专利名称：正交绕组感应式磁悬浮球形主动关节的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种球形关节，具体地，涉及一种正交绕组感应式磁悬浮球形主动关节，其工程中广泛使用的具有支承驱动功能的关节系统，属于机电一体化技术领域。
背景技术：
球形关节在机器人及机械手，乃至多坐标机械加工中心、航天飞行器、电动陀螺仪、全方位跟踪天线、炮塔转台、医疗器械、摄像操作台、全景摄影操作台、搅拌机、移动机构的万向轮、球形阀、球形泵等具有多个运动自由度的设备中具有广泛的应用前景。典型地，关节系统包括驱动器、传动器和控制器，其属于机器人的基础部件，是整个机器人伺服系统中的一个重要环节，其结构、重量、尺寸对机器人性能有直接影响。大多数球形关节为多自由度关节，而多自由度关节的运动是几个关节通过连杆连接并利用平移和旋转运动协调运动产生的，往往需要采用多套单自由度的驱动机构以及复杂的机械传动机构来完成。这样将导致结构复杂，体积庞大，关节摩擦面磨损严重，效率低下，制造安装非常困难，运动空间范围小，响应迟缓，动态性能较差。而且机械传动系统误差的累计导致整个控制系统的精度下降，甚至影响系统的稳定性。有鉴于此，需要设计一种新型的球形关节，以克服现有技术的上述缺陷。
实用新型内容本实用新型的目的是针对现有球形关节存在的上述问题，基于磁悬浮技术和电机技术，提供一种机械集成度高、结构简单、基本无摩擦磨损，精度高和动态性能好，具有能够绕定点空间轴旋转的多自由度磁悬浮球形主动关节。上述目的通过如下技术方案实现正交绕组感应式磁悬浮球形主动关节，包括导磁的关节定子、导磁的球形转子及其转动主轴、以及用于控制所述关节定子上各个三相绕组通断电状态的检测控制系统，其中，所述关节定子内表面的形状为一带有开口的内球形面，所述球形转子与所述转动主轴固定为一体，该转动主轴通过所述开口伸向外部，所述关节定子的内球形面与所述球形转子的外球形面之间相互同心且存在气隙；所述关节定子的内球形面上开有相互正交的定子沟槽，该定子沟槽内设有六组三相绕组，该六组三相绕组各自沿圆周方向布置并设置为在以所述关节定子内球形面球心为坐标原点0、以穿过该关节定子内球形面圆心和所述开口中心的坐标轴为Z轴而构成三维坐标系中，所述六组三相绕组中的两个三相绕组环绕Z轴布置并相对于OXY坐标平面对称，两个三相绕组环绕Y 轴布置并相对于OXZ坐标平面对称，另两个三相绕组环绕X轴布置并相对于OYZ平面对称； 所述球形转子的外球形面上开有相互正交的转子沟槽，该转子沟槽内布置有转子绕组，该转子绕组构成闭合回路。具体地，所述定子沟槽包括相互正交的定子经度槽和定子纬度槽，所述转子沟槽包括相互正交的转子经度槽和转子纬度槽。选择地，所述开口为圆形开口。
3[0009]通过上述技术方案，本实用新型结构简单、合理、紧凑，综合应用磁悬浮技术和电机技术，实现无轴承的悬浮支承并驱动球形转子转动，主动关节的球形转子与定子之间基本实现无摩擦、无磨损，动态性能好，响应速度快。本实用新型的正交绕组感应式磁悬浮球形主动关节提高了关节的效率，延长了使用寿命，在机器人的关节及机械手的关节、多坐标机械加工中心、航天飞行器、电动陀螺仪、全方位跟踪天线、炮塔转台、人体假肢、医疗器械、 摄像操作台、全景摄影操作台、搅拌机、移动机构的万向轮、球形阀、球形泵等具有多个运动自由度的设备中具有很好的应用前景。
图1为本实用新型具体实施方式
的关节定子的剖视示意图。图2为本实用新型具体实施方式
的关节定子的内球面的示意图。图3为本实用新型具体实施方式
的球形转子的结构示意图。图4至图6分别是从不同方向观察的关节定子绕组结构及其产生的电磁力、电磁转矩的分析示意图。图中1开口 ；2定子经度槽；3定子纬度槽；4定子凸极；5转子凸极；6转子经度槽；7转子纬度槽；8，9 X轴方向半球面绕组；10，11 Y轴方向半球面绕组；12，13 Z轴方向半球面绕组；14球形转子。
具体实施方式
以下结合附图描述本实用新型正交绕组感应式磁悬浮球形主动关节的具体实施方式
。参见图1至图6，本实用新型的正交绕组感应式磁悬浮球形主动关节，包括导磁的关节定子、导磁的球形转子14及其转动主轴、以及用于控制所述关节定子上各个三相绕组通断电状态的检测控制系统，其中，关节定子内表面的形状为一带有开口 1 (优选圆形开口) 的内球形面，球形转子14与转动主轴固定为一体，转动主轴通过上述开口 1伸向外部，关节定子的内球面与球形转子的外球面之间相互同心并且存在气隙(间隙)。参见图1、图2以及图4至图6所示，所述关节定子由具有良好导磁性能的材料， 例如高硅钢材料制成，其内表面为内球形面，在该内球形面开有相互正交的定子沟槽(例如包括定子经度槽2和定子纬度槽3)。如图1和图2所示，在以关节定子内球面球心为坐标原点、以穿过该关节定子内球面圆心和开口中心的坐标轴为Z轴而构成三维坐标系中，则该三维坐标系中每个二维坐标平面将定子内球面分为对称的两个半球面。OXY平面将关节定子内球面分为对称的两个内半球面，该半球面内定子凸极4、定子沟槽如图2所示，分别在这两个内半球面的定子沟槽内，绕Z轴整体整体沿圆周方向嵌入一套三相绕组(图4中的X轴方向半球面绕组8、9)，且该两套三相绕组相对于OXY平面对称；OXZ平面将定子内球面分为对称的两个内半球面，分别在这两个内半球面的定子沟槽内，绕Y轴整体沿圆周方向嵌入一套三相线圈绕组(图5中的Y轴方向半球面绕组10、11)，且两套三相绕组相对于 OXZ平面对称；OYZ平面将定子内球面分为对称的两个内半球面，分别在这两个内半球面的定子沟槽内，绕X轴整体沿圆周方向嵌入一套三相线圈绕组(图6中的Z轴方向半球面绕组 12、13)，且该两套三相绕组相对于OYZ平面对称。[0018]所述球形转子14由具有良好导磁性能的材料，例如高硅钢材料制成，其外球面与定子内球面相同，按经度和纬度方向开有相互正交的转子沟槽(包括转子经度槽6和转子纬度槽7)，转子沟槽将整个外球面分为几何形状相同的微小单元面的转子凸极5，如图4所示，转子沟槽内放置有(或浇注)转子绕组，该转子绕组构成闭合回路。参见图4至图6，所述正交绕组感应式磁悬浮球形主动关节的工作原理是，对X轴方向的两个内半球面的三相定子绕组(图4中的X轴方向半球面绕组8、9)同时通入三相电流，在检测控制系统作用下，各自将产生绕X轴的旋转磁场，同时在转子绕组中产生感应电流，具有感应电流流动的转子绕组切割磁力线，便产生驱动转子绕X轴旋转的合成电磁转矩MX=MX1+MX2 ；同时，X轴方向半球面绕组8、9产生磁拉力FXl和FX2，在检测控制系统控制下，使球形转子沿X轴方向稳定悬浮，如图4所示；对Y轴方向的两个内半球面的三相定子绕组(图5中的Y轴方向半球面绕组10、11)同时通入三相电流，在检测控制系统作用下， 各自将产生绕Y轴的旋转磁场，同时在转子绕组中产生感应电流，具有感应电流流动的转子绕组切割磁力线，便产生驱动转子绕Y轴旋转的合成电磁转矩MY=MY1+MY2 ；同时，两个内半球面的绕组产生磁拉力FYl和FY2，在检测控制系统控制下，使球形转子沿Y轴方向稳定悬浮；对Z轴方向的两个内球面的三相定子绕组(图6中的Z轴方向半球面绕组12、13)通入三相电流，在检测控制系统作用下，各自将产生绕Z轴的旋转磁场，同时在转子绕组中产生感应电流，具有感应电流流动的转子绕组切割磁力线，便产生驱动转子绕Z轴旋转的合成电磁转矩MZ=MZ1+MZ2 ；同时，该内球面的绕组产生磁拉力FZl和FZ2，在检测控制系统控制下，使球形转子沿Z轴方向稳定悬浮。在此需要另外说明的是，本发明的正交绕组感应式磁悬浮球形主动关节，其中“主动关节”中的“主动”表示该球形关节通过控制各个三相绕组通电状态来控制各个方向的磁拉力，即能够容易地实现多自由度运动，其无需通过多套单自由度的驱动机构以及复杂的机械传动机构来完成运动。由上描述可见，本实用新型结构简单、合理、紧凑，综合应用磁悬浮技术和电机技术，实现无轴承的悬浮支承并驱动球形转子转动，主动关节的球形转子与定子之间基本实现无摩擦、无磨损，动态性能好，响应速度快。本实用新型的正交绕组感应式磁悬浮球形主动关节提高了关节的效率，延长了使用寿命，在机器人的关节及机械手的关节、多坐标机械加工中心、航天飞行器、电动陀螺仪、全方位跟踪天线、炮塔转台、人体假肢、医疗器械、摄像操作台、全景摄影操作台、搅拌机、移动机构的万向轮、球形阀、球形泵等具有多个运动自由度的设备中具有很好的应用前景。在上述具体实施方式
中所描述的各个具体技术特征，可以通过任何合适的方式进行任意组合，其同样落入本实用新型所公开的范围之内。同时，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。此外，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。本实用新型的保护范围由权利要求限定。
权利要求1.正交绕组感应式磁悬浮球形主动关节，其特征是，包括导磁的关节定子、导磁的球形转子(14)及其转动主轴、以及用于控制所述关节定子上各个三相绕组通断电状态的检测控制系统，其中，所述关节定子内表面的形状为一带有开口(1)的内球形面，所述球形转子与所述转动主轴固定为一体，该转动主轴通过所述开口伸向外部，所述关节定子的内球形面与所述球形转子的外球形面之间相互同心且存在气隙；所述关节定子的内球形面上开有相互正交的定子沟槽，该定子沟槽内设有六组三相绕组，该六组三相绕组各自沿圆周方向布置并设置为在以所述关节定子内球形面球心为坐标原点0、以穿过该关节定子内球形面圆心和所述开口(1)中心的坐标轴为Z轴而构成三维坐标系中，所述六组三相绕组中的两个三相绕组环绕Z轴布置并相对于OXY坐标平面对称， 两个三相绕组环绕Y轴布置并相对于OXZ坐标平面对称，另两个三相绕组环绕X轴布置并相对于OYZ平面对称；所述球形转子(14)的外球形面上开有相互正交的转子沟槽，该转子沟槽内布置有转子绕组，该转子绕组构成闭合回路。
2.根据权利要求1所述的正交绕组感应式磁悬浮球形主动关节，其特征是，所述定子沟槽包括相互正交的定子经度槽(2)和定子纬度槽(3)，所述转子沟槽包括相互正交的转子经度槽(6 )和转子纬度槽(7 )。
3.根据权利要求1所述的正交绕组感应式磁悬浮球形主动关节，其特征是，所述开口 (1)为圆形开口。
专利摘要正交绕组感应式磁悬浮球形主动关节，包括导磁的关节定子、导磁的球形转子(14)及其转动主轴、以及用于控制所述关节定子上各个三相绕组通断电状态的检测控制系统，其中，所述关节定子的内球形面与所述球形转子的外球形面之间相互同心且存在气隙；所述关节定子的内球形面上开有相互正交的定子沟槽，该定子沟槽内设有六组三相绕组，所述球形转子(14)的外球形面上开有相互正交的转子沟槽，该转子沟槽内布置有构成闭合回路的转子绕组。本实用新型结构简单、合理、紧凑，综合应用磁悬浮技术和电机技术，实现无轴承的悬浮支承并驱动球形转子转动，主动关节的球形转子与定子之间基本实现无摩擦、无磨损，动态性能好，响应速度快。
文档编号B25J17/00GK202151865SQ201120185779
公开日2012年2月29日 申请日期2011年6月3日 优先权日2011年6月3日
发明者张丹, 徐媛媛, 曾励 申请人:扬州大学