专利名称：磁悬浮球形磁阻电动机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是一种具有支承驱动功能的多自由度无轴承电动机系统，属于
电机技术领域。
背景技术：
多自由度球形电机指具有两个或三个旋转自由度，可以绕过定点的空间轴线旋转 的电机。它具有机械集成度高、电机结构材料和驱动控制系统元件利用率高等特点，在具 有多个运动自由度的机械系统中， 一台多自由度电机可以代替两台或多台单自由度电机， 大大简化机械系统的结构，减小体积和重量，可以消除由于齿轮传动带来的齿隙和摩擦等 缺点，从而提高系统的精度和动态性能，提高性能价格比，并在控制和轨迹规划方面占有优 势。因此多自由度球形电机在机器人的关节及机械手的关节、多坐标机械加工中心、航大坛 行器、电动陀螺仪、全方位跟踪天线、炮塔转台、人体假肢、医疗器械、摄像操作台、全景摄影 操作台、搅拌机、移动机构的万向轮、球形阀、球形泵等具有多个运动自由度的设备中具有 广泛的应用前景。但是，现有的球形电机的各转子的支承结构复杂，转子俯仰、摇摆和偏转 的角度小，受到应用限制。在用于驱动高速、超高速的多自由度装置时，还存在机械(轴承) 支承的磨损问题，机械摩擦不仅增加了转子的摩擦阻力，而且会造成部件发热，严重时会造 成电机气隙不均匀，导致电机的动态特性变差，从而降低电机的效率，縮短电机及装备的使 用寿命，严重制约着球形电动机向更高速度方向发展，轴承的性能大大影响了电机的可靠 性和装备利用率。
实用新型内容本实用新型的目的是针对现有多自由度电动机存在的上述问题，基于磁悬浮技术 和电机技术，提供一种机械集成度高、结构简单、无摩擦、无磨损，精度高和动态性能好的具 有多自由度的磁悬浮球形磁阻电动机。 本实用新型的目的是这样实现的，磁悬浮球形磁阻电动机，包括电动机的支承底 座、定子、球形转子及转动主轴、检测控制系统，其特征是底座与定子固定为一体，定子内部 形状为一开口的内球表面，球形转子与转动主轴固定为一体，转动主轴通过定子开口处伸 向外部；定子内球表面与转子外球表面之间在二者同心时存在一定的气隙(间隙)；在定子 上布置有至少两个电磁铁夹持机构和若干检测转子位置运动速度的传感器；检测控制系统 设有控制电动机转子悬浮及转动姿态和速度的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。 所述的电动机的定子由具有良好导磁性能的材料制成，其内球表面为开有沟槽的 球形内包络面，沟槽将整个内球表面分为几何形状相同的微小单元面的定子凸极，平行于 以球心为坐标原点的各三维坐标平面的沟槽内，分别设有主绕组和副绕组。主绕组用于产 生旋转转矩，副绕组形成的磁场与主绕组形成的磁场相互叠加产生作用于球形转子上的径 向力，使得转子实现悬浮，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。 所述的电动机的球形转子由具有良好导磁性能的材料制成，其外球表面开有相互 垂直且连续的沟槽，沟槽将整个外球表面分为几何形状相同的微小单元面的转子凸极。 所述的电动机的电磁铁夹持机构由电磁铁铁芯、线圈绕组、夹持衔铁和弹簧组成， 夹持衔铁在弹簧力或电磁力作用下处于夹持状态或松开状态。电动机不工作时在弹簧力作 用下处于夹持状态，电动机工作时在电磁力作用下处于松开状态。 检测控制系统的作用是以单片机DSP数字控制器为核心，用来完成对电动机球形 转子姿态位置、速度的采样及实时计算，对电动机球形转子姿态位置和速度及电动机定子 绕组电流的控制，以及产生P丽控制波驱动控制逆变器的功率开关器件的关断与导通，从 而使经过稳压整流的电流通过逆变器向定子绕组提供电流，以产生磁场实现支承电动机转 子悬浮并旋转等功能；传感器包括检测转子径向位移的各传感器、转动速度传感器以及绕 组电流传感器等；信号处理电路实现转子位置和转速检测，电流信号检测及预处理等功能。 本实用新型综合应用磁悬浮技术和电机技术，实现无轴承的悬浮支承并驱动球形 转子转动。电动机工作过程中，由传感器不断地检测转子的位置姿态(径向位移和切向位 移)，并对所检测信号进行调制、放大、解调、滤波等信号处理，将处理的转子位置姿态信号 由DSP数字控制器进行A/D转换并与指令信号比较，以及做控制算法的运算，转换为控制悬 浮和控制旋转的两组P丽脉冲控制信号，去控制各自的逆变器，使经过稳压整流的电源电 流随P丽脉冲信号变化，分别调节电动机定子的主绕组产生的电磁转矩以及副绕组产生的 电磁径向悬浮磁力，以控制电动机球形转子稳定悬浮并按照所给定的角位移或角速度指令 旋转。 本实用新型结构简单、合理、紧凑，综合应用磁悬浮技术和电机技术，实现无轴承 的悬浮支承并驱动球形转子转动，电动机的球形转子与电动机的定子之间实现无摩擦、无 磨损，动态性能好，响应速度快。提高电机的效率，延长电机及装备的使用寿命。在机器人 的关节及机械手的关节、多坐标机械加工中心、航大坛行器、电动陀螺仪、全方位跟踪天线、 炮塔转台、人体假肢、医疗器械、摄像操作台、全景摄影操作台、搅拌机、移动机构的万向轮、 球形阀、球形泵等具有多个运动自由度的设备中具有很好的应用前景。
图1是本实用新型的外形结构示意图； 图2是本实用新型的结构示意图； 图3是本实用新型的定子、转子在某坐标面的截面示意图。 图中1螺栓，2转动主轴，3球形转子，4气隙，5定子，6传感器，7传感器支架，8电 磁铁夹持机构，9底座，10固定套，11沟槽，12传感器，13螺钉，14转子沟槽，15球形转子托 架，16传感器，17连接螺钉，18定子凸极，19副绕组，20主绕组，21转子凸极。
具体实施方式如图1、图2、图3、所示，磁悬浮球形磁阻电动机，由电动机的支承底座9、定子5、 球形转子3、转动主轴2、检测控制系统等构成，底座与定子固定为一体，定子内部形状为一 开口的内球表面，球形转子与转动主轴固定为一体，转动主轴通过定子开口处伸向外部；定子内球表面与转子外球表面之间在二者同心时存在一定的气隙(间隙)；在定子上布置有 至少两个电磁铁夹持机构8和检测控制系统中的检测转子位置运动速度的传感器6、12、 16。检测控制系统还设有控制电动机转子悬浮及转动姿态和速度的DSP数字控制器、驱动 电路、逆变器、整流稳压电路、信号处理电路。 球形电动机本体结构由支承电动机的底座1、电动机的定子5、球形转子3及转动 主轴2等组成。底座1与磁悬浮(无轴承)电动机的定子5通过连接螺钉17固定为一体， 定子5内部形状为一开口的球形内表面(内球表面)，在内表面开有沟槽ll，沟槽将整个球 形内表面分为几何形状相同的微小单元面，以形成内球表面凸极定子(定子凸极)，平行于 以球心为坐标原点的各三维坐标平面的沟槽内，分别绕有主绕组20、副绕组19。在定子上 水平面内的最大直径截面处对称布置4个电磁铁夹持机构8;在定子上布置有检测转子径 向位移和旋转角位移的传感器6、 12、 16等。电动机的球形转子3与转动主轴2通过固定连 接套10固定为一体，转动主轴2通过定子5开口处伸向外端(外部)。定子5内球表面与 球形转子3外球表面之间在二者同心时存在一定的气隙(间隙)4。电动机球形转子表面开 有相互垂直且连续的沟槽14，沟槽将整个外球表面分为几何形状相同的微小单元面的转子 凸极，以形成球形磁悬浮球形磁阻电动机的凸极转子。 定子采用集中绕组，每个定子凸极18上均有主绕组20和副绕组19，主绕组20随 周向按定子凸极顺序循环布置三相绕组，并将同相绕组串联在一起。 磁悬浮球形磁阻电动机的工作过程电动机处于停机状态时，由电磁铁夹持机构 8中在弹簧力的作用下，将电动机球形转子3的姿态锁定于平衡位置。电动机处于无转悬 浮时，向磁悬浮球形磁阻电动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8衔铁在电磁力的作用下，松开球形转子3。指令 信号与传感器6、 12、 16检测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P丽脉冲控制信号，P丽悬浮控制信号控制逆变 器使经过稳压整流的电源提供给定子副绕组11的电流，随P丽脉冲信号变化而调节支承转 子3的悬浮磁力，P丽旋转控制信号控制逆变器使经过稳压整流的电源提供给定子主绕组 11的电流随，P丽脉冲信号变化而调节转子的磁力矩以平衡抵抗外界干扰力矩，在悬浮磁 力和磁力矩综合作用下将球形转子3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；电动机球形转子悬浮转动时，电动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，经数字控制器进行信号调节后输出P丽旋转控制 信号，去调节控制逆变器的各功率晶体管，使经过稳压整流电路整流的直流电源由逆变器 按照P丽脉冲控制信号规律向电动机主绕组供电，以产生电磁转矩驱动转子按所给指令要 求旋转。
权利要求磁悬浮球形磁阻电动机，包括电动机的支承底座、定子、球形转子及转动主轴、检测控制系统，其特征是底座与定子固定为一体，定子内部形状为一开口的内球表面，球形转子与转动主轴固定为一体，转动主轴通过定子开口处伸向外部，定子内球表面与转子外球表面之间在二者同心时存在一定的气隙；在定子上布置有至少两个电磁铁夹持机构和若干检测转子位置运动速度的传感器；检测控制系统设有控制电动机转子悬浮及转动姿态和速度的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。
2. 根据权利要求1所述的磁悬浮球形磁阻电动机，其特征是所述的电动机的定子由具 有良好导磁性能的材料制成，其内球表面为开有沟槽的球形内包络面，沟槽将整个内球表 面分为几何形状相同的微小单元面的定子凸极，平行于以球心为坐标原点的各三维坐标平 面的沟槽内，分别设有主绕组和副绕组。
3. 根据权利要求1所述的磁悬浮球形磁阻电动机，其特征是所述的电动机的球形转子 由具有良好导磁性能的材料制成，其外球表面开有相互垂直且连续的沟槽，沟槽将整个外 球表面分为几何形状相同的微小单元面的转子凸极。
4. 根据权利要求1所述的磁悬浮球形磁阻电动机，其特征是所述的电动机的电磁铁夹 持机构由电磁铁铁芯、线圈绕组、夹持衔铁和弹簧构成。
专利摘要磁悬浮球形磁阻电动机，属于电机技术领域。包括电动机的支承底座、定子、球形转子及转动主轴、检测控制系统，底座与定子固定为一体，定子内部形状为一开口的内球表面，球形转子与转动主轴固定为一体，转动主轴通过定子开口处伸向外部；在定子上布置有至少两个电磁铁夹持机构和若干检测转子位置运动速度的传感器；检测控制系统设有控制电动机转子悬浮及转动姿态和速度的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。本实用新型结构简单、合理、紧凑，电动机的球形转子与电动机的定子之间实现无摩擦、无磨损，动态性能好，响应速度快。
文档编号H02P6/16GK201536310SQ200920039030
公开日2010年7月28日 申请日期2009年5月5日 优先权日2009年5月5日
发明者刘静, 张丹, 曾励 申请人:扬州大学