一种基于运动解耦的磁通切换型永磁球形电机

1.本发明涉及球形电机，更具体地说是一种基于运动解耦的磁通切换型永磁球形电机。


背景技术：

2.传统的多自由度执行装置是由两个及以上单自由度电机与复杂的传动装置组合而成，其结构上的冗余繁杂造成体积大，复杂的传动装置限制了控制精度的提高，系统刚度也同样受限；比如，机器人关节所用电机，要求体积小、输出转矩足够大，传统的多自由度执行装置难以适用于此。
3.当前，球形电机还处在实验室研究阶段，有超声波式、永磁式、感应式和磁阻式等基于不同工作原理的各类球形电机；球形电机集成度高，结构复杂并具有强耦合性，不利于电机高效精确控制；另一方面，球形电机因受其结构和驱动原理限制，输出转矩往往较小，高速运行时转子永磁体受离心力的作用会被甩落，因此，需要在转子上安装固定装置，由此带来散热困难和制造工艺复杂的问题，且温升可能导致永磁体发生不可逆退磁，进而限制球形电机的输出转矩。


技术实现要素：

4.本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种功率密度高、输出转矩大、结构稳定且控制效果好的基于运动解耦的磁通切换型永磁球形电机，通过改变定子线圈通断及通电大小、通电方向从而影响磁通通路出现的位置，实现电机的多自由度运动。
5.本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
6.本发明基于运动解耦的磁通切换型永磁球形电机包括定子结构和转子结构，其特点是：
7.所述定子结构，其由定子球壳和固定设置在定子球壳内表面的各定子磁极对构成；两只 u形定子磁极齿以各自的一侧臂共同夹持永磁体，并绕制绕组构成呈扇面的定子磁极对，所述定子磁极对在定子球壳内表面按不同的位置分设为多组自旋模块磁极对和多组倾斜模块磁极对；所述定子球壳为不导磁球壳；
8.所述转子结构，其由转子球壳和固定设置在转子球壳上的各转子磁极齿构成，所述转子球壳为中空导磁球体，所述转子磁极齿是由导磁材料制成的圆柱状磁极齿；各圆柱状磁极齿独立嵌装在转子球壳上；输出轴与转子球壳固定连接，并沿转子球壳的径向延伸；
9.基于运动解耦将所述定子磁极对中各自旋模块磁极对与转子磁极齿构成自旋运动模块，将定子磁极对中各倾斜模块磁极对与转子磁极齿构成倾斜运动模块，实现多自度运动。
10.本发明基于运动解耦的磁通切换型永磁球形电机的特点也在于：
11.所述定子磁极对包括四组自旋模块磁极对和四组倾斜模块磁极对，所有定子磁极对在定子球壳的内表面沿定子球壳赤道线所在的内圆周均匀排布，并以自旋模块磁极对和
倾斜模块磁极对一一相间设置，使四组自旋模块磁极形成“十”字分布，且使四组倾斜模块磁极对同样呈“十”字分布；所述四组自旋模块磁极对中各磁极对的扇面与定子球壳的赤道线所在平面平行；所述四组倾斜模块磁极对中各磁极对的扇面与定子球壳的赤道线所在平面垂直；
12.所述转子磁极齿在转子球壳的表面以16.36
°
的层间隔分布为七层，分别是：处在转子球壳的赤道线位置上的中心层转子磁极齿，处在转子球壳的赤道线以上的三层上层转子磁极齿，以及处在转子球壳的赤道线以下的三层下层转子磁极齿；每层中均匀分布有11只转子磁极齿，上下相邻两层之间的转子磁极齿位置交错。
13.本发明基于运动解耦的磁通切换型永磁球形电机的特点也在于：所述u形定子磁极齿以其呈弧形的底边与定子球壳的内表面相贴合，且相互固定。
14.本发明基于运动解耦的磁通切换型永磁球形电机的特点也在于：在所述转子球壳的表面设置圆柱凹槽，各转子磁极齿独立嵌装在各圆柱凹槽中，使转子磁极齿的顶部与转子球壳的外表面共球面。
15.本发明基于运动解耦的磁通切换型永磁球形电机的特点也在于：各自旋模块磁极对中的永磁体极性相同，各倾斜模块磁极对中的永磁体极性相同，都是从一侧u形定子磁极齿指向另一侧u形定子磁极齿。
16.本发明基于运动解耦的磁通切换型永磁球形电机的特点也在于：所述定子球壳是由两个半球形壳体对合组成，并通过螺栓固定设置在底座上，在所述底座中设置滚珠轴承，所述转子结构支撑在所述滚球轴承上，所述滚球轴承利用螺杆通过螺纹连接安装在底座的螺孔中，且安装高度可调。
17.与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
18.1、本发明基于运动解耦的磁通切换型永磁球形电机体积小、控制简单，能够在一些要求较高的场合中替代传统的多自由度装置，进而减少繁冗的结构，比如：在航空航天机械臂、机器人关节，以及在仿生眼等高精尖领域的应用。
19.2、本发明磁通切换型永磁球形电机采用模块化设计，负责自旋运动和倾斜运动的定子磁极对与转子磁极齿相互独立，两者有机容错结合实现多自由度运动。相较传统球形电机多变量、强耦合、复杂的驱动控制方法具有良好的解耦性，有利于复杂运动解耦分析，便于控制。
20.3、本发明磁通切换型永磁球形电机基于磁通切换原理，通过改变绕组的电流方向切换磁通通路，在未通电时，定子磁极对中两只u形定子磁极齿处于临界饱和的状态；通电后，两只u形定子磁极齿的侧臂与转子磁极齿形成磁通通路，对转子磁极齿产生电磁力，驱动电机实现多自由度运动。
21.4、本发明中永磁体均固定在定子中，转子上只有导磁材料构成的转子齿，散热效果好，输出转矩大，改变线圈安匝数，能够提供较大的输出转矩。
附图说明
22.图1为本发明基于运动解耦的磁通切换型永磁球形电机结构示意图；
23.图2为本发明中转子结构与输出轴结构示意图；
24.图3为本发明中定子磁极对结构示意图；
25.图4为本发明中定子磁极对排布示意图；
26.图5为本发明自旋运动时转子与定子磁极对示意图；
27.图6为本发明倾斜运动时转子与定子磁极对示意图；
28.图7为转子自旋转动角度与电磁转矩对应关系示意图；
29.图8为转子倾斜转动角度与电磁转矩对应关系示意图；
30.图中标号：1定子球壳，2永磁体，3定子磁极齿，4绕组，5输出轴，6转子球壳，7转子磁极齿，8底座，9滚珠轴承。
具体实施方式
31.参见图1，本实施例中基于运动解耦的磁通切换型永磁球形电机包括定子结构和转子结构。
32.如图1、图3和图4所示，定子结构是由定子球壳1和固定设置在定子球壳1内表面的各定子磁极对构成；两只u形定子磁极齿3以各自的一侧臂共同夹持永磁体2，并绕制绕组4 构成呈扇面的定子磁极对，定子磁极对在定子球壳1内表面按不同的位置分设为多组自旋模块磁极对和多组倾斜模块磁极对；定子球壳1为不导磁球壳；将永磁体和线圈均设置在定子结构中，能有效的提高电机结构的稳定性与散热效果，避免永磁体不牢固或散热效果不佳导致永磁体退磁的风险。
33.如图1和图2所示，转子结构是由转子球壳6和固定设置在转子球壳6上的各转子磁极齿7构成，转子球壳6为中空导磁球体，转子磁极齿7是由导磁材料制成的圆柱状磁极齿；各圆柱状磁极齿独立嵌装在转子球壳6上；转子球壳6设置为中空结构，不仅节约材料、降低成本，还有效减小转子结构本身的转动惯量，效率更高，响应速度更快，转子结构中没有绕组以及其它附加零部件，结构十分稳定。
34.输出轴5与转子球壳6固定连接，并沿转子球壳6的径向延伸，输出轴5与负载相连接，转子结构运动时带动输出轴5运动，以此驱动负载。基于运动解耦将定子磁极对中各自旋模块磁极对与转子磁极齿构成自旋运动模块，将定子磁极对中各倾斜模块磁极对与转子磁极齿构成倾斜运动模块，实现多自度运动。
35.图1所示的定子球壳1是由两个半球形壳体对合组成，并通过螺栓固定设置在底座8上，在底座8中设置滚珠轴承9，转子结构支撑在滚球轴承9上，滚球轴承9利用螺杆通过螺纹连接安装在底座8的螺孔中，且安装高度可调。图1所示的滚珠轴承9的顶端为球形万向滚珠，摩擦力小且可以任意方向转动，以保证转子结构的多自由度运动；滚珠轴承9的下部为螺杆，将螺杆安装在底座8的螺孔中，使滚珠轴承9得到固定，并能利用螺杆调节安装高度；由于转子的位置会因为制造工艺以及后期运行出现位置偏移，造成转子结构的球心与定子结构的球心不在同一点上的情况，此时，通过调整滚珠轴承9的安装高度使转子结构的球心位置定位在与定子结构的球心位置相一致。
36.具体实施中，相应的结构措施也包括：
37.如图1和图4所示，定子磁极对包括四组自旋模块磁极对和四组倾斜模块磁极对，图4 中所示分别是第一自旋模块磁极对a11相、第二自旋模块磁极对a12相、第三自旋模块磁极对a13相和第四自旋模块磁极对a14相，以及第一倾斜模块磁极对b11相、第二倾斜模块磁极对b12相、第三倾斜模块磁极对b13相和第四倾斜模块磁极对b14相；所有定子磁极对在
定子球壳1的内表面沿定子球壳赤道线所在的内圆周均匀排布，并以自旋模块磁极对和倾斜模块磁极对一一相间设置，使四组自旋模块磁极形成“十”字分布，且使四组倾斜模块磁极对同样呈“十”字分布，四组自旋模块磁极对中各磁极对的扇面与定子球壳1的赤道线所在平面平行，各自旋模块磁极对中的永磁体极性相同，是从一侧u形定子磁极齿指向另一侧u 形定子磁极齿；四组倾斜模块磁极对中各磁极对的扇面与定子球壳1的赤道线所在平面垂直，各倾斜模块磁极对中的永磁体极性相同，是从一侧u形定子磁极齿指向另一侧u形定子磁极齿；u形定子磁极齿3以其呈弧形的底边与定子球壳1的内表面相贴合，且相互固定；利用u 形定子磁极齿3中呈弧形的底边与定子球壳1的内表面相贴合能够有效保证定子磁极齿正对球心；图5示出，正对球心的设置可以使得当转子磁极齿运动到定子磁极齿下方时，定子磁极齿与转子磁极齿为正对，气隙磁场的分布更加均匀，更具对称性。
38.如图1和图2所示，转子磁极齿7在转子球壳6的表面以16.36
°
的层间隔分布为七层，分别是：处在转子球壳6的赤道线位置上的中心层转子磁极齿，处在转子球壳6的赤道线以上的三层上层转子磁极齿，以及处在转子球壳6的赤道线以下的三层下层转子磁极齿；每层中均匀分布有11只转子磁极齿，上下相邻两层之间的转子磁极齿位置交错；在转子球壳6的表面设置圆柱凹槽，各转子磁极齿独立嵌装在各圆柱凹槽中，使转子磁极齿的顶部与转子球壳6的外表面共球面；是将各转子磁极齿的顶面设置为球面保证了在转子磁极齿与定子磁极齿正对时，任一位置上的空气隙长度一致；为使转子磁极齿7在转子球壳6中的分布更加清晰，在图2、图5和图6中对于转子球壳6的外表球面未作示意。
39.本发明多自由度球形电机的运动是由定子和转子间相互作用的电磁力产生转矩实现的，当定子磁极对上的绕组不通入电流时，永磁体2与两侧u形磁极齿3以及转子磁极齿7形成闭合磁回路，此时转子结构无电磁转矩。当定子磁极对上的绕组通入某一方向电流时，形成磁通切换，相间隔的两个u形磁极齿与转子磁极齿形成磁通通路，对处于附近的转子产生电磁切向力的作用，从而带动转子运动。当定子磁极对上的绕组通入相反方向电流时，则另外两个u形磁极齿与转子磁极齿形成磁通通路产生电磁切向力。当定子结构中的u形磁极齿与转子磁极齿重合时转矩最小，两者偏差一定角度时，产生的电磁转矩会使转子磁极齿向两者重合位置运动。由于转子结构与定子结构结构的对称性，自旋与倾斜运动时具有一定的对称性。
40.参见图5为自旋运动模块中定子磁极对与转子磁极齿结构示意，以第二自旋模块磁极对 a12相为例，当线圈绕组通入永磁体同向电流，线圈产生磁场，线圈磁场在定子磁极齿的第一侧臂31和第二侧臂32与对应位置上的水平相邻的第一转子磁极齿71和第二转子磁极齿 71形成磁通通路，在转子上产生切向力，驱动转子转动；同理，a11相、a13相和a14相相互配合通电驱动电机完成自旋运动，相邻相通反向电流，相对相通同向电流，可以获得更大的转矩。
41.参见图6为倾斜运动模块定子磁极对与转子磁极齿结构示意，与自旋驱动原理相同，向定子磁极对线圈中通入电流，不同的定子磁极齿与转子磁极齿形成磁通通路驱动转子实现倾斜运动。图示为b11相与b13相配合驱动一个自由度的倾斜运动。同样的，b12相和b14相配合完成另一个自由度的倾斜运动。
42.本发明各驱动单元模块化独立设置，两者有机容错结合实现多自由度运动；模块化驱动单元相较传统多自由度球形电机复杂的驱动控制方式具有良好的解耦性，有利于复
杂运动解耦分析，便于控制。针对自旋和倾斜运动，通过对不同定子磁极对绕组线圈电流的通断与大小的调整，使转子在一定输出范围内完成多自由度步进式运动。转子结构转动带动输出轴运动，使负载按照设计的运动方式运动。
43.图7示出，定子磁极对多线圈配合通电下，自旋运动下转子结构最大输出转矩较单线圈提升了150％。图8示出，定子磁极对多线圈配合通电下，倾斜运动下转子结构最大输出转矩较单线圈提升了33％。
44.以上述依据本发明理想实施例为启示，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发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明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。