子的空心内部中心设有检测模块18，检测模块采用的是MPU6050传感器集成的模块，MPU6050模块可以检测运载体的姿态角，角速度和加速度，球形转子的顶部开有一个放置转动臂的通孔。
[0030]基座上设有控制模块，控制模块由DSP数字控制器19、驱动电路、逆变器、整流稳压电路、传感器、信号处理电路构成。检测模块与控制模块之间数据传输采用的是蓝牙无线发射和接收。
[0031]球形转子的外表面开设有若干连续并交叉的转子沟槽，转子沟槽的交叉点处设有通向球形转子球心的转子通孔，在转子沟槽和转子通孔内放置有导线构成转子绕组或电枢绕组，转子绕组通路为封闭回路，并在球形转子的空心内球面交汇短接。
[0032]定子是采用具有良好导磁性能的材料组成，由五个分开的独立定子组成，分别置于球形转子的前、后、左、右和下侧，并构成内球面，且与球形转子外球面之间相互同心且存在气隙；每个独立定子包括定子铁芯17、定子绕组12，定子铁芯内圆周壁上开有均匀分布的槽，用于放置定子绕组，定子绕组由若干线圈连接而成，每个线圈的两个有效边分别放在两个槽内。定子铁芯在与球形转子对应的一面为球形凹面，定子设有三相四极绕组或是多相通电线圈电阻，以实现对球形转子的径向稳定悬浮和三个旋转自由度方向的驱动。
[0033]壳体的前、后、左、右和下侧面上都设有一组夹持机构，夹持机构由尼龙缓冲圈14、弹簧13、电磁铁铁芯1构成；尼龙缓冲圈置于定子铁芯的中心，并在定子铁芯的内侧一端用弹簧卡固，电磁铁铁芯伸入尼龙缓冲圈中心；电磁铁与尼龙缓冲圈、电磁铁铁芯分别同时连接，尼龙缓冲圈在与球形转子对应的一面为球面，其与转子球面的距离通过电磁铁的螺纹连接进行调节，尼龙缓冲圈的动作取决于电磁铁的得电与失电；当球形电机未启动时，电磁铁处于得电状态，五个电磁铁的推杆伸长，使得五个尼龙缓冲圈夹持住球形转子，使转子处于悬浮中心；当球形电机得电启动时，电磁铁失电，电磁铁推杆收缩，此时转子被松开，转子处于工作时的悬浮状态。
[0034]定子铁芯用轴套15固定于壳体上，并用端盖3、圆螺母2加螺栓固定，电磁铁铁芯用螺母固定在端盖上。壳体是长方体，六个面各打有一个螺纹孔，四周面的四个螺纹孔的轴线在同一个平面上且相交于一点，上下两端面的螺纹孔轴线重合，且与上述四轴线所构成的平面垂直并相交于同一个点；螺纹孔与定子的轴套的外圆柱面进行螺纹配合，定子与转子球心的距离通过定子轴套与壳体的螺纹连接来进行微调。
[0035]基座和磁悬浮球形电机的定子通过连接螺钉固定为一体，电机定子是由五个独立的定子绕组和定子铁芯组成，其内部形状是一球形内表面，定子铁芯上圆柱体内表面开有沟槽，分别布置三相或多相通电线圈绕组。在电机定子的外侧上对称布置有电磁铁夹持机构。夹持机构由电磁铁铁芯、尼龙缓冲圈、弹簧、轴套(定子安装在轴套中)等部件组成，电机不工作时在弹簧力作用下处于夹持状态，电机工作时在电磁力作用下处于松开状态。在电机空心转子内部布置检测转子径向位移和旋转角位移的MPU6050检测系统。转子外表面呈球形，球形电机转子与转动臂通过螺母等连接固定为一体，球形电机转子设置在定子内表面构成的空间内，转动臂通过方向上只有一个定子的反向伸向外端，定子与转子之间存在一定的气隙。在外表面开设有连续并交叉的转子沟槽，该转子沟槽的交叉点处设有通向球形转子球心的转子通孔，在转子沟槽和转子通孔内放置有导线体构成转子绕组或电枢绕组。
[0036]磁悬浮球形感应电机的工作过程:
[0037]磁悬浮球形感应电机，对X轴方向的2个区域的三相定子绕组同时通入三相电流，在检测控制系统作用下，各自产生绕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；同时，2个区域的绕组产生磁拉力，在检测控制系统作用下，使球形转子沿X轴方向稳定悬浮；对Y轴方向的2个区域的三相定子绕组同时通入三相电流，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。同时，2个区域的绕组产生磁拉力，在控制系统下，使球形转子沿Y轴方向稳定悬浮；对Z轴方向的1个区域的三相定子绕组通入三相电流，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；同时，该区域的绕组产生磁拉力，在检测控制系统控制下，使球形后簪子沿Z轴方向稳定悬浮，即与重力相平衡。主动关节表示的是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。
[0038]电机处于停机状态时，由电磁铁夹持机构在弹簧力的作用下，将电机球形转子的姿态锁定于平衡位置。电机无转悬浮时，向磁悬浮球形电机系统给定各方向的转子在平衡位置时的径向悬浮指令信号和角位移指令信号，同时电磁铁夹持机构在电磁力作用下，松开球形电机转子。指令信号与姿态检测系统的转子姿态位置信号由DSP数字控制器进行比较和控制算法的运算，并转换为控制悬浮和控制旋转的两组PWM脉冲控制信号，PWM悬浮控制信号控制开关功率放大器，使经过稳压整流的电源提供给定子沟槽中的绕组的电流，随PWM脉冲信号变化而调节支撑转子的悬浮磁力，PWM旋转控制信号控制逆变器，使经过稳压整流的电源提供给电机定子绕组的电流随PWM脉冲信号变化而调节转子的磁力矩，在悬浮磁力和磁力矩综合作用下将球形转子控制在夹持状态时的姿态，以达到球形转子不旋转的稳定悬浮。电机悬浮转动时，电机在不旋转的稳定悬浮基础上，输入沿某个转动自由度方向的角位移和转速指令信号，经数字控制器信号调节后输出PWM旋转控制信号，去调节控制逆变器的歌功率晶体管，使经过稳压整流电路整流的直流电源由逆变器按照PWM脉冲控制信号规律向电机绕组供电，以产生电磁转矩驱动转子按所给指令要求旋转。
【主权项】
1.一种磁悬浮球形感应电机，包括支撑电机的基座(8)、置于基座上的壳体(6)、转动臂(10)、置于壳体内的转子和定子，其特征是，所述转子是由两个半球形转子连接而成的空心的球形转子，球形转子的空心内部中心设有检测模块(18)，球形转子的顶部开有一个放置转动臂的通孔，转动臂与球形转子固定为一体，并通过该通孔伸向外端；所述基座上设有控制模块，检测模块与控制模块之间数据传输采用的是蓝牙无线发射和接收； 所述球形转子的外表面开设有若干连续并交叉的转子沟槽，转子沟槽的交叉点处设有通向球形转子球心的转子通孔，在转子沟槽和转子通孔内放置有导线构成的转子绕组或电枢绕组，转子绕组通路为封闭回路，并在球形转子的空心内球面交汇短接； 所述定子由五个分开的独立定子组成，分别置于球形转子的前、后、左、右和下侧，并构成内球面，该内球面与球形转子外球面之间同心且存在气隙；每个独立定子通过轴套与壳体连接，独立定子安装在相应的轴套中，该独立定子包括定子铁芯(17)、定子绕组(12)，定子铁芯内圆周壁上开有均匀分布的槽，用于放置定子绕组，定子绕组由若干线圈连接而成，每个线圈的两个有效边分别放在两个槽内；所述定子设有三相四极绕组或是多相通电线圈电阻，以实现对球形转子的径向稳定悬浮和三个旋转自由度方向的驱动； 所述壳体的前、后、左、右和下侧面上都设有一组夹持机构，夹持机构由尼龙缓冲圈(14)、弹簧(13)、电磁铁铁芯(1)构成；尼龙缓冲圈置于定子铁芯的中心，并在定子铁芯的内侧一端用弹簧卡固，电磁铁铁芯伸入尼龙缓冲圈中心；电机不工作时，夹持机构在弹簧力的作用下处于夹持状态，电机工作时，夹持机构在电磁力作用下处于松开状态。2.根据权利要求1所述的磁悬浮球形感应电机，其特征是，所述基座上的控制模块由DSP数字控制器(19)、驱动电路、逆变器、整流稳压电路、传感器、信号处理电路构成。3.根据权利要求1所述的磁悬浮球形感应电机，其特征是，两个半球形转子之间通过三个圆柱销连接成一个完整的球形转子。4.根据权利要求1所述的磁悬浮球形感应电机，其特征是，所述检测模块采用的是MPU6050传感器集成的模块，MPU6050模块可以检测运载体的姿态角，角速度和加速度。5.根据权利要求1所述的磁悬浮球形感应电机，其特征是，所述壳体是长方体，六个面各打有一个螺纹孔，四周面的四个螺纹孔的轴线在同一个平面上且相交于一点，上下两端面的螺纹孔轴线重合，且与上述四轴线所构成的平面垂直并相交于同一个点；螺纹孔与定子的轴套的外圆柱面进行螺纹配合，定子与转子球心的距离通过定子轴套与壳体的螺纹连接来进行微调。6.根据权利要求1所述的磁悬浮球形感应电机，其特征是，所述定子铁芯在与球形转子对应的一面为球形凹面。
【专利摘要】磁悬浮球形感应电机，属于机电一体化领域，主要包括转动臂、球形转子、定子、电磁铁铁芯、尼龙缓冲圈、壳体、检测控制系统和其他辅助零件。球形转子包括两个部分，是由两个半球形转子构成。定子部分是由五个单独的定子共同构成，定子由定子铁芯和定子绕组构成，定子所构成的内球面与转子的外球面之间存在一定气隙。转动臂连接转子从未放置电磁铁的相反一侧伸向外端，尼龙缓冲圈、电磁铁铁芯构成夹持机构。基座上设有DSP数字控制器、驱动电路、逆变器、整流稳压电路、传感器、信号处理电路的控制系统，在球形转子中心空隙中设有由蓝牙MPU6050组成的检测系统。本结构合理简单，紧凑，实现无摩擦，无磨损，无线发射接收数据，动态性能好，响应速度快。
【IPC分类】H02N15/00
【公开号】CN204993115
【申请号】CN201520542201
【发明人】曾励, 孙进, 张小红
【申请人】扬州大学
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年7月24日