专利名称：多自由度球形电机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种球形电机，特别涉及一种结构简单的多自由度球形电机。
背景技术：
传统的单自由度的驱动电机，要实现二个自由度以上的运动需要二个或多个伺服电机通过复杂的机械连接实现，这不仅造成机械乎体积大、重量重，而目系统的动态和静态性能差。多自由度电动机发展至今，永磁球形电机越来越受到关注，无需叠片结构，具有运行原理相对简单、力能指标高、体积小、重量轻，便于制造及控制简单等优点，但电机本体的加工和制造仍然比较复杂，球面加工困难，需要用到国际上先进的四轴、五轴加工技术，成本较高，不能实现商业化生产。
发明内容本实用新型是针对现在多自由度电动机结构制造困难的问题，提出了一种多自由度球形电机，是一种结构相对简单的多自由度球形电机，加工简单，适合于电磁计算和控制系统的设计。本实用新型的技术方案为一种多自由度球形电机，包括转子球体、转子齿、铝层、 输出轴、滚珠、定子绕组、定子壳，转子球体上安装四十八个转子齿、四个滚珠和一个输出轴，转子球体和转子齿均为永磁体，滚珠和输出轴为非导磁体；内面光滑的铝层呈碗状，滚珠支撑转子球体在铝层内面滑动，滚珠在球体表面的位置在空间上为正四面体的4个顶点；铝层与定子壳的夹层中，分布六十四个定子绕组，控制定子绕组的通电顺序，完成球面运动。所述六十四个定子绕组采用以输出轴为圆心进行展开，六十四个定子绕组均勻分布在球面分成十六等分后的经线上，形成以输出轴为圆心的4个同心圆，每个圆上有十六个定子绕组。所述四十八个转子齿采用以输出轴为圆心进行展开，四十八个转子齿均勻分布在球面分成十二等分后的经线上，形成以输出轴为圆心的4个同心圆，每个圆上有十二个定
子绕组。所述转子齿为螺钉型，嵌入转子球面，转子齿上表面为方形，转子齿与转子球体接触的下表面为弧形，紧紧贴合于转子球体的外表面。本实用新型的有益效果在于本实用新型多自由度球形电机，大大地简化了机械系统的结构，降低了生产成本，且体积小、重量轻，系统的动态、静态性能高。
图1为本实用新型多自由度球形电机结构图；图2为本实用新型多自由度球形电机的定子绕组结构展开图；图3为本实用新型多自由度球形电机的转子齿结构展开图；[0012]图4为本实用新型多自由度球形电机的转子齿外形图。
具体实施方式
如图1所示多自由度球形电机结构图，包括转子球体1、转子齿2、铝层3、输出轴 4、滚珠5、定子绕组6、定子壳7。转子球体1上安装四十八个转子齿2、四个滚珠5和一个输出轴4，转子球体1和转子齿2均为永磁体，滚珠5和输出轴4为非导磁体。输出轴4可实现八个垂直俯仰方向和一个水平旋转方向的运动，即九个自由度运动。滚珠5在球体表面的位置在空间上为正四面体的4个顶点，旋转运动时上面三个滚珠保持平衡，底下一个滚珠承担重力，可以实现稳定的运动；俯仰运动时，保证了总有一个三角形面在铝层3上， 也可实现稳定运动。铝层3呈碗状，内面光滑，与定子壳7的夹层中，分布六十四个定子绕组6，通过控制定子绕组6的通电顺序，完成球面运动。当两个通电绕组中，每个定子绕组6 附近都有转子齿2，并且两个转子齿2之间的距离(齿距)和两个通电定子绕组6的距离相等时，就可以产生转矩，对转子齿2产生吸附力，使电机运动到需要的位置。工作原理与平面开关磁阻电机类似。如图2所示多自由度球形电机中的定子绕组结构展开图，包括六十四个定子绕组。由于球面为不可展曲面，现采用经线法进行分块展开，将球面分成十六等分后按经线连接各等分点，以图1中的输出轴4为圆心进行展开。在水平旋转运动中，采用四相控制，每一个同心圆周(共有四个同心圆周)上有十六个定子绕组；在垂直俯仰运动中，也采用四相控制，即每条经线上有四个定子绕组，不过由于顶端和底部转子齿的缺失，在垂直俯仰方向上只能进行有限范围(小于90度)的转动。如图3所示多自由度球形电机的转子齿结构展开图，包括四十八个转子齿。采用经线法进行分块展开，将球面分成十二等分后按经线连接各等分点，以图1中的输出轴4为圆心进行展开。如图4所示多自由度球形电机的转子齿外形图，转子齿2为方形螺丝，底部加工成弧形，紧紧贴合于转子球体1的外表面。
权利要求1.一种多自由度球形电机，其特征在于，包括转子球体(1)、转子齿(2)、铝层(3)、输出轴(4)、滚珠(5)、定子绕组(6)、定子壳(7)，转子球体(1)上安装四十八个转子齿(2)、四个滚珠(5 )和一个输出轴(4 )，转子球体(1)和转子齿(2 )均为永磁体，滚珠(5 )和输出轴(4 ) 为非导磁体；内面光滑的铝层(3 )呈碗状，滚珠(5 )支撑转子球体(1)在铝层(3 )内面滑动， 滚珠(5)在球体(1)表面的位置在空间上为正四面体的4个顶点；铝层(3)与定子壳(7)的夹层中，分布六十四个定子绕组(6 )，控制定子绕组(6 )的通电顺序，完成球面运动。
2.根据权利要求1所述多自由度球形电机，其特征在于，所述六十四个定子绕组(6)采用以输出轴(4)为圆心进行展开，六十四个定子绕组(6)均勻分布在球面分成十六等分后的经线上，形成以输出轴(4)为圆心的4个同心圆，每个圆上有十六个定子绕组(6)。
3.根据权利要求1所述多自由度球形电机，其特征在于，所述四十八个转子齿(2)采用以输出轴(4)为圆心进行展开，四十八个转子齿(2)均勻分布在球面分成十二等分后的经线上，形成以输出轴(4)为圆心的4个同心圆，每个圆上有十二个定子绕组(6)。
4.根据权利要求1所述多自由度球形电机，其特征在于，所述转子齿(2)为螺钉型，嵌入转子球面(1)，转子齿(2)上表面为方形，转子齿(2)与转子球体(1)接触的下表面为弧形，紧紧贴合于转子球体(1)的外表面。
专利摘要本实用新型涉及一种多自由度球形电机，包括转子球体、转子齿、铝层、输出轴、滚珠、定子绕组、定子壳。转子球体上安装四十八个转子齿、四个滚珠和一个输出轴。输出轴可实现八个垂直俯仰方向和一个水平旋转方向的运动，即九个自由度运动。滚珠在铝层内面滑动，保持转子球体平衡。铝层与定子壳夹层中，分布六十四个定子绕组，水平旋转和垂直俯仰方向上均采用四相控制完成球面运动。在机器人驱动系统和多自由度关节驱动中有较大的应用价值。
文档编号H02K1/24GK202160025SQ20112027185
公开日2012年3月7日 申请日期2011年7月29日 优先权日2011年7月29日
发明者张冬冬, 李铁栓 申请人:上海理工大学