉子包括渦流轉子銅環和轉子鐵軛支架，轉子鐵軛支架支撐于轉子銅環的內圓表面；渦流轉子銅環的外圓表面與定子磁極的內圓表面之間為氣隙；所述轉子鐵軛支架和定子磁極軛的材質均為導磁性材料。本發明用于空間機械臂用電機的制動領域。
文檔編號H02K49/04GK101707461SQ20091031062
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月30日 優先權日2009年11月30日
發明者尚靜, 張誠誠, 徐永向, 胡建輝, 鄒繼斌, 陸永平 申請人:哈爾濱工業大學