本发明属于球形电机结构设计领域，尤其涉及到具有外转子结构的永磁球形电机。
背景技术：
目前，工业机械手关节、全景云台等做空间多维运动的精密装置得到了广泛应用，这类装置目前需要多台单自由度驱动电机及复杂的机械传动机构来完成空间的三维运动，从而导致系统复杂、体积庞大、效率低下、精度不够、响应迟缓、动态性能较差。在这种情况下，能够提供多自由度运动的球形电机得到了人们的广泛重视。自球形电机提出以来，国内外学者在其结构分析以及控制等领域做了许多工作。但是永磁球形电机在具体应用在实际中还需要克服一些问题：由于永磁球形电动机复杂的电磁场分布，矩角特性需要改进，球形转子产生的转矩输出非常困难，并且转矩输出过程中损耗很大；永磁球形电动机的运行原理不一，对应出现了不同的检测技术及控制算法，还处于理论探索阶段，实用性较差。
技术实现要素：
本发明的目的是提出一种具有较好的实用性适合低速运转场合的新型永磁球形电机。技术方案如下：
一种具有外转子结构的永磁球形电机，定子包括定子线圈，定子内支撑和定子外支撑，定子内支撑包括底盘部分和固定在底盘上的球形部分，在球形部分的外表面开设有与定子线圈相匹配的沟槽，定子线圈嵌在沟槽内，定子外支撑固定在在定子线圈的外部，其外表面为光滑球形表面，定子外支撑为两个用拼接能够固定的半球壳，拼接后形成整个光滑球壳。
转子包括永磁体磁极和转子支撑，转子支撑用来安放永磁体磁极和滚珠，其上接有输出轴以输出机械转矩；在转子支撑上开设有与滚珠相配合的槽口，槽口与滚珠相配合使得转子支撑能够扣在定子外支撑上，运动时不会脱离；在转子支撑内表面的z轴正半轴方向的半球面上，分布有磁极。
优选地，定子线圈从z轴正半轴到负半轴分为5层，各层的球坐标的θ分量为θ＝0°，30°，60°，90°，120°，各层均匀分布1、4、8、8、8个线圈，共29个线圈。
磁极为三层，各层的球坐标的θ分量范围分别为30°到50°、50°到70°、70°到90°，每层由8块n极和8块s极交替排列组成，每块磁极的球坐标的
本发明的技术效果如下：
1.具有外转子结构的新型永磁球形电机中外转子的使用为永磁体磁极的排列提供了更多空间以产生高磁通密度，从而可以实现高转矩输出。
2.具有外转子结构的新型永磁球形电机运动范围较内转子结构的球形电机更大。
3.具有外转子结构的新型永磁球形电机因其转子的惯性矩可能相对较高，这种设计更适合低速应用。
4.具有外转子结构的新型永磁球形电机中外转子结构有助于抵御运动中的外部干扰，并提高系统的运行稳定性。
附图说明
图1：球形电机示意图。
图中标号名称为：1定子内支撑；2定子线圈；3定子外支撑；3.1铆钉卡扣；3.2铆钉；4滚珠；5转子支撑；5.1连接口；5.2转子输出轴；6气隙；7永磁体磁极；7.1n极；7.2s极。
图2：定子线圈分布示意图。
图中标号名称为：1定子内支撑；2定子线圈。
图3：转子磁极分布示意图。
图中标号名称为：7.1n极；7.2s极。
图4：力矩产生示意图。
图中标号名称为：2.1线圈1；2.2线圈2；7永磁体磁极。
具体实施方式
本发明提出了具有外转子结构的新型永磁球形电机设计，下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明在永磁球形电机结构上提出一些改进，基于常见的永磁球形电机的结构，例如多面体结构和分层式结构，提出了一种具有外转子结构的新型永磁球形电机。新型永磁球形电机的特点是转子在外，在转子支撑上摆放双层永磁体磁极，并安置滚珠，为定、转子相对运动提供支持，定子壳上排布多层空心线圈，永磁体磁极的磁场与定子线圈中的电流输入相互作用产生转矩。新型球形电机结构在工业机械手关节等球形电机特定应用场合具有较好的实用性，也为球形电机进一步的发展提供了新的思路。
(1)机械结构和工作原理：
具有外转子结构的新型永磁球形电机主要包括2部分，定子和转子，下面对各自具体结构分别进行说明。
如图1所示，定子主要由三部分构成：定子线圈2，定子内支撑结构1和定子外支撑结构3。定子线圈2由绝缘漆包线缠绕完成之后整体包扎固定成圆柱形状，方便嵌入定子内支撑1上，所有线圈2从z轴正半轴到负半轴分为5层，各层的球坐标的θ分量为θ＝0°，30°，60°，90°，120°。如图2所示，各层均匀分布1、4、8、8、8个线圈2，共29个线圈2，图中第一层的线圈未画出，线圈2导线截面积为1mm2，匝数为300匝。定子内支撑结构1上面开槽用来安放线圈2，下方圆柱底盘为整个球形电机提供支撑。定子外支撑结构3用来提供光滑表面，使得转子可以自由运动，同时外支撑结构充当了一部分气隙，所以尺寸应较小，与设计的气隙厚度相同，均为1mm，制造时为便于安装将其分为两半，其中一半在分开处分布着铆钉3.2，另外一半在对应位置分布着铆钉卡扣3.1，拼接时二者拼接在一起，将两个半球壳固定为一个光滑球壳
如图1所示，转子主要由两部分构成：永磁体磁极7和转子支撑5。转子支撑5主要用来安放永磁体磁极7和滚珠4，其上接有输出轴5.2以输出机械转矩，制造时为便于安装将其分为两半，用连接口5.1配上螺丝、螺母连接，其中滚珠4的主要作用是使得定、转子之间相互运动时减小摩擦力，并设计尺寸使得转子支撑装置可以完全扣在定子上，运动时不会脱离；永磁体磁极7如图3所示，在z轴正半轴方向的半球面上，分布3层磁极7，各层的球坐标的θ分量范围分别为30°到50°、50°到70°、70°到90°，每层由8块n极7.1和8块s极7.2交替排列组成，每块磁极7的球坐标的
如图4所示，当给球形电机的定子线圈2通电时，定子线圈2和转子磁极7之间产生力矩作用，如图4所示，线圈2.2对磁极产生引力，线圈2.1对磁极产生斥力，使得磁极7沿着线圈2.1到线圈2.2的方向运动，进而推动球形电机的转子产生运动。当给所有的定子线圈2通电时，转子可以绕它的转子轴5.2旋转运动(即自旋运动)；当给位于不同纵向位置的线圈2通电时，转子可以绕不同方向倾斜运动。所以，当给不同的定子线圈2通电时，转子可以产生空间三自由度的运动。
本发明中部件的组合和组配、转子磁极的排列方式、线圈的结构以及排列方式均是可根据实际状况变化的，这些变形和应用都应该属于本发明的范围内。