專利名稱：永磁無軸承自懸浮三自由度球形電機及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電機設計和控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種多自由度球形電機。
背景技術(shù)：
隨著科技的進步，多自由度運動機構(gòu)的應用范圍越來越廣。傳統(tǒng)的多自由度運動機構(gòu)是由多臺單自由度電機聯(lián)合實現(xiàn)的，機構(gòu)龐大、傳動精度低、控制困難。球形電機可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子三個自由度的運動，在機器人、納米工作平臺等高精度控制系統(tǒng)中具有廣泛的應用前景，而永磁球形電機還具有體積較小、轉(zhuǎn)矩密度較高等特點。由于特殊的結(jié)構(gòu)和運動方式，球形電機轉(zhuǎn)子的支撐裝置也不同于普通電機。之前研究的結(jié)構(gòu)方案中，轉(zhuǎn)子的支撐方式主要采用以下方式直接接觸、萬向球軸承、關(guān)節(jié)軸承、 空氣軸承等。這些接觸方式都存在一些問題，在直接接觸方式中，轉(zhuǎn)子直接放置在定子內(nèi)壁或滑環(huán)上，雖然采用低摩擦系數(shù)的涂層來減小滑動摩擦，但摩擦轉(zhuǎn)矩仍然會對轉(zhuǎn)子的運動產(chǎn)生影響，如專利200810053083. 5中所涉及到的；萬向球軸承利用滾動摩擦代替滑動摩擦，雖然減小了摩擦轉(zhuǎn)矩，但由于軸承與轉(zhuǎn)子是點接觸，壓強較大，有可能會損壞轉(zhuǎn)子表面； 關(guān)節(jié)軸承能較好的實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的三自由度運動，但這種軸承比較適合電機的低速運動；空氣軸承能實現(xiàn)定轉(zhuǎn)子之間非接觸，大大減小了摩擦力，但需要額外的空氣加壓裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有的球形電機轉(zhuǎn)子支撐方式的缺陷，提出一種能夠防止轉(zhuǎn)子和定子之間產(chǎn)生摩擦力的三自由度球形電機。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種永磁無軸承自懸浮三自由度球形電機，包括底座，球形定子壁、定子線圈和轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子位于定子壁內(nèi)，其輸出軸從定子壁上方的開口處伸出，其特征在于，定子線圈為柱形無鐵心結(jié)構(gòu)，沿球形定子壁的赤道及與赤道平行的緯線上均勻分布3層，呈放射狀固定在球形定子壁上；轉(zhuǎn)子表面嵌有永磁體磁極，磁極沿與赤道分為上下兩層，每層的N極和S 極交替分布；每個定子線圈由一個驅(qū)動電路獨立控制。本發(fā)明同時提供一種上述的電機采用的控制方法，包括下列步驟(1)利用位移傳感器和角度傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置，獲取定子坐標系下轉(zhuǎn)子偏移量和轉(zhuǎn)過的歐拉角；(2)利用坐標變換原理，將各個定子線圈的位置坐標轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子球坐標系下，并計算各個定子線圈與轉(zhuǎn)子之間的氣隙長度；(3)計算各定子線圈通單位電流時產(chǎn)生的電磁力，并將計算結(jié)果轉(zhuǎn)換到定子直角坐標系，并計算出電磁力在直角坐標系下對應的電磁轉(zhuǎn)矩；(4)根據(jù)電機運行時所需磁懸浮力和輸出的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，計算出每個線圈電流的大小和方向； (5)根據(jù)上步求出的電流，實時控制各線圈的電流的大小和方向，使轉(zhuǎn)子懸浮在穩(wěn)定位置并輸出所需的轉(zhuǎn)矩。
本發(fā)明提出的是一種無軸承自懸浮三自由度球形電機及其控制方法，利用徑向電磁力產(chǎn)生支撐力，實現(xiàn)了磁懸浮力的可控和電機的無軸承運行；利用切向電磁力產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)子，實現(xiàn)三自由度運動，改善了電機的運動特性，提高了電機控制系統(tǒng)設計的靈活性。具體而言，有益效果如下1、永磁無軸承自懸浮三自由度球形電機可實現(xiàn)空間上的多自由度運動，將其應用于機器人、精密儀器等領(lǐng)域，可大大簡化機械系統(tǒng)的設計。2、永磁無軸承自懸浮球形電機實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的自懸浮控制，定轉(zhuǎn)子之間非接觸，克服了摩擦轉(zhuǎn)矩對運動控制的不利影響。3、永磁無軸承自懸浮球形電機利用定子線圈產(chǎn)生的電磁力的徑向分量合成磁懸浮力，無需另加輔助裝置，簡化了電機結(jié)構(gòu)。4、由于定子線圈采用無鐵心結(jié)構(gòu)，定子線圈之間無耦合效應，每個線圈由一個驅(qū)動電路獨立控制，簡化了控制系統(tǒng)。5、定子繞組線圈按等經(jīng)度和等緯度均勻分布，通過控制線圈電流以及通電線圈的位置與個數(shù)可以調(diào)節(jié)總電磁轉(zhuǎn)矩的方向和大小，能夠獲得不同的轉(zhuǎn)矩-特性，滿足不同的控制要求。


圖1永磁無軸承自懸浮三自由度球形電機結(jié)構(gòu)圖。圖中標號名稱為1定子壁；2定子線圈；3線圈螺栓；4球轉(zhuǎn)子；5輸出軸；6底座。圖2轉(zhuǎn)子球體結(jié)構(gòu)圖。圖中標號名稱為41永磁體磁極圖3控制流程圖。圖4轉(zhuǎn)子球心偏移示意圖。圖5 δ = 1.5mm時球形轉(zhuǎn)子坐標系ΣΜρ下的電磁力。(a) fr分量(b)^分量(c)f0分量。
具體實施例方式永磁無軸承自懸浮三自由度球形電機包括支撐部分、定子和球形轉(zhuǎn)子傳感器四部分，其中，支撐部分包括定子壁1，底座6，定子包括空心線圈2、線圈螺栓(3)，球形轉(zhuǎn)子4上固定輸出軸5。電機基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。轉(zhuǎn)子表面粘貼永磁體磁極41，磁極沿赤道分為上下兩層，每層6極，每一層磁極N、S極交替，上、下兩層磁極N、S極交替。如圖2所示。當定子繞組通電后，繞組受到的電磁力將包含徑向分量和切向分量。電磁力的徑向分量不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，但其能夠使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生位置偏移，電機運行前，轉(zhuǎn)子被支撐在底座上的支架上，通電后，位移傳感器可以檢測到轉(zhuǎn)子位置，控制器調(diào)節(jié)各線圈的電流，各線圈產(chǎn)生的電磁力的合力托起轉(zhuǎn)子，至轉(zhuǎn)子球心與定子球心的重合位置，此位置即為電機穩(wěn)定運行時的位置。電機運行時，一旦轉(zhuǎn)子位置偏移穩(wěn)定運行位置，位移傳感器將偏移量、角度傳感器將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的歐拉角反饋到控制系統(tǒng)，控制器做出相應調(diào)整，使轉(zhuǎn)子回復到穩(wěn)定位置。 另一方面，電磁力的切向分量產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，控制器調(diào)節(jié)各線圈電流的轉(zhuǎn)矩分量，產(chǎn)生所需要的電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)子進行偏航、傾斜和旋轉(zhuǎn)運動。由于永磁無軸承自懸浮球形電機中磁路不飽和，電流的電磁力分量和轉(zhuǎn)矩分量可獨立控制?？刂屏鞒虉D如圖3所示。具體的控制方法為1.電機運行前，定子線圈與轉(zhuǎn)子接觸，并提供支撐力。電機正常運行時，轉(zhuǎn)子與定子球心重合，該位置為球形轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定位置。一旦運行過程中發(fā)生偏移，如圖5所示，轉(zhuǎn)子球心初始點為0，發(fā)生偏移后變?yōu)镺1，偏移量為OO1用矢量Ar表示，傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置， 獲取轉(zhuǎn)子偏移量Δr和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的歐拉角α、β和Y。2.利用坐標變換原理，將定子各線圈的位置坐標轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子球坐標系下。各定子線圈在定子坐標系下的位置坐標已知，由電機結(jié)構(gòu)確定。設第i個定子線圈在定子坐標系的坐標為(Xi, Yi, Zi),在轉(zhuǎn)子直角坐標系下的坐標(Xi，yi，Zi)，則(Xi，yi，Zi) = (ΧρΥρΖ^Φ ^α，β，λ)*!/1 i = 1. . . 24(1)其中R(a，β, y)為歐拉角旋轉(zhuǎn)變換矩陣，L為關(guān)于Δ r的平移矩陣，上標-1為矩陣求逆運算，下標i表示定子線圈標號?？紤]到永磁球形磁場和轉(zhuǎn)矩通常在球坐標系下進行分析，該線圈在轉(zhuǎn)子球坐標系下的位置可表示為(雙，θ φ,)
權(quán)利要求
1.一種永磁無軸承自懸浮三自由度球形電機，包括底座，球形定子壁、定子線圈和轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子位于定子壁內(nèi)，其輸出軸從定子壁上方的開口處伸出，其特征在于，定子線圈為柱形無鐵心結(jié)構(gòu)，沿球形定子壁的赤道及與赤道平行的緯線上均勻分布3層，呈放射狀固定在球形定子壁上；轉(zhuǎn)子表面嵌有永磁體磁極，磁極沿與赤道分為上下兩層，每層的N極和S 極交替分布；每個定子線圈由一個驅(qū)動電路獨立控制。
2.—種權(quán)利要求1所述的電機采用的控制方法，其特征在于，包括下列步驟(1)利用位移傳感器和角度傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置，獲取定子坐標系下轉(zhuǎn)子偏移量和轉(zhuǎn)過的歐拉角；(2)利用坐標變換原理，將各個定子線圈的位置坐標轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子球坐標系下，并計算各個定子線圈與轉(zhuǎn)子之間的氣隙長度；(3)計算各定子線圈通單位電流時產(chǎn)生的電磁力，并將計算結(jié)果轉(zhuǎn)換到定子直角坐標系，并計算出電磁力在直角坐標系下對應的電磁轉(zhuǎn)矩；(4)根據(jù)電機運行時所需磁懸浮力和輸出的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，計算出每個線圈電流的大小和方向；(5)根據(jù)上步求出的電流，實時控制各線圈的電流的大小和方向，使轉(zhuǎn)子懸浮在穩(wěn)定位置并輸出所需的轉(zhuǎn)矩。
全文摘要
本發(fā)明屬于電機設計和控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種永磁無軸承自懸浮三自由度球形電機，包括底座，球形定子壁、定子線圈和轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子位于定子壁內(nèi)，其輸出軸從定子壁上方的開口處伸出，其特征在于，定子線圈為柱形無鐵心結(jié)構(gòu)，沿球形定子壁的赤道及與赤道平行的緯線上均勻分布3層，呈放射狀固定在球形定子壁上；轉(zhuǎn)子表面嵌有永磁體磁極，磁極沿與赤道分為上下兩層，每層的N極和S極交替分布；每個定子線圈由一個驅(qū)動電路獨立控制。本發(fā)明同時提供一種上述電機的控制方法。本發(fā)明的電機及其控制方法，實現(xiàn)了磁懸浮力的可控和電機的無軸承運行，并改善了電機的運動特性，提高了電機控制系統(tǒng)設計的靈活性。
文檔編號H02N15/00GK102412763SQ201110378658
公開日2012年4月11日 申請日期2011年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月24日
發(fā)明者史君杰, 夏長亮, 李斌, 李桂丹 申請人:天津大學