一种高精度旋转电机.pdf

本发明提供了一种高精度旋转电机，包括定子外壳、后盖、永磁体、转子、电连接元件、伺服系统和角度定位装置；永磁体均匀排布于定子外壳的内壁；转子位于定子外壳的正中，转子的周围均匀设有至少三组绕组，转子的一端在轴向上设有一条凸出于定子外壳的输出转轴，转子的另一端在轴向上设有一条定位转轴；电连接元件与转子上的绕组电连接；后盖盖设于定子外壳的后方，转子的定位转轴凸出于后盖之外；角度定位装置与转子的定位转轴连接；角度定位装置与伺服系统电连接。本发明能实现高精度角度定位。

权利要求书1.  一种高精度旋转电机，其特征在于：包括定子外壳、后盖、永磁体、转子、电连接元件、伺服系统和角度定位装置；永磁体均匀排布于定子外壳的内壁；转子位于定子外壳的正中，转子的周围均匀设有至少三组绕组，转子的一端在轴向上设有一条凸出于定子外壳的输出转轴，转子的另一端在轴向上设有一条定位转轴；电连接元件与转子上的绕组电连接；后盖盖设于定子外壳的后方，转子的定位转轴凸出于后盖之外；角度定位装置与转子的定位转轴连接；角度定位装置与伺服系统电连接。2.  根据权利要求1所述的高精度旋转电机，其特征在于：所述角度定位装置包括壳体、封盖、光敏元件、电荷检测元件、处理器、充电元件和激光发射器；壳体呈顶部开放的圆筒形，壳体与后盖固定连接；光敏元件呈正面朝内、背面朝外的环形，光敏元件设于壳体的内部；电荷检测元件呈环形且紧贴于光敏元件的背面设置；充电元件设于壳体内部且与光敏元件及电荷检测元件电连接；激光发生器可旋转活动设于壳体中部，激光发生器自壳体中心朝光敏元件的正面设置，激光发射器与转子的定位转轴连接；封盖盖设于壳体的顶部；处理器与电荷检测元件连接，且处理器与伺服系统连接。3.  根据权利要求2所述的高精度旋转电机，其特征在于：所述光敏元件包括光敏电阻层、绝缘层和导电玻璃；导电玻璃呈环形，位于 光敏原件的内侧正面；光敏电阻层设于导电玻璃的外侧且与充电元件电连接；绝缘层覆于光敏电阻层的外侧表面。4.  根据权利要求3所述的高精度旋转电机，其特征在于：所述光敏电阻层为均匀的硒填充层。5.  根据权利要求3所述的高精度旋转电机，其特征在于：所述电荷检测元件包括环形导体和连接电极；环形导体呈环形，且紧贴于绝缘层设置，环形导体与充电元件电连接；连接电极分别与环形导体及导电玻璃电连接，同时，连接电极与处理器连接。6.  根据权利要求2所述的高精度旋转电机，其特征在于：所述封盖与壳体之间还设有密封圈。7.  根据权利要求2所述的高精度旋转电机，其特征在于：还包括用于圈数计数的激光接收器；激光接收器安装于壳体的内壁，位于光敏元件的上方或下方；且激光接收器与处理器连接。

说明书一种高精度旋转电机
技术领域
本发明涉及电机领域，具体涉及一种高精度旋转电机。
背景技术
电机是机械领域常用的一种驱动设备，较为常见的有具备较强控制性能的伺服电机，可方便地进行转向、转速、角度定位等控制。
现有技术中的伺服电机，一般采用编码器进行角度的控制。编码器的结构一般是光栅式的，采用光电感应的方式进行角度信息的定位与控制。然而光栅的密度决定了编码器所能识别的最小偏转角，即光栅越密，编码器的分辨率越高。但由于制作工艺的问题，在体积较为细小的编码器内制作出密集的光栅显然是不现实的，因而这种设计的角度定位精度始终有限，最终导致电机的角度定位精度遇到难以突破的瓶颈。
不难看出，现有技术还存在一定的缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高精度旋转电机，实现高精度角度定位。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高精度旋转电机，包括定子外壳、后盖、永磁体、转子、电连接元件、伺服系统和角度定位装置；永磁体均匀排布于定子外壳的内壁；转子位于定子外壳的正中，转子的周围均匀设有至少三组绕组，转子的一端在轴向上设有一条凸出于定子外壳的输出转轴，转子的另一端在轴向上设有一条定位转轴；电连接元件与转子上的绕组电连接；后盖盖设于定子外壳的后方，转子的定位转轴凸出于后盖之外；角度定位装置与转子的定位转轴连接；角度定位装置与伺服系统电连接。
进一步的，所述角度定位装置包括壳体、封盖、光敏元件、电荷检测元件、处理器、充电元件和激光发射器；壳体呈顶部开放的圆筒形，壳体与后盖固定连接；光敏元件呈正面朝内、背面朝外的环形，光敏元件设于壳体的内部；电荷检测元件呈环形且紧贴于光敏元件的背面设置；充电元件设于壳体内部且与光敏元件及电荷检测元件电连接；激光发生器可旋转活动设于壳体中部，激光发生器自壳体中心朝光敏元件的正面设置，激光发射器与转子的定位转轴连接；封盖盖设于壳体的顶部；处理器与电荷检测元件连接，且处理器与伺服系统连接。
进一步的，所述光敏元件包括光敏电阻层、绝缘层和导电玻璃；导电玻璃呈环形，位于光敏原件的内侧正面；光敏电阻层设于导电玻璃的外侧且与充电元件电连接；绝缘层覆于光敏电阻层的外侧表面。
进一步的，所述光敏电阻层为均匀的硒填充层。
进一步的，所述电荷检测元件包括环形导体和连接电极；环形导体呈环形，且紧贴于绝缘层设置，环形导体与充电元件电连接；连接电极分别与环形导体及导电玻璃电连接，同时，连接电极与处理器连接。
进一步的，所述封盖与壳体之间还设有密封圈。
进一步的，上述高精度旋转电机还包括用于圈数计数的激光接收器；激光接收器安装于壳体的内壁，位于光敏元件的上方或下方；且激光接收器与处理器连接
本发明所提供的一种高精度旋转电机，具有以下优点：
角度定位装置通过光学和电学的方式实现高精度角度定位；
应用性能与一般伺服电机无异，应用面广；
工作原理相当于旋转角度的实地高精度测量，角度定位装置与伺服系统形成一个闭环系统，电机自身制造精度对定位精度的影响较小，误差容易控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明高精度旋转电机的整体结构示意图。
图2为角度定位装置的结构示意图。
图3为电荷检测元件与光敏元件的作用原理示意图。
附图标记说明：
100、定子外壳                   200、后盖
300、永磁体                     400、转子
500、角度定位装置               600、输出转轴
700、绕组                       800、定位转轴
1、壳体                         2、封盖
3、光敏元件                     4、电荷检测元件
5、激光发射器                   6、导电玻璃
7、光敏电阻层                   8、绝缘层
9、环形导体
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
请参阅图1，本发明公开了一种高精度旋转电机，包括定子外壳100、后盖200、永磁体300、转子400、电连接元件、伺服系统和角度定位装置500；永磁体300均匀排布于定子外壳100的内壁；转子400位于定子外壳100的正中，转子400的周围均匀设有至少三组绕组700，转子400的一端在轴向上设有一条凸出于定子外壳100的输出转轴600，转子400的另一端在轴向上设有一条定位转轴800；电连接元件与转子400上的绕组700电连接；后盖200盖设于定子外壳100的后方，转子400的定位转轴800凸出于后盖200之外；角度定位装置500与转子400的定位转轴800连接；角度定位装置500与伺服系统电连接。
本发明与现有技术最大的区别在于采用了特殊的角度定位装置500来取代一般的旋转编码器。一般的旋转编码器采用了光栅的结构，并采用光电感应原理进行旋转角度的定位与检测。这种结构存在较大的技术瓶颈：光栅的密度决定了旋转编码器的分辨率，而在有限的体积下设置高密度的光栅是极其困难的，大大增加了加工制造的难度。
下面将详细讲述角度定位装置500的具体结构和原理：
请参阅图2，所述角度定位装置500包括壳体1、封盖2、光敏元件3、电荷检测元件4、处理器、充电元件和激光发射器5；壳体1呈顶部开放的圆筒形，壳体1与后盖200固定连接；光敏元件3呈正面 朝内、背面朝外的环形，光敏元件3设于壳体1的内部；电荷检测元件4呈环形且紧贴于光敏元件3的背面设置；充电元件设于壳体1内部且与光敏元件3及电荷检测元件4电连接；激光发射器5可旋转活动设于壳体1中部，激光发射器5自壳体1中心朝光敏元件3的正面设置，激光发射器5与转子400的定位转轴800连接；封盖2盖设于壳体1的顶部；处理器与电荷检测元件4连接，且处理器与伺服系统连接。
现有技术对于电机旋转角度的定位，一般采用旋转编码器检测以及脉冲步进的定位方法。对于脉冲信号而言无法做到输出与接收百分百响应，脉冲的计数较容易丢失，从而出现误差。以常见的伺服电机为例，一般将毎圈划分为1000个等份，每等份为一个偏转单元，每偏转单元角度为0.36°，每接收一个脉冲信号则旋转1/1000圈，从而达到控制偏转角度的目的，精度较高。这种设计存在两个较大的问题：其一，脉冲信号有一定的丢失率，因而偏转角度容易产生误差；其二，角度的定位是发生在控制环节，电机自身的制造精度也有可能对偏转角有影响，例如电机的偏转单元由于误差而大于或小于0.36°，由此造成累积误差。那么此时旋转编码器所确定出来的摆角则变成一个空谈的理论值，在精度要求极高的场合变得毫无意义。
而角度定位装置500采用光学和电学相结合的原理进行高精度角度定位，定位的精度仅取决于光敏元件3和电荷检测元件4的分辨率。 而且定位并不是发生在控制环节，而是实地进行测量，因此旋转驱动设备自身的制造精度对定位精度没有影响。从理论上说，这种角度定位原理能将精度提高到电荷微粒层面。
壳体1和封盖2主要起保护作用，并使整个定位装置一体化。使用时转子400的定位转轴800与激光发射器5相连，使激光发射器5能够与转子400同步转动。充电元件则用于对光敏元件3及电荷检测元件4充电，使其表面带有电荷。当转子400带动激光发射器5旋转时，激光发射器5会对光敏元件3进行扫描，从而产生光敏电信号，被处理器采集并进行计算，从而进行角度定位。
请参阅图3，作为优选，所述光敏元件3包括光敏电阻层7、绝缘层8和导电玻璃6；导电玻璃6呈环形，位于光敏原件的内侧正面；光敏电阻层7设于导电玻璃6的外侧且与充电元件电连接；绝缘层8覆于光敏电阻层7的外侧表面。
作为优选，所述电荷检测元件4包括环形导体9和连接电极；环形导体9呈环形，且紧贴于绝缘层8设置，环形导体9与充电元件电连接；连接电极分别与环形导体9及导电玻璃6电连接，同时，连接电极与处理器连接。
导电玻璃6既是导体，同时也是透光材料。光敏电阻层7的电阻率会随着光照而发生改变，作为优选，所述光敏电阻层7为均匀的硒填充层。使用时，首先由充电元件对光敏元件3的光敏电阻层7和电 荷检测元件4的环形导体9进行充电，分别使光敏电阻层7及环形导体9的表面带有电荷。此时相对设置的环形导体9及光敏电阻层7共同组成一个电容，两者之间形成一定的电势差。当激光发射器5发生旋转时，激光会对光敏电阻层7进行扫描。光敏电阻层7被激光扫描过的部分由于电阻率降低而导通，从而使光敏电阻层7进行了放电，光敏电阻层7与环形导体9、连接电极组成一个回路，当连接电极有电荷流过时处理器会采集到电信号并进行计算，从而得出激光扫描的角度。
作为优选，所述封盖2与壳体1之间还设有密封圈。密封圈主要的作用是保障壳体1与封盖2不会产生缝隙而漏光，从而对光敏元件3构成影响。另一方面也避免了外界潮湿气体进入，进而影响内部的正常工作环境。
本发明具体运作流程为：
转子400带动激光发射器5同步旋转，伺服系统可对电机进行控制，预先设定需要旋转的角度，指令被电机执行后，通过上述的原理由处理器采集并计算出转子400的旋转角度，并反馈到伺服系统中。由此，伺服系统与角度定位装置500之间组成一个双向通讯的闭环系统，伺服系统负责给出控制指令，角度定位装置500则可进行反馈。
作为优选，上述高精度旋转电机还包括用于圈数计数的激光接收器；激光接收器安装于壳体1的内壁，位于光敏元件3的上方或下方； 且激光接收器与处理器连接。
激光接收器能够接收到激光发射器5的发射的激光束，从而向处理器发出信号，用以记录电机的旋转圈数。每当激光接收器接收到激光束的照射时，处理器也会控制充电元件重新对光敏元件3和电荷检测元件4进行充电，由此重新激活角度定位的功能。有了激光接收器，本发明高精度旋转电机即可对超过360°的旋转角度进行高精度定位。
本发明所提供的一种高精度旋转电机，角度定位装置500通过光学和电学的方式实现高精度角度定位，定位精度理论上能达到电荷微粒的层面。电机的应用性能与一般伺服电机无异，应用面广，可应用于各种机器人、机械机构。角度定位的工作原理相当于旋转角度的实地高精度测量，角度定位装置500与伺服系统形成一个闭环系统，电机自身制造精度对定位精度的影响较小，误差容易控制。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。