顾怡红
（1.衢州职业技术学院 机电工程学院 浙江衢州 324000）
摘要：双自由度驱动电机是一种基于直线运动、旋转运动和螺旋运动的无中间传动机构电机。目前双自由度通过多个旋转电机和中间传动装置来实现，但由于中间机构的存在，使得系统控制方法复杂、系统组件的不稳定、电机维护艰难等问题。本文提出一种新型的双自由度直驱电机的结构，阐述其工作原理、数学模型以及控制方法，并对其进行仿真分析，结果表明该双自由度电机性能良好，为双自由度电机的研究发展提供了一种可行性方案。
关键词：双自由度，电机，仿真
引言
双自由度驱动电机是一种基于直线运动、旋转运动和螺旋运动的无中间传动机构电机。它是一种典型的机电一体化产品，具有机械集成度高、电机结构材料利用率高和驱动控制系统的优点。目前双自由度通过多个旋转电机和中间传动装置来实现，但由于中间机构的存在，使得系统控制方法复杂、系统组件的多维性、维护艰难等问题的存在，并且这种电机的中间传动装置需要承受较大的轴向力，容易产生磨损严重降低系统可靠性。若采用双自由度电机来代替多个旋转电机和中间传动装置，可以大大简化机械系统结构，减小体积和重量，从而提高系统的精度和静态、动态性能。因此，双自由度直接驱动电机可广泛应用于数控机床、摄像头、机器人、汽车生产线、雕刻机搅拌机等设备。
1 工作原理与结构设计
采用交流电机做旋转运动和轴向运动同时进行的电机，可以巧妙地结合的二者的特征，从而在电机气隙磁场中形成一个旋转磁场，行波磁场；该转子的之间的相互作用，使转子产生感应电流，转子电流形成的磁场与定子磁场的作用，它可以驱动转子的机械荷载对应于运动轴连接。
驱动旋转运动的电机装置是由一个沿轴向方向和沿轴向方向的定子铁芯的绕组组成的。由直线运动驱动的电机驱动装置具有一个定子铁芯，该定子铁芯在圆周方向上开槽，定子绕组沿圆周方向由绕组所组成。该复合二转子与输出轴固定连接，电机与一个复合二缸连接。电机结构如图1、2所示。
2.4控制方法
双自由度电机的电磁耦合是电机定子绕组的形成和输出轴的双自由度。双自由度运动耦合是双自由度运动是不相互独立的，即运动输出轴的自由度可以改变另一个自由度的运动状态来改变运动状态。
双自由度电机需二个自由度的电磁关系解耦等效双自由度电机，直接控制两个单自由度的速度或角度，其次是协调两个单自由度的运动，从而可以获得所需的运动轨迹。
3仿真研究
对空气间隙厚度为2.5毫米，选择了不同复合和非复合转子导电层材料建立了有限元模型进行仿真分析。
表2 电机旋转部分参数
从图6，表5可以看出，在相同的空气间隙和不同的转子材料，使用钢铜复合材料可以使运行速度波动是最低。
从图8，表6可以可以看出，无论空载还是负载运行时，在一定范围内，空气间隙厚度越大，运行速度越接近同步转速，且波动幅度较小。
可以通过增加空气间隙来达到降低损耗的目的，并能改善电动机的性能，当空气间隙大于2.5毫米，因为超越了一定的空气间隙磁场，定子和转子耦合度降低，有效磁通量也在减少。
4结语
双自由度直接驱动电机可以用来代替多个旋转电机用于产生复杂运动的与旋转电机相连的复杂、高效的传动机构，可以节省空间，提高效率。本文提出了一个双自由度直接驱动电机的结构，详细介绍了其工作原理、数学模型和仿真研究，结果表明该双自由度电机设计合理，对未来电机的发展方向提供了一种新型方案。对未来电机的研究具有重要的现实意义，然而，双自由度电机的研究目前处于初级阶段，对于开发和制造新型双自由度电机的研究还待提高。
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论文作者:顾怡红
论文发表刊物:《电力设备》2016年第9期
论文发表时间:2016/7/1
标签：自由度论文; 电机论文; 定子论文; 转子论文; 磁场论文; 间隙论文; 绕组论文; 《电力设备》2016年第9期论文;