一種六自由度永磁同步磁懸浮球形電機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種球形電機(jī)，特別是一種六自由度永磁同步磁懸浮球形電機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人關(guān)節(jié)的自由度越來越多，球形電機(jī)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。球形電機(jī)具有兩個(gè)或三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，可繞過定點(diǎn)的多個(gè)空間軸線旋轉(zhuǎn)。球形電機(jī)在需要多自由度控制的機(jī)械系統(tǒng)中，能夠代替多臺(tái)單自由度電機(jī)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減小系統(tǒng)體積，消除由于齒隙帶來的傳動(dòng)誤差?，F(xiàn)有球形電機(jī)結(jié)構(gòu)多是在萬向節(jié)或球關(guān)節(jié)安裝電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子，在有限運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)兩自由度或三自由度的運(yùn)動(dòng)，其他空間自由度被限制。而且，現(xiàn)有球形電機(jī)的定子對(duì)轉(zhuǎn)子的支承結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在較大的摩擦阻力，導(dǎo)致球形電機(jī)工作發(fā)熱嚴(yán)重、工作效率降低、使用壽命縮短，難以實(shí)現(xiàn)高速、高精度運(yùn)動(dòng)，制約了球形電機(jī)的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種六自由度永磁同步磁懸浮球形電機(jī)，解決傳統(tǒng)球形電機(jī)自由度少、支撐結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制精度低的問題。
[0004]一種六自由度永磁同步磁懸浮球形電機(jī)，包括:球殼形定子和球形動(dòng)子；其中球殼形定子包括:定子外殼和磁鋼，球形動(dòng)子包括:動(dòng)子球芯、水平線圈和垂直線圈。
[0005]定子外殼為空心球殼，且定子外殼的南北極位置各有一個(gè)鏤空截面，磁鋼為立方體，磁鋼沿定子外殼的徑向充磁，磁鋼充磁面垂直于定子外殼的半徑，沿定子外殼經(jīng)瑋線方向正交分布，并形成球面二維NS式磁鋼陣列，磁鋼鑲嵌在定子外殼中。
[0006]動(dòng)子球芯為圓球形，動(dòng)子球芯有貫穿軸心的通孔，水平線圈和垂直線圈纏繞在動(dòng)子球芯表面，均由扁平漆包銅線繞制而成。水平線圈和垂直線圈沿動(dòng)子球芯的赤道交替分布。水平線圈分為三組，每組互成120度夾角，水平線圈沿球形動(dòng)子的經(jīng)線方向呈一維陣列分布，與瑋線方向平行，水平線圈的間距為磁鋼陣列的三分之一極距。垂直線圈分為三組，每組互成120度夾角，垂直線圈沿球形動(dòng)子瑋線方向呈扇形陣列，與經(jīng)線方向平行，垂直線圈的間距為磁鋼陣列的三分之一極距。
[0007]球殼形定子和球形動(dòng)子之間不接觸，球形動(dòng)子依靠電磁力懸浮在球殼形定子中間，通過控制電磁力來調(diào)整球形動(dòng)子和球殼形定子的球心的相對(duì)位置。球殼形定子中的二維陣列磁鋼產(chǎn)生沿定子外殼內(nèi)表面分布的正交磁場(chǎng)。水平線圈通電后，近磁場(chǎng)部分受到沿動(dòng)子球芯半徑方向的力，以及垂直于水平線圈的近磁場(chǎng)部分、沿動(dòng)子球芯的球面切線方向的力。垂直線圈通電后，近磁場(chǎng)部分受到沿動(dòng)子球芯半徑方向的力，以及垂直于垂直線圈的近磁場(chǎng)部分、沿動(dòng)子球芯的球面切線方向的力。球形動(dòng)子中的水平線圈和垂直線圈按dqO分解通入電流，使球形動(dòng)子受到向心浮力，懸浮在球殼形定子中，并使球形動(dòng)子受到相對(duì)于球殼形定子沿任意軸線的轉(zhuǎn)矩作用，從而實(shí)現(xiàn)多自由度轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0008]本發(fā)明的球形電機(jī)具有多旋轉(zhuǎn)自由度驅(qū)動(dòng)能力，定子、轉(zhuǎn)子間無支撐結(jié)構(gòu)、無機(jī)械連接，具有結(jié)構(gòu)緊湊、無摩擦等特點(diǎn)，作為機(jī)器人的多自由度關(guān)節(jié)可實(shí)現(xiàn)高速、高精度控制。
【附圖說明】
[0009]圖1 一種六自由度永磁同步磁懸浮球形電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2 —種六自由度永磁同步磁懸浮球形電機(jī)的球殼形定子結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3 —種六自由度永磁同步磁懸浮球形電機(jī)的球殼形定子磁鋼陣列平面展開示意圖；
圖4 一種六自由度永磁同步磁懸浮球形電機(jī)的球形動(dòng)子結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5 —種六自由度永磁同步磁懸浮球形電機(jī)的球形動(dòng)子水平線圈示意圖；
圖6 —種六自由度永磁同步磁懸浮球形電機(jī)的球形動(dòng)子垂直線圈示意圖。
[0010]1.球殼形定子2.球形動(dòng)子3.定子外殼4.磁鋼5.動(dòng)子球芯6.水平線圈7.垂直線圈。
【具體實(shí)施方式】
[0011]—種六自由度永磁同步磁懸浮球形電機(jī)，包括:球殼形定子I和球形動(dòng)子2 ;其中球殼形定子I包括:定子外殼3和磁鋼4，球形動(dòng)子2包括:動(dòng)子球芯5、水平線圈6和垂直線圈7。
[0012]定子外殼3為內(nèi)徑100mm、外徑118mm的空心球殼，且定子外殼3的南北極位置各有一個(gè)鏤空截面，磁鋼4為邊長18_的立方體，磁鋼4沿定子外殼3的徑向充磁，磁鋼4充磁面垂直于定子外殼3的半徑，沿定子外殼3經(jīng)瑋線方向正交分布，形成球面二維NS式磁鋼陣列，極距為19.5mm，鑲嵌在定子外殼3中。
[0013]動(dòng)子球芯5為圓球形，動(dòng)子球芯5有貫穿軸心的通孔，水平線圈6和垂直線圈7纏繞在動(dòng)子球芯5表面，均由寬2_、厚0.2_扁平漆包銅線繞制而成。水平線圈6和垂直線圈7沿動(dòng)子球芯5的赤道交替分布。水平線圈6分為三組，每組互成120度夾角，水平線圈6沿球形動(dòng)子2的經(jīng)線方向呈一維陣列分布，與瑋線方向平行，水平線圈6的間距為磁鋼陣列的三分之一極距。垂直線圈7分為三組，每組互成120度夾角，垂直線圈7沿球形動(dòng)子2瑋線方向呈扇形陣列，與經(jīng)線方向平行，垂直線圈7的間距為磁鋼陣列的三分之一極距。
[0014]球殼形定子I和球形動(dòng)子2之間不接觸，球形動(dòng)子2依靠電磁力懸浮在球殼形定子I中間，通過控制電磁力來調(diào)整球形動(dòng)子2和球殼形定子I的球心的相對(duì)位置。球殼形定子I中的二維陣列磁鋼產(chǎn)生沿定子外殼3內(nèi)表面分布的正交磁場(chǎng)。水平線圈6通電后，近磁場(chǎng)部分受到沿動(dòng)子球芯5半徑方向的力，以及垂直于水平線圈6的近磁場(chǎng)部分、沿動(dòng)子球芯5的球面切線方向的力。垂直線圈7通電后，近磁場(chǎng)部分受到沿動(dòng)子球芯5半徑方向的力，以及垂直于垂直線圈7的近磁場(chǎng)部分、沿動(dòng)子球芯5的球面切線方向的力。球形動(dòng)子2中的水平線圈6和垂直線圈7按dqO分解通入電流，使球形動(dòng)子2受到向心浮力，懸浮在球殼形定子I中，并使球形動(dòng)子2受到相對(duì)于球殼形定子I沿任意軸線的轉(zhuǎn)矩作用，從而實(shí)現(xiàn)多自由度轉(zhuǎn)動(dòng)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種六自由度永磁同步磁懸浮球形電機(jī)，其特征在于包括:球殼形定子(I)和球形動(dòng)子(2);其中球殼形定子(I)包括:定子外殼(3)和磁鋼(4)，球形動(dòng)子(2)包括:動(dòng)子球芯(5)、水平線圈(6)和垂直線圈(7)； 定子外殼(3)為空心球殼，且定子外殼(3)的南北極位置各有一個(gè)鏤空截面，磁鋼(4)為立方體，磁鋼(4)沿定子外殼(3)的徑向充磁，磁鋼(4)充磁面垂直于定子外殼(3)的半徑，沿定子外殼(3)經(jīng)瑋線方向正交分布，并形成球面二維NS式磁鋼(4)陣列，磁鋼(4)鑲嵌在定子外殼(3)中； 動(dòng)子球芯(5 )為圓球形，動(dòng)子球芯(5 )有貫穿軸心的通孔，水平線圈(6 )和垂直線圈(7 )纏繞在動(dòng)子球芯(5)表面，均由扁平漆包銅線繞制而成；水平線圈(6)和垂直線圈(7)沿動(dòng)子球芯(5)的赤道交替分布；水平線圈(6)分為三組，每組互成120度夾角，水平線圈(6)沿球形動(dòng)子(2)的經(jīng)線方向呈一維陣列分布，與瑋線方向平行，水平線圈(6)的間距為磁鋼(4 )陣列的三分之一極距；垂直線圈(7 )分為三組，每組互成120度夾角，垂直線圈(7 )沿球形動(dòng)子(2)瑋線方向呈扇形陣列，與經(jīng)線方向平行，垂直線圈(7)的間距為磁鋼(4)陣列的三分之一極距； 球殼形定子(I)和球形動(dòng)子(2)之間不接觸，球形動(dòng)子(2)依靠電磁力懸浮在球殼形定子(I)中間，通過控制電磁力來調(diào)整球形動(dòng)子(2)和球殼形定子(I)的球心的相對(duì)位置；球殼形定子(I)中的二維陣列磁鋼(4)產(chǎn)生沿定子外殼(3)內(nèi)表面分布的正交磁場(chǎng)；水平線圈(6)通電后，近磁場(chǎng)部分受到沿動(dòng)子球芯(5)半徑方向的力，以及垂直于水平線圈(6)的近磁場(chǎng)部分、沿動(dòng)子球芯(5)的球面切線方向的力；垂直線圈(7)通電后，近磁場(chǎng)部分受到沿動(dòng)子球芯(5)半徑方向的力，以及垂直于垂直線圈(7)的近磁場(chǎng)部分、沿動(dòng)子球芯(5)的球面切線方向的力；球形動(dòng)子(2)中的水平線圈(6)和垂直線圈(7)按dqO分解通入電流，使球形動(dòng)子(2)受到向心浮力，懸浮在球殼形定子(I)中，并使球形動(dòng)子(2)受到相對(duì)于球殼形定子(I)沿任意軸線的轉(zhuǎn)矩作用，從而實(shí)現(xiàn)多自由度轉(zhuǎn)動(dòng)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種六自由度永磁同步磁懸浮球形電機(jī)，包括：球殼形定子（1）和球形動(dòng)子（2）。球殼形定子（1）和球形動(dòng)子（2）之間不接觸，球形動(dòng)子（2）依靠電磁力懸浮在球殼形定子（1）中間，通過控制電磁力來調(diào)整球形動(dòng)子（2）和球殼形定子（1）的球心的相對(duì)位置；球形動(dòng)子（2）中的水平線圈和垂直線圈按dq0分解通入電流，使球形動(dòng)子（2）受到向心浮力，懸浮在球殼形定子（1）中，并使球形動(dòng)子（2）受到相對(duì)于球殼形定子（1）沿任意軸線的轉(zhuǎn)矩作用，從而實(shí)現(xiàn)多自由度轉(zhuǎn)動(dòng)。本發(fā)明具有多旋轉(zhuǎn)自由度驅(qū)動(dòng)能力，結(jié)構(gòu)緊湊、無摩擦，可以作為機(jī)器人的多自由度關(guān)節(jié)并提供高速、高精度控制。
【IPC分類】H02N15-00, H02K21-28
【公開號(hào)】CN104836408
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510127763
【發(fā)明人】劉昊, 馬相孚, 王成罡, 叢炳龍, 王赟, 符麗君
【申請(qǐng)人】北京機(jī)械設(shè)備研究所
【公開日】2015年8月12日
【申請(qǐng)日】2015年3月24日