SPEEDAM 2010 年电力电子、国际研讨会电气传动、自动化和运动六面体和八面体球状步进电机的基本特征六面体和八面体球状步进电机的基本特征T. Yano 国家研究所先进的工业和科学技术,Namiki 1-2-1 城,305-8564、景文科技(日本)摘要：对六面体和八面体球形步装电机转子和定子的研制。摘要：对六面体和八面体球形步装电机转子和定子的研制。 所开发的球所开发的球 形电动机驱动的原则是形电动机驱动的原则是:传统的步进传动电机。电机具有三个自由度，随着电机传统的步进传动电机。电机具有三个自由度，随着电机 结构是球对称的，控制方法是相同的，任何方向都可以变化。该实验结果表明，结构是球对称的，控制方法是相同的，任何方向都可以变化。该实验结果表明， 叶轮转动，相电流的电机驱动器和常规电枢线圈，三者之间的关系。电机的叶轮转动，相电流的电机驱动器和常规电枢线圈，三者之间的关系。电机的 速度控制在速度控制在 0.05rpm 到到 180rpm，最大输出扭矩为，最大输出扭矩为 0.013Nm。 所开发的马达所开发的马达 是空芯式无背枷锁。是空芯式无背枷锁。 铁芯，将是一个球形电机高扭矩球形电动机中的负载。铁芯，将是一个球形电机高扭矩球形电动机中的负载。 A 组步进电机的基球状多面体也得介绍。组步进电机的基球状多面体也得介绍。索引词：大扭矩，多学位的的自由度，索引词：大扭矩，多学位的的自由度， 球形电动机，步进电机球形电动机，步进电机 一一 导言导言从汽车机器人上，有多少机械系统的自由度不同增多。也有一个比例一直在 增加，从而机械系统使用的电机也不停增多。一方面，人的关节，如肩关节至少有三个自由度（侧方向，前后方向，手臂 旋转）。数量多的自由度中，例如一个球形电动机肩关节一般有以下优势：（1）机械系统做得更小更轻，是为了减少电机所使用的数据系统。一个传统 的具有真人形态机器人，手臂有七个自由度。马达成为一个负载电机的肩膀。 因此，较大的电动机必须围绕的肩膀，那里留下一个大隆起。运用三个自由度 球形电机，肩和腕关节和设置传统的一个自由度，联合在肘部的运动，人形机 器人手臂只需要三台电机。因此，机器人的手臂就变得轻盈，牢固。这样的亮 度和紧密度，特别好，像人形机器人手臂系统需要串联电机和一台电动机，两 者一结合就变成其它负载电机。此外，更小更轻机械与系统，可以少零部件浪 费，可以很好的保护资源和资源浪费。 （2）简化和提高速度控制是可能的。 人形机器人手臂机器人不能直接从位置计算几何角度和联合方向。因此，发 展高速法算法的逆运动学解 热带成为一个重要的研究。出现类似的问题，球形 电机特别是结构设计，使中心的两个或三个自由度旋转相吻合。 因此，运动学 方程简单，能主要是解决几何，导致简化和加快控制了。 （3）使直接驱动机制更加容易。 机器人的眼睛运动和关节在巨大的桁架结构可以外层空间， 无需增加额外 的配置机制。因此， 驱动机构变得更简单，没有浪费，并让成狭窄易于维护和 安装空间。 （4）容易小型化的机制。 一个具有多自由度机构可轻松实现用发动机多度的自由在微机械领域，它是 很难进入建立成熟的机制。因此，多自由运动度将在微纳米关键技术。 （5）促进节能。 京都议定书，并于 1997 年 12 月通过的， 生效 2005 年 2 月 16 日，日本 政府有责任减少 6 温室气体之间的 2008 年和 2012 年 190 年为基准年。此 外，八国集团首脑会议建议超过 50的绿色气体减少到 2050 年。此外，第四 次评估 警监会（政府间气候变化小组的报告变更）的结论是，大气中的增加 ，二氧化碳浓度会导致温室 效果。 2009 年 12 月，日本首相， 宣布的温室气 体减少 25十五首脑哥本哈根会议（联合国向缔约方大会 气候变化框架公约） 温室气体减排是一项紧迫 的问题。 顺便说一下，马达是在基础设备之一各工业产品。能源消耗占百分之五十，等同于电 机 电能在日本的消耗。因此，能源在电机保护将大大有助于二氧化碳的减少，保护全球环 境， 文化水平的提高，经济发展。 取代传统的球形电机，机械使用的电机数量多自由度和系统将减少， 机械系统结构 小，重量轻，便于控制。这将有助于节约能源和资源节约。 当机械系统中使用温控室或洁净室， 节约能源和资源节约的效果将是非常有用的。（六）利用超精密的机械系统可能性。 在系统需要高精密定位， 难以消除装配误差相结合 一学位的自由度马达，经常保养 维修 消除世俗的错误是必要的。因此，在 适用于需要多精度高，电机自由度似乎是有利 的。 与上述有利的，实用的球形电动机， 机械系统将发生革命性改变。 因此，研究具有 多自由度马达 ，增加了近几年许多全球发展的报告1 - 13。 然而，在另一方面，许多 问题积累，需要解决，以便制定一个实际球形电动机。 虽然有些球电机实现高定位精度，但在实际使用时，输出力矩球形电机还没有达到常 规电机。此外，大多数电机宗旨是在为高扭矩，彻底失去了输出转矩控制，因而输出轴的 旋转轴是关闭的方向14。 因此，球电机项目的目标是使高扭矩，便于实际控制球 电机。在此提出了一种球形步进电机的基础上的正六面体和正八面体开发和测试。作为一个 正六面体有 6 个机和一个正八面体有 8 个架，调用 6-8 球形步进电机运动后记。起初， 高扭矩球形电动机的基本设计概念是所示。接下来，传统的步进原则电机扩展到三维空间，设计了一个球形步进电机。一些多面体的还推出了另一候选人作出基球状多面体步进电机。二二 球形电动机高扭矩的设计理念球形电动机高扭矩的设计理念在综合研究所，一个广泛的电磁球 ，如电机异步电机，同步电机，步进电机和交流伺 服电机的开发 15 - 19，并提出了新的应用20。 同时，这些球形电动机的 输出转矩，没有足够的用于驱动机器人关节。因此，其目标球形电机项目设置 使高扭矩球形电动机。 综合研究所开发的球形电动机的分类，分成两大类。一个是背驮式结构 ， 其输出力矩是最小的 ，输出力矩部分，另一个是结构 ，所有电磁力直接驱动转子。 很显然，后者结构是合适的高力矩电机。 其中球形汽车在综合研究所开发的，单极球形同步电动机产生最高扭矩。但 是，它不能停止旋转，这是很难用于驱动机器人关节电机。这是一事实，所研 制的同步电机是单极。为阻止输出轴球形电动机，电机需要有极多。所以， 原 则上一个多极同步电机的球形有两自由度，提出和发展 21。然后，原则是多 极球面组步进电机的三自由度是提出22和一个六面体，八面体基球形步进电 机是发展23。 三三.六六八面体设计基础球形步进电机八面体设计基础球形步进电机（a）图片 （b）结构图 1 .设计的 6 - 8 球形步进电机A. 设计基球状的六八面体步进电机。 图 1（a）显示了发达国家 6-8 图片步进电机和图。 1（b）显示了它的结构。无论是转子和定子是球状的。 该电机有一个由六个支持球形转子轴承和定子。图 2（a）所示的结构转子 和图。 2（b）给出了定子结构。八钕铁硼永磁体是附着在球壳在虚拟六面体 的顶点刻在转子，使北方和南方极点位于交替进行。六铁芯也球壳上载于该中 心的面孔虚拟六面体在转子名录。该球壳是铁制成，内径 52 毫米，厚度为 5mm。转子是覆盖与丙烯酸球壳表面，使转子球体。丙烯酸壳的直径为 78 毫米外和厚度为 4mm。(a)转子 （b）定子 图 2.转子和定子在永久磁铁和铁芯形状圆柱体直径为 20mm，厚度 5 毫米。该定子机座是 一个丙烯酸球壳。 二十五个单位，电枢线圈通过连接丙烯酸球壳。其中 6 人在 附顶点八面体中的虚拟定子名录。 其中有 12 个贴于边缘的中心虚拟八面体在 定子名录。他们是在该中心的重视面临的虚拟， 八面体在没有面对定子上刻。 上面的脸是开放的输出轴。内层 直径与丙烯酸壳外直径 90 毫米和 110 毫米分 别。电枢线圈单元 有一个在电枢线圈骨架。电枢线圆筒形状。内径，外径 和 电枢线圈厚度为 5 毫米，20 毫米 和 8mm 分别。该数字化的每个电枢线圈是 153。 六球面轴承也贴在未使用空间丙烯酸球壳。压缩空气提供有关的三个轴承 底部位置以减少球的摩擦。 无磁材料是用于线轴和轴承，以避免齿槽转矩。发达电机是空芯式无背枷 锁。输出发达电机力矩小，但电机控制很简单。 对于利用优势利用转子的能力在任何方向旋转无限，取出输出轴和接触转 子落大球广泛的运动和转子的力矩。 二车道的概念实际 6-8 步进电机 图 3 是 6-8 步进电机上查看，当输出轴在垂直位置。该永久磁铁定位在 每 90 度 周围的输出轴与北极和南极被定位交替进行。线圈（1,1），（2,2） 的对 和（3,3）是定位在每 120 度左右的输出轴。之间的关系和永久磁铁 电枢线圈类似 传统的刨床三相步进电机两对 永久磁铁。因此，当供应三到（1,1）电枢线圈相正弦电流，2,2）和（3,3） ，转子将围绕旋转的输出轴。 图 4 是所设计的 6-8 底视图 球形步进电机的输出轴时，在 垂直位置。类似于图 3， 永久 磁铁定位在每 90 度左右的 输出轴与北极和南极的 位置交替进行。和线圈（4,4） ， （5,5）的对 和（6,6）是定位在每 120 度左右的 输出轴。 图 3上层的观点同样，与长期的关系 磁铁和电枢线圈类似的 传统的三相步进两个电机刨床 对永久 磁铁。因此，当供应 三相正弦电流的（4,4）电枢线圈， （6,6）和（5,5） ，转子将围绕 旋转的输出 图 3 轴为同一方向。 当供给三相电流的正弦 电枢线圈（1,1） ， （2,2） ， （3,3）和（4,4） ， （6,6） ， （5,5）的同时，输出力矩将增加一倍。图 4 底部的观点其次，围绕另一个轴驱动转子。图 5 是 6-8 步进电机从视图方向的箭头 在图 5，铁 核心之一是吸引了电枢线圈 245 是刚下电枢线圈 245。 电枢线圈的 245 位置是中心三角形形成了从线圈 2，线圈和线圈 45。该 三角形也是一所虚拟的八面体刻在定子。 永久磁铁定位在每 90 245 度左右线圈北极和南极 被定位交替进行。和线圈（2,6） 的对， （5,24）和（4,25）是在每一个 120 度的位置 周围线圈 245。 之间的关系和永 久磁铁 电枢线圈类似传统的 刨床三相步进电机两对 永久磁铁。因此，当供应三相 到电 枢线圈（2,6） ， （5,24）正弦电流 和（4,25） ，转子将绕线圈 245。图 5倾斜的观点在图 5 背影之间的关系，永久磁铁和线圈的电枢类似 认为传统的三相步进刨床 两 个电机永磁体对。因此，转子 线圈旋转约 245 通过提供三相 对线圈（6,2） ， （1,36）和 正弦电流的双 （3,16） ，它是对图 5 的反面。 当供给三相电流的正弦 电枢线圈（2,6） ， （5,24） ， （4,25）和（6,2） ， （1,36） ， （3,16）的同时，输出力矩将增加一倍。 转子 有六个和定子铁芯有七个 八面体中心电枢线圈脸 刻在定子。当铁核心之一是 由电枢线圈 一吸引了该中心的 八面体面临的虚拟刻在定子和 刚下电枢线圈的位置，转子可控制了周 围发现电枢线圈旋转。 从上述讨论中，转子可控制， 在几乎任何方向旋转，以下为其算法; 1）吸引电枢铁芯线圈适当这是旋转中心。 2）电源三相正弦电流的六个对围绕中心旋转电枢线圈。 3）当改变旋转轴，则转到步骤 1） 。 C. 三驱动系统步进电机的实际 6-8 图 6 显示了电机驱动器的框图 统。电机驱动系 统的结合 传统的三相电机驱动系统 开关和铁芯吸引力制度。DSP 板的适当幅度计算 三 相电流和电枢线圈有吸引力 电流。 PWM 发生器逆变器 A 到命令 供应三相电流和逆变器 B 来提供一个 有吸引力的电流。开关 A 选择适当的双六 电