一种基于磁阻最小原理的球形电机的制作方法

本实用新型涉及球形电动机技术领域，具体涉及一种基于磁阻最小原理的球形电机。

背景技术：

目前，机器人、机械手等在空间中做多维运动的精密装置得到了广泛应用。大部分这类多自由度传动装置一般是使用多台单自由度驱动元件以及复杂的机械传动机构来完成空间的多自由度运动。因此，整套传动装置体积庞大、传动结构复杂、控制精密度低、动态性能较差以及整套系统的效率和可靠性都不高。同时因为复杂的机械传动系统的存在，系统的非线性摩擦以及能量损耗都比较大。

随着现代工业技术的不断发展，对能够在空间任意方向进行定位并执行伺服功能的元件需求与日俱增，同时对驱动机构控制系统的精密度和稳定性能的要求越来越高，因此这些传统的多自由度装置已不能满足发展要求。而能够在空间做多自由度运动的球形电机可以满足基本要求，其极大地简化系统的复杂度，缩小系统机构体积，提高定位速度，减少响应时间和增强系统稳定度和准确度。但是由于各种球形电机结构和原理的特殊性，目前球形电机结构还是较复杂，制造加工工艺较高，以及存在电机驱动控制、位置检测及定位精度等问题，因而球形电机大部分还不十分完善，仍处于实验室研究阶段，不能实际应用和实现产业化。本实用新型将涉及一种基于磁阻最小原理的新型球形电机。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种基于磁阻最小原理而设计的三自由度球形电机。该电机采用近似的去掉球体上下两个一定大小球冠的球形结构，能够实现自转和倾斜三自由度运动，该电机整体结构非常简单，具有体积小、复杂度低、驱动控制和位置检测简单、以及传动系统的定位精度和响应速度提高等优点。

本实用新型提供以下技术方案：

本实用新型一种基于磁阻最小原理的球形电机，包括转子、转子球壳、外定子、底座、底座上的支撑轴承、端盖、端盖上的固定轴承和输出轴。

所述转子与普通四相8/6极开关磁阻电机转子结构相同，外圆周侧上均匀分布有6个凸起磁极齿；所述转子球壳内侧与转子磁极齿固连，组成了一个中空球体，所述输出轴穿过中空球体，并与转子球壳上部固定连接，输出轴末端装有法兰；

所述外定子包括定子铁心、定子绕组和定子外壳；所述定子铁心可分为沿赤道分布的自转定子铁心和沿经线分布的倾斜定子铁心两部分；所述自转定子铁心用于实现球形电机自转运动；所述倾斜定子铁心由等经度间隔分布的倾斜定子铁心段组成，所述倾斜定子铁心段完全相同，形状为“C”形球拱形状，用于实现球形电机倾斜运动，内侧等纬度分布有5个凸极齿；所述定子绕组线圈为绕在定子齿上的集中绕组线圈；所述定子外壳与定子铁心外表面相固连；

所述定子外壳上部与端盖相连，下部与底座连接并与定子铁心外表面相固连；所述端盖的下方设置有固定轴承，转子球壳上部与固定轴承的接触面为球弧面；所述底座上有支撑作用的支撑轴承；所述支撑轴承在底座中的高度可调，转子球壳下部与支撑轴承的接触面也为球弧面；

所述球形电机为内转子外定子型电机，是双凸极型结构；所述转子上没有绕组，也没有换向器、滑环；所述定子每一个极齿上都绕有集中绕组线圈；所述自转定子铁心和倾斜定子铁心在沿赤道一圈的方向上重合。

本实用新型的有益效果在于：

(1)、本发明球形电机可以在空间中做三自由度运动，能够替代传统复杂的多自由度结构，在机器人、机械手关节、全景摄影云台、多自由度激光跟踪系统等多自由度运动系统中有着广泛的应用前景，可以缩小系统机构体积，简化系统的复杂度，提高系统的精度等。

(2)、本发明球形电机由转子、定子、转子球壳、外定子、定子绕组、输出轴、端盖和底座及相应的轴承等组成，电机结构简单，转子上没有任何形式的绕组、永磁体、滑环等，定子上只有简单的集中绕组，端部较短，因而整体制造较简单，成本低。

(3)、本发明球形电机端盖上的轴承固定，底座上的支撑轴承采用可旋转固定螺栓调节，使转子在端盖和底座之间并使转子与定子的球心重合度提高，进而提高电机转子的安装精度，使电机结构可靠，转子偏转运动摩擦较小，提高了输出转矩；转子球壳内除转子外为中空结构，能够减小转子转动惯量，提高电机响应速度。

(4)、本发明球形转矩方向与定子绕组电流方向无关，只需单方向的电流激励，故驱动系统中功率电路可以做到每相一个功率开关，各相独立工作，系统可靠性提高。

(5)、本发明球形电机自转和倾斜运动是相互独立的，计算得出需要的线圈电流并根据转子运动的位置来控制绕组线圈电流的导通和断开，实现球形电机按照规划的路径进行步进运动，而根据磁链特性等方法进行位置检测相对较简单。

附图说明

图1为本实用新型一种基于磁阻最小原理的球形电机结构图；

图2为转子及转子球壳一体结构图；

图3为电机自转结构示意图；

图4为电机倾斜结构示意图；

图5为电机倾斜步进运动示意图，其中，图5(a)为倾斜角示意图，图5(b)为倾斜角示意图。

图中：1、转子，2、转子球壳，3、外定子，4、定子铁心，5、定子绕组，6、定子外壳，7、底座，8、端盖，9、支撑轴承，10、固定轴承，11、输出轴，12、法兰，13、弹簧，14、拧紧螺栓，15、自转定子铁心，16、倾斜定子铁心，17、倾斜定子铁心段。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本实用新型。

参见图1，本实用新型一种基于磁阻最小原理的球形电机，主要由转子1、转子球壳2、外定子3、底座7、端盖8、支撑轴承9、固定轴承10、输出轴11和法兰12等构成，外定子包括定子铁心4、定子绕组5及定子外壳6。球形电机为内转子外定子型电机，是双凸极型结构，并且定转子极数不同，电机转子1和定子铁心4采用硅钢薄片叠压结构或软磁复合材料进行制造。

参见图1、图2、图3，转子1与普通四相8/6极开关磁阻电机转子结构相同，为凸极结构，外圆周侧上均匀分布有6个凸起磁极齿，每个磁极齿均为一个转子齿，齿外侧为弧面。转子上没有绕组，也没有换向器、滑环等。转子1通过转子齿与由非导磁材料制成的转子球壳2相固连，转子1与转子球壳2组成了一个中空球体，有利于减小电机的转动惯量。输出轴11穿过电机转子中心和转子球壳2，通过拧紧螺栓14与转子球壳2上部固定连接，输出轴末端装有法兰12。

参见图1、图4，电机外定子3的形状近似为球体，包括定子铁心4、定子绕组5和定子外壳6。定子铁心4根据其实现转子运动的不同方向可以分为自转定子铁心15和倾斜定子铁心16两部分。自转定子铁心15与普通四相8/6极开关磁阻电机的定子铁心类似，如图3所示，为沿球体赤道分布的部分定子铁心，用于实现球形电机自转运动；自转定子铁心15内侧均匀分布有8个定子凸极齿，每个极齿上有一个集中线圈，直径方向上相对的两个极的线圈串联连接组成自转定子铁心的一相绕组，共四相。倾斜定子铁心16由等经度45°间隔分布的8个倾斜定子铁心段17组成，用于实现球形电机倾斜运动。倾斜定子铁心段17完全相同，其为“C”形球拱形状，方向相对的两个倾斜定子铁心段组成倾斜定子铁心的一相，共四相，倾斜定子铁心段17内侧等纬度19°间隔分布有5个绕有励磁线圈的凸极齿，方向相对的两个倾斜定子铁心段上直径方向的两个极齿组成倾斜定子段的一相，共五相，如图4所示。定子绕组5为绕在所有定子齿上的集中绕组线圈，近似为柱形形状，线圈以漆包线绕制。

定子外壳6由非导磁材料制成，其上下部通过螺纹孔分别与底座7和端盖8相连，并与定子铁心4外表面相固连，使外定子3与端盖8和底座7连接成一体。端盖8与底座7均由非导磁材料制成。端盖8的下方设置有非导磁材料制成的固定轴承10，固定轴承10镶嵌在端盖8下方开设的槽上，与定子端盖通过螺栓相连接在一起。

底座7上方开设有槽，槽内设置有弹簧13，底座7上的非导磁材料制成的支撑轴承9通过可调节的轴承固定螺栓与底座7相连接，弹簧13与螺栓相互作用会产生一个向上的力，而固定轴承10固定不动则对球壳有向下的力，转子球壳2在固定轴承10与支撑轴承9之间，可以防止转子1运动中的振动，此外固定轴承10和支撑轴承9采用环状球弧面结构，可以减小转子球壳2与轴承之间的摩擦，保证转子运动时输出轴能够实现三自由度自由运动。

本实用新型三自由度球形电机的运动是由定、转子间气隙磁阻的变化而产生的磁阻转矩引起的。定子绕组线圈通电产生的磁场，遵循磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合的原理，产生磁拉力形成磁阻性质的电磁转矩。因此，当转子磁极轴线与定子磁极的轴线不重合时，便有磁阻力作用在转子上并产生转矩使其趋向于磁阻最小的位置，即两轴线重合位置。

球形电机的自转运动和倾斜运动是相互独立的。球形电机自转时，其原理与普通四相8/6极开关磁阻电机驱动系统的工作原理基本一致，如图3所示，根据位置检测得到转子磁极与定子磁极相对位置信息来确定被励磁的绕组，依次对定子绕组通断电可使转子做连续的步进自转运动。

电机转子倾斜运动时也是基于磁阻最小原理。如图4所示，当转子磁极轴线与倾斜定子段C相磁极轴线CC′重合时，定义此时倾斜机械角度且定义转子顺时针运动为正。如图5(a)，当转子磁极与倾斜定子段A相与B相极间中性线重合，由于倾斜定子齿等纬度19°间隔分布，此时倾斜角对倾斜定子段C相绕组通电，转子因磁阻转矩作用倾斜转动，转过19°到如图5(b)所示的位置，此时倾斜角转矩为0。此时对C相绕组断电和对D相通电，转子受同样的转矩作用而运动。根据类似的通电策略，转子能够连续步进倾斜运动。由于电机的结构限制，逆时针完成一次倾斜运动需要三次步进运动，转子可以以19°间隔倾斜转动±38°。由图5(a)到图5(b)所示为逆时针第一次步进倾斜运动过程。

在自转和倾斜方向，根据一定的通电策略对不同定子绕组线圈通断电，可以使电机转子在一定范围内做自转和倾斜步进运动，输出轴通过法兰连接负载，可实现负载任意位置的定位运动。

以上述依据本实用新型理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。