專利名稱：向心推/拉力磁懸浮球形電動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種具有多個旋轉(zhuǎn)自由度驅(qū)動能力的電動機，屬于機電一體化技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
多自由度球形電機指具有兩個或三個旋轉(zhuǎn)自由度，可以繞過定點的空間軸線旋轉(zhuǎn)的電機。它具有機械集成度高、電機結(jié)構(gòu)材料和驅(qū)動控制系統(tǒng)元件利用率高等特點，在具有多個運動自由度的機械系統(tǒng)中， 一臺多自由度電機可以代替兩臺或多臺單自由度電機，大大簡化機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減小體積和重量，可以消除由于齒輪傳動帶來的齒隙和摩擦等缺點，從而提高系統(tǒng)的精度和動態(tài)性能，提高性能價格比，并在控制和軌跡規(guī)劃方面占有優(yōu)勢。因此多自由度球形電機在機器人的關(guān)節(jié)及機械手的關(guān)節(jié)、多坐標(biāo)機械加工中心、航空飛行器、電動陀螺儀、全方位跟蹤天線、炮塔轉(zhuǎn)臺、人體假肢、醫(yī)療器械、攝像操作臺、全景攝影操作臺、攪拌機、移動機構(gòu)的萬向輪、球形閥、球形泵等具有多個運動自由度的設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用前景。但球形電機對各轉(zhuǎn)子的支承結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)子俯仰、搖擺和偏轉(zhuǎn)的角度小，受到應(yīng)用限制。現(xiàn)有的球形電動機包括殼體、定子、球形轉(zhuǎn)子、輸出轉(zhuǎn)臂構(gòu)和檢測控制系統(tǒng)，在用于驅(qū)動高速、超高速的多自由度裝置時，還存在機械(軸承)支承的磨損問題，機械摩擦不僅增加了轉(zhuǎn)子的摩擦阻力，而且會造成部件發(fā)熱，嚴(yán)重時會造成電機氣隙不均勻，導(dǎo)致電機的動態(tài)特性變差，從而降低電機的效率，縮短電機及裝備的使用壽命，嚴(yán)重制約著球形電動機向更高速度方向發(fā)展，軸承的性能大大影響了電機的可靠性和裝備利用率
實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的是針對現(xiàn)有球形電動機存在的上述問題，基于磁懸浮技術(shù)和電機技術(shù)，提供一種機械集成度高、結(jié)構(gòu)簡單、無摩擦、無磨損，精度高和動態(tài)性能好，并能使轉(zhuǎn)子俯仰、搖擺和偏轉(zhuǎn)的角度達到最大，具有可以繞球形轉(zhuǎn)子中心旋轉(zhuǎn)的二自由度或多自由度的向心推/拉力磁懸浮球形電動機。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的，向心推/拉力磁懸浮球形電動機，包括球形電動機殼體、定子、球形轉(zhuǎn)子、輸出轉(zhuǎn)臂構(gòu)成的球形電動機和檢測控制系統(tǒng)，其特征是球形電動機殼體由棱柱體或圓柱體制成，以柱體軸線
為中心線，開一主軸通孔貫穿于柱體的兩底面，在柱體側(cè)面，均布至少4個垂直于主軸通孔的垂面通孔，所述的定子設(shè)有多個凸極定子，垂面通孔內(nèi)安裝有凸極定子或電磁鐵夾持機構(gòu)；在主軸通孔的一端嵌入凸極定子，通過帶孔的端蓋和主軸通孔中的定位臺階將凸極定子固定在殼體上；至少2個相互垂直的垂面通孔入口處嵌入凸極定子，并通過帶孔的端蓋和垂面通孔中的定位臺階將凸極定子固定在機殼體上；所有凸極定子的凸極端面構(gòu)成一定子凸極包絡(luò)球，在該包絡(luò)球空間內(nèi)置放球形轉(zhuǎn)子，球形轉(zhuǎn)子與輸出轉(zhuǎn)臂固定成一體，輸出轉(zhuǎn)臂通過主軸通孔的另一端伸向外部；定子凸極包絡(luò)球的球形包絡(luò)內(nèi)表面與球形轉(zhuǎn)子外表面之間在二者同心時存在一定的氣隙；檢測控制系統(tǒng)由x、 y、 z三個坐標(biāo)軸方向的獨立控制子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)設(shè)有控制球形轉(zhuǎn)子懸浮和轉(zhuǎn)動狀態(tài)的懸浮控制器、解耦控制器、2<1)/30)變換電路、整流穩(wěn)壓電路、逆變器、傳感器、信號檢測處理電路，
傳感器設(shè)置在端蓋上的孔內(nèi)。
所述的球形電動機殼體圍繞球形轉(zhuǎn)子布置至少3個球形電動機凸極定子，其中，繞柱體軸線轉(zhuǎn)動的至少1個，繞垂直于柱體軸線的二維坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動的各至少1個，在懸浮控制器控制下，實現(xiàn)球形轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮在定子凸極包絡(luò)球的中心，且驅(qū)動其兩自由度或多自由度轉(zhuǎn)動。
所述的定子由具有良好導(dǎo)磁性能的材料制成，其凸極定子凸極表面構(gòu)成的包絡(luò)球面為無底的球冠內(nèi)表面，在各凸極之間的槽內(nèi)，繞有三相或多
5相通電線圈繞組。定子凸極間的槽內(nèi)三相或多相通電線圈繞組，通電后，線圈繞組將產(chǎn)生沿定子對稱軸方向的磁推/拉力，以實現(xiàn)對球形轉(zhuǎn)子在該定子軸線方向的移動自由度限制，以及產(chǎn)生繞定子對稱軸并與轉(zhuǎn)子球表面相切的磁轉(zhuǎn)矩，以實現(xiàn)繞定子對稱軸旋轉(zhuǎn)自由度方向的驅(qū)動；多個推/拉力磁懸浮球形電機在控制器控制下，可實現(xiàn)球形轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮在定子凸極包絡(luò)球的中心，且驅(qū)動其實現(xiàn)兩自由度或多自由度轉(zhuǎn)動。
所述的球形轉(zhuǎn)子由具有良好導(dǎo)磁性能的材料制成，其球表面開有相互垂直且連續(xù)的溝槽，溝槽將整個球表面分為幾何形狀相同的微小單元面的轉(zhuǎn)子凸極，溝槽內(nèi)下導(dǎo)體構(gòu)成轉(zhuǎn)子繞組或電樞繞組。
所述的電磁鐵夾持機構(gòu)由電磁鐵鐵芯、線圈繞組、夾持銜鐵組成。電磁鐵夾持機構(gòu)，電機不工作時在彈簧力作用下處于夾持狀態(tài)，電機工作時在電磁力作用下處于松開狀態(tài)。
本發(fā)明綜合應(yīng)用磁懸浮技術(shù)、電機技術(shù)以及控制技術(shù)，實現(xiàn)球形轉(zhuǎn)子的懸浮支承并驅(qū)動球形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。磁懸浮球形電機工作時，對某坐標(biāo)軸方向的控制系統(tǒng)同時輸入相等的轉(zhuǎn)矩電流和轉(zhuǎn)速指令信號，經(jīng)過解耦控制器矢量解耦后，由20/3<1>變換電路變換成三相電流控制信號，控制逆變器使整流穩(wěn)壓器輸出的直流電變換為交流電，向該坐標(biāo)軸上兩個對稱的定子繞組提供驅(qū)動電流，產(chǎn)生繞坐標(biāo)軸的同向等量電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動速度，以驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，同時兩定子繞組將產(chǎn)生一對大小相等方向相反的偏置磁拉力作用于轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子在無擾動作用下懸浮于該坐標(biāo)方向的平衡位置。當(dāng)電機轉(zhuǎn)子在該坐標(biāo)軸方向受到擾動作用時，對稱于轉(zhuǎn)子的2個傳感器檢測到轉(zhuǎn)子的徑向位移變化信號，各自將檢測的信號經(jīng)由信號檢測處理電路進行調(diào)制、放大、解調(diào)、濾波等信號處理后以電壓信號輸出，兩路電壓信號進行比較形成轉(zhuǎn)子在該坐標(biāo)軸方向的差動位移信號，經(jīng)懸浮控制器控制運算并轉(zhuǎn)換成差動電流輸出，作為轉(zhuǎn)矩電流指令的增量調(diào)節(jié)信號，分別疊加在控制兩個定子繞組轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流指令信號上，差動控制兩逆變器對各自定子繞組的供電電流，使轉(zhuǎn)子從平衡狀態(tài)移向定子方的繞組電流減小，而轉(zhuǎn)子從平衡狀態(tài)遠離定子方繞組電流增加，通過改變兩定子繞組產(chǎn)生磁拉力 的相對大小來平衡干擾作用，使轉(zhuǎn)子重新回到平衡狀態(tài)，從而達到轉(zhuǎn)子的 穩(wěn)定懸浮。
本實用新型結(jié)構(gòu)簡單合理、緊湊，體積小，重量輕。球形轉(zhuǎn)子與定子 之間實現(xiàn)無摩擦、無磨損，動態(tài)性能好，響應(yīng)速度快，電機效率高，使用 壽命長?？蓮V泛應(yīng)用于機器人的關(guān)節(jié)及機械手的關(guān)節(jié)、多坐標(biāo)機械加工中 心、航空飛行器、電動陀螺儀、全方位跟蹤天線、炮塔轉(zhuǎn)臺、人體假肢、 醫(yī)療器械、攝像操作臺、全景攝影操作臺、攪拌機、移動機構(gòu)的萬向輪、 球形閥、球形泵等要求具有多個運動自由度的裝置、設(shè)備， 一臺向心推/ 拉力磁懸浮球形電動機可以代替兩臺或多臺單自由度電機。


圖1是本實用新型的球形電動機殼體結(jié)構(gòu)示意圖2是本實用新型沿圖1中A-A的剖面結(jié)構(gòu)示意圖3是本實用新型沿圖1中B-B的剖面結(jié)構(gòu)示意圖4是本實用新型的凸極定子的結(jié)構(gòu)示意圖5是本實用新型的凸極定子的剖面結(jié)構(gòu)示意圖6是圖4的俯視結(jié)構(gòu)示意圖7是本實用新型的球形轉(zhuǎn)子表面結(jié)構(gòu)示意圖8是圖7中C-C的剖面結(jié)構(gòu)示意圖9是本實用新型的工作控制示意圖中l(wèi)球形轉(zhuǎn)子，2凸極定子，3端蓋，4傳感器，5定位塊，6軸承，7 凸極定子，8端蓋，9殼體，IO電磁鐵夾持機構(gòu)，ll輸出轉(zhuǎn)臂，12主軸通孔， 13、 14、 15垂面通孔，16通電線圈繞組，17定子凸極，18轉(zhuǎn)子凸極，19轉(zhuǎn) 子溝槽。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖，進一步敘述本實用新型的實施案例。 向心推/拉力磁懸浮球形電動機，由電機殼體9、定子、球形轉(zhuǎn)子l、輸出轉(zhuǎn)臂ll等組成。電機殼體由底面為正八邊形的棱柱體制成，以八棱柱
體的主軸Z軸為中心線，開一主軸通孔12貫穿于棱柱體的兩底面，垂直于 主軸Z軸的X-Y內(nèi)，在棱柱體側(cè)面，均布有8個對稱于X軸或Y軸且垂直 于主軸通孔12的垂面通孔13、 14、 15。定子由凸極定子2、 7等組成。在 主軸通孔12的一入口端嵌入一繞Z軸旋轉(zhuǎn)的向心推/拉力磁懸浮球形電機 凸極定子7，沿X軸的2個垂面通孔13中入口處各自嵌入一繞X軸旋轉(zhuǎn)的 向心推/拉力磁懸浮球形電機凸極定子2，沿Y軸的2個垂面通孔14中入 口處各自嵌入一繞Y旋轉(zhuǎn)的向心推/拉力磁懸浮球形電機凸極定子2 ，凸極 定子通過帶孔的端蓋3、 8和通孔中的定位臺階將凸極定子固定在電機殼體 9上；另外4個對稱布置的垂面通孔15內(nèi)置放電磁鐵夾持機構(gòu)10;在凸極 定子固定端蓋中心設(shè)置有檢測轉(zhuǎn)子位置、運動速度的傳感器4。所有凸極 定子的定子凸極17表面構(gòu)成一定子凸極包絡(luò)球(或稱球形包絡(luò)內(nèi)表面)， 在該包絡(luò)球空間內(nèi)放置球形轉(zhuǎn)子l。轉(zhuǎn)子l與輸出轉(zhuǎn)臂ll固定為一體，輸 出轉(zhuǎn)臂通過電機殼體9的主軸通孔另一開口處伸向外端(外部)。由定子、 球形轉(zhuǎn)子等組成無軸承磁懸浮向心推/拉、力球形電機，以球形轉(zhuǎn)子1為共 用轉(zhuǎn)子，定子球形包絡(luò)內(nèi)表面與球形轉(zhuǎn)子外表面之間在二者同心時存在一 定的氣隙(間隙)。
定子采用具有良好導(dǎo)磁性能的材料制成，其定子凸極17表面構(gòu)成的包 絡(luò)面為無底的球冠內(nèi)表面，在各定子凸極之間的槽內(nèi)，繞有三相或多相通 電線圈繞組16,凸極定子2及其繞組16與球形轉(zhuǎn)子1構(gòu)成向心推/拉力磁 懸浮球形電機，綜合控制電機的通電線圈繞組16中的電流，將產(chǎn)生沿凸極 定子對稱軸方向的磁推/拉力和繞凸極定子對稱軸的電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)對球形 轉(zhuǎn)子1在三個空間方向的移動自由度限制，使球形轉(zhuǎn)子1穩(wěn)定懸浮在定子 凸極包絡(luò)球的中心，并產(chǎn)生繞定子2對稱軸并與轉(zhuǎn)子球表面相切的磁轉(zhuǎn)矩。 在控制器的綜合控制下，轉(zhuǎn)子就可繞指定軸轉(zhuǎn)動，以實現(xiàn)電機的兩自由度 或多自由度轉(zhuǎn)動。
球形轉(zhuǎn)子l由具有良好導(dǎo)磁性能的材料制成，其球表面開有相互垂直且連續(xù)的轉(zhuǎn)子溝槽19，轉(zhuǎn)子溝槽將整個球表面分為幾何形狀相同的微小單 元面轉(zhuǎn)子凸極18，以形成球形磁阻式或步進式關(guān)節(jié)的凸極轉(zhuǎn)子。感應(yīng)式或 直流式關(guān)節(jié)在凸極轉(zhuǎn)子的溝槽內(nèi)下導(dǎo)(線)體構(gòu)成轉(zhuǎn)子繞組或電樞繞組。
本向心推/拉力磁懸浮球形電機的工作原理是，如圖9所示，對y坐標(biāo) 軸方向的控制系統(tǒng)同時輸入相等的轉(zhuǎn)矩電流^和轉(zhuǎn)速w'指令信號，兩路信 號各自經(jīng)過解耦控制器矢量解耦后得到兩相電流《和《，由2^> / 30變換電路 變換成三相電流信號《、《C，去控制逆變器使整流穩(wěn)壓器輸出的直流電 變換為交流電，向各自控制的定子繞組提供驅(qū)動電流z'"、 z:、、以產(chǎn)生繞 y坐標(biāo)軸的同向等量電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動速度，從而驅(qū)動球形轉(zhuǎn)子1繞y坐標(biāo) 軸轉(zhuǎn)動。同時兩定子通電線圈繞組16將產(chǎn)生一對y軸方向上大小相等方向 相反的偏置磁拉力作用于球形轉(zhuǎn)子1，使球形轉(zhuǎn)子1在無擾動作用下懸浮 于y坐標(biāo)方向的平衡位置。當(dāng)球形轉(zhuǎn)子1在y坐標(biāo)軸方向受到擾動作用時， 球形轉(zhuǎn)子l將移向一凸極定子，離開另一凸極定子，球形轉(zhuǎn)子l兩側(cè)的兩 個傳感器分別檢測到球形轉(zhuǎn)子1的徑向位移變化信號，各自將檢測的信號 經(jīng)由信號檢測處理電路進行調(diào)制、放大、解調(diào)、濾波等信號處理后分別以 電壓信號"i、 "2輸出，兩路電壓信號經(jīng)過比較器比較得到y(tǒng)坐標(biāo)軸方向的 差動位移信號A" = "2 —"i ，差動位移信號A"經(jīng)懸浮控制器控制運算并轉(zhuǎn)換成 差動電流信號Az'輸出，該電流信號A/與控制兩個定子繞組轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流 指令信號分別相加減變?yōu)閊+A、 二—A/，差動控制兩逆變器對各自定子繞 組的供電電流4、 ^、、使球形轉(zhuǎn)子距離定子近的繞組電流減小，距離球 形定子遠的繞組電流增加，通過改變兩定子繞組產(chǎn)生磁拉力的相對大小來 平衡干擾作用，使球形轉(zhuǎn)子重新回到平衡狀態(tài)，從而達到轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮。
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權(quán)利要求1、向心推/拉力磁懸浮球形電動機，包括球形電動機殼體、定子、球形轉(zhuǎn)子、輸出轉(zhuǎn)臂構(gòu)成的球形電動機和檢測控制系統(tǒng)，其特征是球形電動機殼體由棱柱體或圓柱體制成，以柱體軸線為中心線，開一主軸通孔貫穿于柱體的兩底面，在柱體側(cè)面，均布至少4個垂直于主軸通孔的垂面通孔，所述的定子設(shè)有多個凸極定子，垂面通孔內(nèi)安裝有凸極定子或電磁鐵夾持機構(gòu)；在主軸通孔的一端嵌入凸極定子，通過帶孔的端蓋和主軸通孔中的定位臺階將凸極定子固定在殼體上；至少2個相互垂直的垂面通孔入口處嵌入凸極定子，并通過帶孔的端蓋和垂面通孔中的定位臺階將凸極定子固定在機殼體上；所有凸極定子的凸極端面構(gòu)成一定子凸極包絡(luò)球，在該包絡(luò)球空間內(nèi)置放球形轉(zhuǎn)子，球形轉(zhuǎn)子與輸出轉(zhuǎn)臂固定成一體，輸出轉(zhuǎn)臂通過主軸通孔的另一端伸向外部；定子凸極包絡(luò)球的球形包絡(luò)內(nèi)表面與球形轉(zhuǎn)子外表面之間在二者同心時存在一定的氣隙；檢測控制系統(tǒng)由x、y、z三個坐標(biāo)軸方向的獨立控制子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)設(shè)有控制球形轉(zhuǎn)子懸浮和轉(zhuǎn)動狀態(tài)的懸浮控制器、解耦控制器、2Φ/3Φ變換電路、整流穩(wěn)壓電路、逆變器、傳感器、信號檢測處理電路，傳感器設(shè)置在端蓋上的孔內(nèi)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的向心推/拉力磁懸浮球形電動機，其特征是 所述的電動機殼體圍繞球形轉(zhuǎn)子布置至少3個凸極定子，其中，繞柱體軸 線轉(zhuǎn)動的至少1個，繞垂直于柱體軸線的二維坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動的各至少1個， 在懸浮控制器控制下，實現(xiàn)球形轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮在定子凸極包絡(luò)球的中心， 且驅(qū)動其兩自由度或多自由度轉(zhuǎn)動。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的向心推/拉力磁懸浮球形電動機，其特征是 所述的定子由具有良好導(dǎo)磁性能的材料制成，其凸極定子凸極表面構(gòu)成的 包絡(luò)球面為無底的球冠內(nèi)表面，在各凸極之間的槽內(nèi)，繞有三相或多相通 電線圈繞組。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的向心推/拉力磁懸浮球形電動機，其特征是 所述的球形轉(zhuǎn)子由具有良好導(dǎo)磁性能的材料制成，其球表面開有相互垂直 且連續(xù)的溝槽，溝槽將整個球表面分為幾何形狀相同的微小單元面的轉(zhuǎn)子 凸極，溝槽內(nèi)下導(dǎo)體構(gòu)成轉(zhuǎn)子繞組或電樞繞組。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的向心推/拉力磁懸浮球形電動機，其特征是 所述的電磁鐵夾持機構(gòu)由電磁鐵鐵芯、線圈繞組、夾持銜鐵組成。
專利摘要向心推/拉力磁懸浮球形電動機，屬于電機技術(shù)領(lǐng)域。包括球形電動機殼體、定子、球形轉(zhuǎn)子、輸出轉(zhuǎn)臂構(gòu)成的球形電動機和檢測控制系統(tǒng)，球形電動機殼體由棱柱體或圓柱體制成，以柱體軸線為中心線開一主軸通孔，在柱體側(cè)面均布至少4個垂直于主軸通孔的垂面通孔，定子設(shè)有多個凸極定子，垂面通孔內(nèi)安裝有凸極定子或電磁鐵夾持機構(gòu)，凸極定子通過帶孔的端蓋固定在殼體上。檢測控制系統(tǒng)由x、y、z三個坐標(biāo)軸方向的獨立控制子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)中的傳感器設(shè)置在端蓋上的孔內(nèi)。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單合理、緊湊，體積小，重量輕。球形轉(zhuǎn)子與定子之間實現(xiàn)無摩擦、無磨損，動態(tài)性能好，響應(yīng)速度快，電機效率高，使用壽命長。
文檔編號H02N15/00GK201409103SQ20092003903
公開日2010年2月17日 申請日期2009年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月5日
發(fā)明者丹 張, 敏 戴, 勵 曾 申請人:揚州大學(xué)