具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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付出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，以下各实施例的说明是参考附加的图示，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明中所提到的方向用语，例如，“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”、“侧面”等，仅是参考附加图式的方向，因此，使用的方向用语是为了更好、更清楚地说明及理解本发明，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1至图3，一种同轴多层直驱电机，包括安装底座100、同轴叠装在安装底座100上的若干个电机层200、固定在若干个电机层200上方的上压盖300以及连接各电机层200的伺服驱动器400，每一电机层200包括以电机轴心为中心设置的环形的滚珠轴承支撑座210、连接在滚珠轴承支撑座210的外环侧壁上的转子220以及位于转子220的外环侧的若干段呈环形阵列分布的定子230，相邻电机层的滚珠轴承支撑座210之间具有绕电机轴心的相对转动自由度以使相邻电机层的转子220之间实现绕电机轴心的周向相对位移，相邻电机层的定子230相互固定连接且定子230与安装底座100之间为固定连接。

本实施例的同轴多层直驱电机将转动支撑和作为电机动力源的转子220融为一体，与定子230一起实现高度低、中空大、直接驱动的多层大直径同轴直驱电机；由于取消中间转动轴，消除了一个常见的故障点；不需要同步带、齿轮等中间传动环节，因而能够提高机械刚度和机械传动精度，提高机械传动可靠性，减少机械噪音。

在本实施例中，电机层的层数为四层，若干个电机层依次包括第一电机层201、第二电机层202、第三电机层203和顶层电机层204。其中，以靠近安装底座100的电机层为第一电机层201，第一电机层201的滚珠轴承支撑座与安装底座100之间设有底部滚珠轴承支撑座211，安装底座100与底部滚珠轴承支撑座211固定连接；以靠近上压盖座300的电机层为顶层电机层204，顶层电机层204的滚珠轴承支撑座与上压盖座300之间设有顶部滚珠轴承支撑座216，上压盖座300与顶部滚珠轴承支撑座216固定连接。第一电机层201包括第一滚珠轴承支撑座212、第一转子221和第一定子231，第二电机层202包括第二滚珠轴承支撑座213、第二转子222和第二定子232，第三电机层203包括第三滚珠轴承支撑座214、第三转子223和第三定子233，顶层电机层204包括第四滚珠轴承支撑座215、第四转子224和第四定子234。底部滚珠轴承支撑座211作为多层滚珠轴承支撑的第一层安装在安装底座100上，第一滚珠轴承支撑座212作为多层滚珠轴承支撑的第二层装在底部滚珠轴承支撑座211之上，第二滚珠轴承支撑座213作为多层滚珠轴承支撑的第三层装在第一滚珠轴承支撑座212之上，第三滚珠轴承支撑座214作为多层滚珠轴承支撑的第四层装在第二滚珠轴承支撑座213之上，第四滚珠轴承支撑座215作为多层滚珠轴承支撑的第五层装在第三滚珠轴承支撑座214之上，顶部滚珠轴承支撑座216作为多层滚珠轴承支撑的第六层装在第四滚珠轴承支撑座215之上；各滚珠轴承支撑座210之间能够绕电机轴心相对自由转动。底部滚珠轴承支撑座211与安装底座100固定连接，约束各层转子的轴向自由度。

请参阅附图3，滚珠轴承支撑座210包括滚珠保持架217及若干个滚珠218。滚珠保持架217上设有容纳滚珠218的凹槽，若干个滚珠218容置于相邻两电机层的滚珠保持架217之间，相邻的两滚珠保持架217之间具有绕电机轴心的相对转动自由度。相邻的两电机层之间通过滚珠保持架217和滚珠218的配合实现相对转动。

在本实施例中，转子220采用南北极交错设置的钕铁硼永磁体结构。分别在第一滚珠轴承支撑座212、第二滚珠轴承支撑座213、第三滚珠轴承支撑座214和第四滚珠轴承支撑座215的外环侧壁上安装南北极交错的钕铁硼永磁体形成直驱电机转子，将转动支撑和电机动力源融为一体，并与多层直驱电机定子一起实现高度低、中空大、直接驱动的大直径同轴直驱电机。

在本实施例中，定子230由线圈组成，其内部结构和普通伺服电机或者永磁同步直线电机一致。第一定子231、第二定子232、第三定子233和第四定子234依次固定连接并安装在安装底座100上。第一转子221和第一定子231构成第一层大直径直驱电机，第二转子222和第二定子232构成第二层大直径直驱电机，第三转子223和第三定子233构成第三层大直径直驱电机，第四转子224和第四定子234构成第四层大直径直驱电机。

在本发明的较佳实施例中，上压盖300上设有弹性预压结构，以调节上压盖300的预压力，提高装配稳定性。弹性预压结构可以采用弹簧等方式。

请参阅附图2，本发明中的各层定子可以由三个或者三个以上的定子段组成。在本实施例中的若干段定子包括第一定子段235、第二定子段236和第三定子段237，三个定子段分布在转子外侧的圆周上。为了减小直驱电机的转矩波动，三个定子段之间的安装角度设置为电机转子磁场周期τ的(n±1/3)倍，其中n为正整数。以第一定子段235的安装角度为基准0°，第二定子段236与第一定子段235之间的安装角度为所在电机层的转子的磁场周期的(n+1/3)倍，第三定子段237与第一定子段235之间的安装角度为所在电机层的转子的磁场周期的(n-1/3)倍。一般地，推力波动是和磁场周期相关的周期力，即推力波动T_ripple＝A*cos(τ/v+φ)，v为电机转动速度，φ为电机转子相对于定子的初始相位且可通过控制技术使之为零，则三个定子段产生的总的推力波动T_ripple＝A*cos(τ/v+φ)+A*cos(τ/v+φ+φ₁)+A*cos(τ/v+φ+φ₂)，φ₁和φ₂分别是第二定子段、第三定子段与第一定子段之间安装的相对角度，可控制φ为0，当φ₁和φ₂分别为1/3倍磁场周期和-1/3倍磁场周期时，三部分定子满足对称安装且T_ripple较小。在本发明的一种实施例中，所述第二定子段236与第一定子段235之间的安装角度为118.57°，所述第三定子段237与第一定子段235之间的安装角度为118.67°。

请参阅附图4，对于各电机层的转子220，奇数层电机层的磁场周期设置为偶数层电机层的磁场周期的两倍，以减少由上下层磁场互相干扰引起的电机转矩波动(图中N/S分别代表磁铁的南/北极)。在本实施例中，第一电机层201和第三电机层203为奇数层电机层，第二电机层202和顶层电机层204为偶数层电机层，第一电机层201和第三电机层203磁场周期设置为第二电机层202和顶层电机层204的磁场周期的两倍。一般地，如果τ₁＝τ₂，上下两层相对转动时，磁铁南极或者北极同时吸引或者排斥形成的推力波动最大，可以表达成F_ripple＝A*cos(τ/v)-A*cos(τ/v+π)＝2*A*cos(τ/v)，v为电机相对转动速度；而如果τ₁＝2*τ₂，则F_ripple＝A*cos(τ₂/v)-A*cos(τ₂/v+π/2)＝√2*A*cos(τ₂/v-π/4)，从而减少推力波动的幅值。

请参阅附图5，本发明实施例的同轴多层直驱电机还包括对应各电机层设置的编码器和原点数据处理器500，所述编码器和原点数据处理器500与所述伺服驱动器400连接，所述编码器和原点数据处理器上集成用于感应转子磁场以获得电机转动角度信息的磁阻感应芯片501及用于感应转子原点信号的磁感应开关芯片502。通过磁阻感应芯片501检测每层转子的南北交替磁场并进行数据处理，获得每层转子的转动角度并编码输出至伺服驱动器400，同时第一定子231、第二定子232、第三定子233和第四定子234此四个定子线圈的U、V、W三相绕组分别和伺服驱动器400上的对应接口连接，构成四个独立的闭环控制系统。编码器采用四轴一体化编码器，编码器处理的转动角度信息和电机动力使用同一个磁场，不需要其他额外的传感器，从而实现直接位置信息采集，免去中间环节，提高精度，并且安装部件少易实现低高度、大直径的直驱传动；伺服驱动器采用多轴一体化伺服驱动器，各电机层的动力线接多轴一体化伺服驱动器上的各个对应接口，旋转角度信息和原点信号通过多轴一体化编码器及原点数据采集处理器的协议总线接入多轴一体化伺服驱动器，利用直接采集得到的转动角度信息形成反馈系统，能提高信号稳定性，提高伺服反馈系统稳定性；一体化的编码器及原点数据采集处理器和一体化的伺服驱动器，能够最大限度减少中间连接线缆，提高可靠性和抗电磁干扰能力。

请参阅附图6，在相邻的两电机层的转子220之间分别设有用于屏蔽相邻转子磁场干扰的硅钢磁屏蔽环240，硅钢磁屏蔽环240上设有用于磁感应开关芯片502感应漏磁作为原点信号的漏磁孔241。在本发明的一种实施方式中，硅钢磁屏蔽环240设于两电机层相接的环面上。在本发明的另一种实施方式中，在相邻的电机层的轴向方向上，分别设有沿其轴向方向设置的硅钢磁屏蔽环240，用来屏蔽上下两层转子磁场之间的干扰。每个磁屏蔽环240上有一个漏磁孔241,使用集成在编码器及原点数据采集处理器500上的磁感应开关芯片502感应漏磁孔241中的漏磁作为原点信号。

请参与附图7，本发明实施例还提供了一种同轴多层直驱电机的传动控制系统，包括：

信息采集模块，信息采集模块包括用于采集各电机层的转子磁场的磁阻感应芯片及用于采集各电机层的原点信号的磁感应开关芯片；

信号处理模块，信号处理模块包括编码器和原点数据处理器，信号处理模块用于利用信息采集模块采集的原点信号和转子磁场处理得到各层转子的旋转角度信息；

驱动模块，驱动模块包括多轴一体化伺服驱动器和其他控制器或伺服驱动器，其中多轴一体化伺服驱动器与信号处理模块通过编码器协议总线连接，多轴一体化伺服驱动器根据信号处理模块反馈的原点信号和旋转角度信息控制其他控制器或其他伺服驱动器的驱动。

优选地，信息采集模块的磁阻感应芯片和磁感应开关芯片集成于信号处理模块的编码器和原点数据处理器上。

本实施例的同轴多层直驱电机的传动控制系统，其编码器采集的角度信息和电机动力均源于同一个磁场，不需要其他额外的传感器，从而实现直接的位置信息采集，并且安装部件少，有利于实现低高度、大直径的直驱传动；转动位置信息来自于电机转子磁场，没有中间环节，直接转动角度信息形成反馈系统，提高精度，提高信号稳定性，提高伺服反馈系统稳定性；各层电机层通过各电机动力线分别与伺服驱动器连接，具体是各层定子线圈的U、V、W三相绕组(即电机UVW线)分别和多轴一体化伺服驱动器上的对应接口连接，构成四个独立的闭环控制系统；旋转角度信息和原点信号通过多轴一体化编码器及原点数据采集处理器的协议总线接入多轴一体化伺服驱动器，最大限度减少中间连接线缆，提高可靠性和抗电磁干扰能力。

以上并不限于本发明的实施方式，以上具体实施方式的描述旨在描述与说明本发明的技术方案，以上具体实施方式仅仅是示意式的，并不是限制式的。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及发明专利构思加以同等替换或改变，都属于本发明专利的保护范围之内。