专利名称：向心推/拉力磁悬浮球形电动机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种具有多个旋转自由度驱动能力的电动机，属于机电一体化技术领域。
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、航空飞行器、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。但球形电机对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。现有的球形电动机包括壳体、定子、球形转子、输出转臂构和检测控制系统，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球形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，并能使转子俯仰、摇摆和偏转的角度达到最大，具有可以绕球形转子中心旋转的二自由度或多自由度的向心推/拉力磁悬浮球形电动机。
本实用新型的目的是这样实现的，向心推/拉力磁悬浮球形电动机，包括球形电动机壳体、定子、球形转子、输出转臂构成的球形电动机和检测控制系统，其特征是球形电动机壳体由棱柱体或圆柱体制成，以柱体轴线
为中心线，开一主轴通孔贯穿于柱体的两底面，在柱体侧面，均布至少4个垂直于主轴通孔的垂面通孔，所述的定子设有多个凸极定子，垂面通孔内安装有凸极定子或电磁铁夹持机构；在主轴通孔的一端嵌入凸极定子，通过带孔的端盖和主轴通孔中的定位台阶将凸极定子固定在壳体上；至少2个相互垂直的垂面通孔入口处嵌入凸极定子，并通过带孔的端盖和垂面通孔中的定位台阶将凸极定子固定在机壳体上；所有凸极定子的凸极端面构成一定子凸极包络球，在该包络球空间内置放球形转子，球形转子与输出转臂固定成一体，输出转臂通过主轴通孔的另一端伸向外部；定子凸极包络球的球形包络内表面与球形转子外表面之间在二者同心时存在一定的气隙；检测控制系统由x、 y、 z三个坐标轴方向的独立控制子系统组成，各子系统设有控制球形转子悬浮和转动状态的悬浮控制器、解耦控制器、2<1)/30)变换电路、整流稳压电路、逆变器、传感器、信号检测处理电路，
传感器设置在端盖上的孔内。
所述的球形电动机壳体围绕球形转子布置至少3个球形电动机凸极定子，其中，绕柱体轴线转动的至少1个，绕垂直于柱体轴线的二维坐标轴转动的各至少1个，在悬浮控制器控制下，实现球形转子稳定悬浮在定子凸极包络球的中心，且驱动其两自由度或多自由度转动。
所述的定子由具有良好导磁性能的材料制成，其凸极定子凸极表面构成的包络球面为无底的球冠内表面，在各凸极之间的槽内，绕有三相或多
5相通电线圈绕组。定子凸极间的槽内三相或多相通电线圈绕组，通电后，线圈绕组将产生沿定子对称轴方向的磁推/拉力，以实现对球形转子在该定子轴线方向的移动自由度限制，以及产生绕定子对称轴并与转子球表面相切的磁转矩，以实现绕定子对称轴旋转自由度方向的驱动；多个推/拉力磁悬浮球形电机在控制器控制下，可实现球形转子稳定悬浮在定子凸极包络球的中心，且驱动其实现两自由度或多自由度转动。
所述的球形转子由具有良好导磁性能的材料制成，其球表面开有相互垂直且连续的沟槽，沟槽将整个球表面分为几何形状相同的微小单元面的转子凸极，沟槽内下导体构成转子绕组或电枢绕组。
所述的电磁铁夹持机构由电磁铁铁芯、线圈绕组、夹持衔铁组成。电磁铁夹持机构，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。
本发明综合应用磁悬浮技术、电机技术以及控制技术，实现球形转子的悬浮支承并驱动球形转子转动。磁悬浮球形电机工作时，对某坐标轴方向的控制系统同时输入相等的转矩电流和转速指令信号，经过解耦控制器矢量解耦后，由20/3<1>变换电路变换成三相电流控制信号，控制逆变器使整流稳压器输出的直流电变换为交流电，向该坐标轴上两个对称的定子绕组提供驱动电流，产生绕坐标轴的同向等量电磁转矩和转动速度，以驱动转子转动，同时两定子绕组将产生一对大小相等方向相反的偏置磁拉力作用于转子，使转子在无扰动作用下悬浮于该坐标方向的平衡位置。当电机转子在该坐标轴方向受到扰动作用时，对称于转子的2个传感器检测到转子的径向位移变化信号，各自将检测的信号经由信号检测处理电路进行调制、放大、解调、滤波等信号处理后以电压信号输出，两路电压信号进行比较形成转子在该坐标轴方向的差动位移信号，经悬浮控制器控制运算并转换成差动电流输出，作为转矩电流指令的增量调节信号，分别叠加在控制两个定子绕组转矩的转矩电流指令信号上，差动控制两逆变器对各自定子绕组的供电电流，使转子从平衡状态移向定子方的绕组电流减小，而转子从平衡状态远离定子方绕组电流增加，通过改变两定子绕组产生磁拉力 的相对大小来平衡干扰作用，使转子重新回到平衡状态，从而达到转子的 稳定悬浮。
本实用新型结构简单合理、紧凑，体积小，重量轻。球形转子与定子 之间实现无摩擦、无磨损，动态性能好，响应速度快，电机效率高，使用 寿命长。可广泛应用于机器人的关节及机械手的关节、多坐标机械加工中 心、航空飞行器、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、球形泵等要求具有多个运动自由度的装置、设备， 一台向心推/ 拉力磁悬浮球形电动机可以代替两台或多台单自由度电机。
图1是本实用新型的球形电动机壳体结构示意图2是本实用新型沿图1中A-A的剖面结构示意图3是本实用新型沿图1中B-B的剖面结构示意图4是本实用新型的凸极定子的结构示意图5是本实用新型的凸极定子的剖面结构示意图6是图4的俯视结构示意图7是本实用新型的球形转子表面结构示意图8是图7中C-C的剖面结构示意图9是本实用新型的工作控制示意图中l球形转子，2凸极定子，3端盖，4传感器，5定位块，6轴承，7 凸极定子，8端盖，9壳体，IO电磁铁夹持机构，ll输出转臂，12主轴通孔， 13、 14、 15垂面通孔，16通电线圈绕组，17定子凸极，18转子凸极，19转 子沟槽。
具体实施方式
以下结合附图，进一步叙述本实用新型的实施案例。 向心推/拉力磁悬浮球形电动机，由电机壳体9、定子、球形转子l、输出转臂ll等组成。电机壳体由底面为正八边形的棱柱体制成，以八棱柱
体的主轴Z轴为中心线，开一主轴通孔12贯穿于棱柱体的两底面，垂直于 主轴Z轴的X-Y内，在棱柱体侧面，均布有8个对称于X轴或Y轴且垂直 于主轴通孔12的垂面通孔13、 14、 15。定子由凸极定子2、 7等组成。在 主轴通孔12的一入口端嵌入一绕Z轴旋转的向心推/拉力磁悬浮球形电机 凸极定子7，沿X轴的2个垂面通孔13中入口处各自嵌入一绕X轴旋转的 向心推/拉力磁悬浮球形电机凸极定子2，沿Y轴的2个垂面通孔14中入 口处各自嵌入一绕Y旋转的向心推/拉力磁悬浮球形电机凸极定子2 ，凸极 定子通过带孔的端盖3、 8和通孔中的定位台阶将凸极定子固定在电机壳体 9上；另外4个对称布置的垂面通孔15内置放电磁铁夹持机构10;在凸极 定子固定端盖中心设置有检测转子位置、运动速度的传感器4。所有凸极 定子的定子凸极17表面构成一定子凸极包络球(或称球形包络内表面)， 在该包络球空间内放置球形转子l。转子l与输出转臂ll固定为一体，输 出转臂通过电机壳体9的主轴通孔另一开口处伸向外端(外部)。由定子、 球形转子等组成无轴承磁悬浮向心推/拉、力球形电机，以球形转子1为共 用转子，定子球形包络内表面与球形转子外表面之间在二者同心时存在一 定的气隙(间隙)。
定子采用具有良好导磁性能的材料制成，其定子凸极17表面构成的包 络面为无底的球冠内表面，在各定子凸极之间的槽内，绕有三相或多相通 电线圈绕组16,凸极定子2及其绕组16与球形转子1构成向心推/拉力磁 悬浮球形电机，综合控制电机的通电线圈绕组16中的电流，将产生沿凸极 定子对称轴方向的磁推/拉力和绕凸极定子对称轴的电磁转矩，实现对球形 转子1在三个空间方向的移动自由度限制，使球形转子1稳定悬浮在定子 凸极包络球的中心，并产生绕定子2对称轴并与转子球表面相切的磁转矩。 在控制器的综合控制下，转子就可绕指定轴转动，以实现电机的两自由度 或多自由度转动。
球形转子l由具有良好导磁性能的材料制成，其球表面开有相互垂直且连续的转子沟槽19，转子沟槽将整个球表面分为几何形状相同的微小单 元面转子凸极18，以形成球形磁阻式或步进式关节的凸极转子。感应式或 直流式关节在凸极转子的沟槽内下导(线)体构成转子绕组或电枢绕组。
本向心推/拉力磁悬浮球形电机的工作原理是，如图9所示，对y坐标 轴方向的控制系统同时输入相等的转矩电流^和转速w'指令信号，两路信 号各自经过解耦控制器矢量解耦后得到两相电流《和《，由2^> / 30变换电路 变换成三相电流信号《、《C，去控制逆变器使整流稳压器输出的直流电 变换为交流电，向各自控制的定子绕组提供驱动电流z'"、 z:、、以产生绕 y坐标轴的同向等量电磁转矩和转动速度，从而驱动球形转子1绕y坐标 轴转动。同时两定子通电线圈绕组16将产生一对y轴方向上大小相等方向 相反的偏置磁拉力作用于球形转子1，使球形转子1在无扰动作用下悬浮 于y坐标方向的平衡位置。当球形转子1在y坐标轴方向受到扰动作用时， 球形转子l将移向一凸极定子，离开另一凸极定子，球形转子l两侧的两 个传感器分别检测到球形转子1的径向位移变化信号，各自将检测的信号 经由信号检测处理电路进行调制、放大、解调、滤波等信号处理后分别以 电压信号"i、 "2输出，两路电压信号经过比较器比较得到y坐标轴方向的 差动位移信号A" = "2 —"i ，差动位移信号A"经悬浮控制器控制运算并转换成 差动电流信号Az'输出，该电流信号A/与控制两个定子绕组转矩的转矩电流 指令信号分别相加减变为^+A、 二—A/，差动控制两逆变器对各自定子绕 组的供电电流4、 ^、、使球形转子距离定子近的绕组电流减小，距离球 形定子远的绕组电流增加，通过改变两定子绕组产生磁拉力的相对大小来 平衡干扰作用，使球形转子重新回到平衡状态，从而达到转子的稳定悬浮。
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权利要求1、向心推/拉力磁悬浮球形电动机，包括球形电动机壳体、定子、球形转子、输出转臂构成的球形电动机和检测控制系统，其特征是球形电动机壳体由棱柱体或圆柱体制成，以柱体轴线为中心线，开一主轴通孔贯穿于柱体的两底面，在柱体侧面，均布至少4个垂直于主轴通孔的垂面通孔，所述的定子设有多个凸极定子，垂面通孔内安装有凸极定子或电磁铁夹持机构；在主轴通孔的一端嵌入凸极定子，通过带孔的端盖和主轴通孔中的定位台阶将凸极定子固定在壳体上；至少2个相互垂直的垂面通孔入口处嵌入凸极定子，并通过带孔的端盖和垂面通孔中的定位台阶将凸极定子固定在机壳体上；所有凸极定子的凸极端面构成一定子凸极包络球，在该包络球空间内置放球形转子，球形转子与输出转臂固定成一体，输出转臂通过主轴通孔的另一端伸向外部；定子凸极包络球的球形包络内表面与球形转子外表面之间在二者同心时存在一定的气隙；检测控制系统由x、y、z三个坐标轴方向的独立控制子系统组成，各子系统设有控制球形转子悬浮和转动状态的悬浮控制器、解耦控制器、2Φ/3Φ变换电路、整流稳压电路、逆变器、传感器、信号检测处理电路，传感器设置在端盖上的孔内。
2、 根据权利要求l所述的向心推/拉力磁悬浮球形电动机，其特征是 所述的电动机壳体围绕球形转子布置至少3个凸极定子，其中，绕柱体轴 线转动的至少1个，绕垂直于柱体轴线的二维坐标轴转动的各至少1个， 在悬浮控制器控制下，实现球形转子稳定悬浮在定子凸极包络球的中心， 且驱动其两自由度或多自由度转动。
3、 根据权利要求l所述的向心推/拉力磁悬浮球形电动机，其特征是 所述的定子由具有良好导磁性能的材料制成，其凸极定子凸极表面构成的 包络球面为无底的球冠内表面，在各凸极之间的槽内，绕有三相或多相通 电线圈绕组。
4、 根据权利要求l所述的向心推/拉力磁悬浮球形电动机，其特征是 所述的球形转子由具有良好导磁性能的材料制成，其球表面开有相互垂直 且连续的沟槽，沟槽将整个球表面分为几何形状相同的微小单元面的转子 凸极，沟槽内下导体构成转子绕组或电枢绕组。
5、 根据权利要求l所述的向心推/拉力磁悬浮球形电动机，其特征是 所述的电磁铁夹持机构由电磁铁铁芯、线圈绕组、夹持衔铁组成。
专利摘要向心推/拉力磁悬浮球形电动机，属于电机技术领域。包括球形电动机壳体、定子、球形转子、输出转臂构成的球形电动机和检测控制系统，球形电动机壳体由棱柱体或圆柱体制成，以柱体轴线为中心线开一主轴通孔，在柱体侧面均布至少4个垂直于主轴通孔的垂面通孔，定子设有多个凸极定子，垂面通孔内安装有凸极定子或电磁铁夹持机构，凸极定子通过带孔的端盖固定在壳体上。检测控制系统由x、y、z三个坐标轴方向的独立控制子系统组成，系统中的传感器设置在端盖上的孔内。本实用新型结构简单合理、紧凑，体积小，重量轻。球形转子与定子之间实现无摩擦、无磨损，动态性能好，响应速度快，电机效率高，使用寿命长。
文档编号H02N15/00GK201409103SQ20092003903
公开日2010年2月17日 申请日期2009年5月5日 优先权日2009年5月5日
发明者丹 张, 敏 戴, 励 曾 申请人:扬州大学