专利名称：三自由度运动永磁球形步进电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及球形步进电动机，更具体地说是一种利用转子上分布的永磁体和定子上通电 线圈绕组的相互作用使转子产生三自由度运动的永磁球形步进电动机，主要应用在航空、航 天、机器人、仿生学等技术领域中。
背景技术：
要实现多自由度运动，传统方法往往需要多台单自由度驱动电机来实现，从而导致整个 系统体积庞大、可靠性差、精度不高、效率低下。球形电机与传统多自由度传动机构相比， 其结构简单、体积小、重量轻，广泛应用于机器人的关节、球形阀、全景摄像云台、全方位 运输机构等传动领域。
计算机技术、电力电子技术的发展、控制理论和电机理论研究的不断深入以及新材料和 制造工艺水平的提高，为多维电动机的发展提供了坚定的基础。针对多自由度传动系统存在 的问题，国内外专家提出并研究了多种结构形式的球形电机。随着永磁材料的日益发展和在 电机中的广泛应用，永磁材料也逐渐引入球型电机，目前出现的球形电动机主要有以下几种 结构
1、 感应型球形电机
2、 变磁阻型球形电机
3、 永磁球形步进电动机
4、 表面覆盖磁钢式永磁球形电动机
5、 Halbach阵列永磁球形同步电动机
上述第1种结构定转子均采用分布绕组，电机结构复杂，伺服性能受感应电机限制；第 2种结构铁磁材料或磁极嵌入球形转子，定子采用集中绕组结构，转子磁极根据正多面体顶 点位置在球面分布或均匀分布；第3种结构定转子均采用柱形结构，分布位置要根据转子运 动要求进行相应的配合性计算，步进角度与定转子磁极配合有关；第4种结构球形电动机表 面覆盖弧面磁钢，采用112个磁极，定子96个绕组，转子采用液压轴承支撑，控制系统复 杂；第5种结构转子表面按Halbach阵列分布永磁体，削弱了磁场谐波的影响，磁钢弧面加 工工艺复杂，目前尚处于研究阶段。由于该电动机转子做空间三维运动，以上几种结构形式 的球形电动机均存在转子位置检测难的问题。传统的接触式滑轨支架测量系统增加了摩擦阻 力，影响转子的动态响应和定位精度
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种三自由度运动永磁球形步进 电动机。以球形转子结构实现三自由度运动，并且可以利用机器视觉的方法对转子位置进行 检测，解决球形电机转子位置检测难的问题。同时可以利用所获取的转子位置对电动机进行 反馈控制，从而简化三自由度机械装置结构，提高系统的动静态性能和控制精度。
本发明解决技术问题采用如下技术方案
本发明三自由度运动永磁球形步进电动机，本发明的结构特点是
球形转子是由不导磁材料制成空心转子球壳，在空心转子球壳上，按等经度和等讳度的 间隔分布有永磁体槽，相邻永磁体槽中沿空心转子球壳径向设置的圆柱状永磁体以N极和S 极交错分布；
在位于球形转子外围的定子球壳上分布有依球面等纬度均匀分布的多层线圈孔，与空心 转子球壳的径向距离可调的定子绕组线圈设置在各线圈孔中；
输出轴穿过球形转子轭上部与空心转子球壳固连；位于定子球壳的外围，在输出轴上固 定设置半球形外壳，外壳的球心与空心转子球壳的球心相重合，在外壳的表面，设置编码图 案。
本发明三自由度运动永磁球形步进电动机的结构特点也在于
固定设置定子球壳在底座和端盖之间，在底座和端盖的中央，相向设置底部环状滚珠轴 承和端盖环状滚珠轴承，空心转子球壳支承在底部环状滚珠轴承和端盖环状滚珠轴承之间； 底部环状滚珠轴承在底座中的高度可调。
设置空心转子球壳是由上半球壳和下半球壳相扣构成。
在空心转子球壳的永磁体槽中，设置螺纹连接的永磁体端盖，永磁体通过永磁体端盖固 定在永磁体槽中，并以树脂密封端盖缝隙，在永磁体的底部设置压簧。
本发明电动机的工作原理是在球形电动机气隙中，球形转子中永磁体产生的磁场和通 电的定子绕组线圈产生的磁场相互作用，可以产生任意方向的转矩，使转子向目标方向运动。 针对在空心转子球壳上，永磁体按等经度和等纬度分布为四层，每层分布十只，共四十只圆 柱永磁体，为四十极；定子球壳中的定子绕组线圈设置为两层，每层分布有十二只，共二十 四极。每只定子绕组线圈均由单独的驱动电路进行控制。采用机器视觉的方法，利用视觉传 感器得到转子位于当前位置时，喷涂在外壳上的图案，通过传感器参数矩阵、获取的图案信 息计算得到转子位置。并根据此位置和规划的下一个目标位置，通过精确控制各定子绕组线 圈的电流来驱动球形转子，实现电动机的步进运动。在输出轴运动范围内，通过路径规划和 细分实现球形步进电动机转子绕任意轴旋转运动，从而实现负载任意位置的定位运动。与已有技术相比，本发明有益效果体现在
1、 本发明以球形转子结构实现三自由度运动，可以取代传统的多自由度传动机构，广 泛应用在机器人关节、球形阀、全景摄像云台、全方位运输机构等传动领域。可以有效减小 传动机构体积，简化结构、提高系统的动静态性能。
2、 本发明采用机器视觉检测球形转子位置，可以有效避免传统接触式导轨式测量系统 中由于与转子相接触带来的摩擦阻力，提高转子的动态响应和定位精度。测量系统结构简单， 精度高。
3、 本发明中定子绕组线圈和转子永磁体均按等经和等纬度进行分布，每个定子绕组线
圈均由一个单独的电流控制器驱动。根据计算得出需要控制的多个线圈的电流和方向，从而 控制电机转矩输出实现球形电动机转子按照规划的路径步进运动，其优点是多线圈同时导通 可有效增大电机的输出转矩。该步进运动控制方式可以在保证精度的前提下实现电机转子绕 球心做三自由度运动。
4、 本发明空心转子球壳是由两个中空的半球壳构成，采用空心结构可有效减小转子转 动惯量，提高了电机的响应速度。
5、 本发明通过调整底部环形滚珠轴承在底座中的高度，可以使定子与转子的球心重合 度提高，进而提高电机转子的安装精度。
6、 本发明通过调整定子绕组线圈在线圈孔中的径向位置，可以调节定子与转子之间的 气隙大小，可调节单线圈输出转矩，提高了电机设计的灵活性。
图1为本发明三自由度永磁球形步进电动机结构示意图。
图2为本发明球形转子结构示意图。
图3为本发明永磁体及其安装方式结构示意图。
图4为本发明定子结构示意图。
图5为本发明定位球壳结构示意图。
图中标号1空心转子球壳、2定子球壳；3定子绕组线圈；4外壳；5法兰；6输出 轴；7底座；8底部环形滚珠轴承；9定子端盖；9a端盖环状滚珠轴承；10拧紧螺栓；11固 定螺母；12永磁体槽；13永磁体端盖；14永磁体；15压簧；16定位销；17线圈螺栓； 18编码图案。
以下通过具体实施方式
，结合附图对本发明作进一步说明。
具体实施例方式
参见图1、图2，为了减小转动惯量，在球形转子中，由不导磁材料制成的上半球壳和 下半球壳相扣构成空心转子球壳1，固定在输出轴6上的拧紧螺栓IO和定位销16将上半球 壳和下半球壳拼接在一起。
在空心转子球壳1上，按等经度和等纬度的间隔分布有四层永磁体槽12，相邻永磁体 槽12中的沿空心转子球壳1径向设置的圆柱状永磁体14以N极和S极交错分布；固定在 底座7上高度可调的底部环状滚珠轴承8支承在空心转子球壳1的底部，底部环状滚珠轴承 8由非导磁材料制成，球形转子与底部环状滚珠轴承为多个位置上的点接触，以此可减小其 间的摩擦阻力。
参见图1图4，在位于球形转子外围的定子球壳通过螺纹孔与底座7固定连接，定子球 壳2上的线圈孔的分布形式是，依球面等纬度均匀分布有两层，每层只有十二只，按照等纬 度间隔分布并关于定子球壳的赤道形成对称，共有二十四只线圈孔；定子绕组线圈3通过线 圈螺栓17设置在各线圈孔中，定子绕组线圈3与空心转子球壳1的径向距离通过线圈螺栓 17的调整可以得到调节，以此调节定子与转子之间的气隙大小，在定子端盖9的底部固定 设置用于压设在空心转子球壳1的顶部的端盖环状滚珠轴承9a，用于防止球形转子运动过 程中抖动，端盖环状滚珠轴承9a设置为环形结构，以保证输出轴6的自由运动，实现球形 转子带负载运行。
参见图l、图3，端部设置有法兰5的输出轴6穿过球形转子轭上部与空心转子壳1固 连；在空心转子球壳1的永磁体槽12中，设置螺纹连接的永磁体端盖13，永磁体14通过 永磁体端盖13固定在永磁体槽12中，并以树脂密封端盖缝隙，以减小转子与底部环状滚珠 轴承8的摩擦阻力，在永磁体14的底部设置有压簧15。
参见图l、图3和图5，位于定子球壳2的外围，在输出轴6上固定设置半球形外壳4， 外壳4的球心与空心转子球壳1的球心相重合，外壳4为塑料构件、表面喷涂有编码图案 18。
具体实施中相应的结构设置也包括
圆柱状永磁体14是以钕铁硼材料烧结制成，沿着其圆柱高的方向充磁，每个永磁体即 为一个磁极；定子绕组线圈3采用柱状结构，以漆包线绕制。
相关的控制是根据所划分的运动轨迹和由机器视觉所测得的当前球形转子的位置，精确 控制定子绕组线圈中的电流，从而驱动球形转子做步进运动，实现球形转子输出轴在一定范 围内运动。
6控制转子从位置A步进运动到位置B过程如下转子在位置A处时，视觉传感器获取
外壳4上的一副图案。通过图像处理获取图案特征点的像素坐标。利用特征点间的位置关系、
像素坐标和视觉传感器的参数矩阵得到特征点在球形转子上和空间坐标系下的坐标，用四元
数法计算可得到转子位置旋转矩阵，即得到转子处于位置A时的位置信息。利用计算好的 转矩曲面和位置A、 B处的位置信息，查表计算得到需要线圈的电流值。步进运动完成后， 同样采用上述机器视觉的方法检测转子是否到达位置B。如果位置误差超过规定值，调整线 圈电流值。
权利要求
1、三自由度运动永磁球形步进电动机，其特征是球形转子是由不导磁材料制成空心转子球壳(1)，在所述空心转子球壳(1)上，按等经度和等纬度的间隔分布有永磁体槽(12)，相邻永磁体槽(12)中沿空心转子球壳(1)径向设置的圆柱状永磁体(14)以N极和S极交错分布；在位于球形转子外围的定子球壳(2)上分布有依球面等纬度均匀分布的多层线圈孔，与空心转子球壳(1)的径向距离可调的定子绕组线圈(3)设置在各线圈孔中；输出轴(6)穿过球形转子轭上部与空心转子球壳(1)固连；位于定子球壳(2)的外围，在所述输出轴(6)上固定设置半球形外壳(4)，所述外壳(4)的球心与空心转子球壳(1)的球心相重合，在所述外壳(4)的表面，设置编码图案(18)。
2、 根据权利要求1所述的三自由度运动永磁球形步进电动机，其特征是固定设置所述 定子球壳(2)在底座(7)和端盖(9)之间，在所述底座(7)和端盖(9)的中央，相向 设置底部环状滚珠轴承(8)和端盖环状滚珠轴承(9a)，所述空心转子球壳(1)支承在所 述底部环状滚珠轴承(8)和端盖环状滚珠轴承(9a)之间；所述底部环状滚珠轴承(8)在 底座(7)中的高度可调。
3、 根据权利要求1所述的三自由度运动永磁球形步进电动机，其特征是设置空心转子 球壳(1)是由上半球壳和下半球壳相扣构成。
4、 根据权利要求1所述的三自由度运动永磁球形步进电动机，其特征是在所述空心转 子球壳(1)的永磁体槽(12)中，设置螺纹连接的永磁体端盖(13)，所述永磁体(14)通 过永磁体端盖(13)固定在永磁体槽(12)中，并以树脂密封端盖缝隙，在所述永磁体(14) 的底部设置压簧(15)。
全文摘要
三自由度运动永磁球形步进电动机，其特征是在空心转子球壳上，分布有永磁体槽，在位于球形转子外围的定子球壳上分布有线圈孔，定子绕组线圈设置在各线圈孔中；输出轴与空心转子球壳固连；位于定子球壳的外围，在输出轴上固定设置半球形外壳，外壳的球心与空心转子球壳的球心相重合，在外壳的表面设置编码图案。本发明以球形转子结构实现三自由度运动，并且可以利用机器视觉的方法对转子位置进行检测，解决球形电机转子位置检测难的问题。同时可以利用所获取的转子位置对电动机进行反馈控制，从而简化三自由度机械装置结构，提高系统的动静态性能和控制精度。
文档编号H02K3/00GK101527491SQ20091011660
公开日2009年9月9日 申请日期2009年4月21日 优先权日2009年4月21日
发明者争 李, 李国丽, 王群京, 喆 钱 申请人:安徽大学