專利名稱：一種三自由度Halbach陣列永磁球形同步電動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于球形電動(dòng)機(jī)制造技術(shù)領(lǐng)域。涉及一種能夠?qū)崿F(xiàn)三自由度運(yùn)動(dòng)的永磁球形 同步電動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)，需要多臺(tái)單自由度電動(dòng)機(jī)的協(xié)調(diào)控制，這不僅造成機(jī)械 裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，而且系統(tǒng)響應(yīng)遲緩、效率低下及精度不夠。球形電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng) 多自由度傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低、精密度高、動(dòng)態(tài)性能好等特點(diǎn)， 可廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)器人、機(jī)械手臂、球形閥及全景攝像云臺(tái)等領(lǐng)域。
隨著電機(jī)設(shè)計(jì)、控制技術(shù)以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，多種結(jié)構(gòu)形式的球形電動(dòng)機(jī)不 斷涌現(xiàn)，構(gòu)成了多自由度傳動(dòng)機(jī)構(gòu)未來發(fā)展的方向。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)多種球形電動(dòng)機(jī)進(jìn)行
過研究。雙饋型球形電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子均采用分布繞組，轉(zhuǎn)子需要饋電，電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜； 永磁球形步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子極均為圓柱形結(jié)構(gòu)，增大了電機(jī)的體積，并且運(yùn)行過程中 對(duì)定、轉(zhuǎn)子在幾何結(jié)構(gòu)上的配合性計(jì)算比較復(fù)雜；表貼磁鋼式永磁球形電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子采用 112個(gè)永磁體，定子采用96個(gè)繞組，支撐軸承為液壓軸承，要求電機(jī)制造工藝較高，控 制系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜。
發(fā)明人在"基于Halbach陣列的永磁球形電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)"(出處電工技術(shù)學(xué)報(bào) -2007. 22(7) ,126-130) —文中，對(duì)此種類型的球形電動(dòng)機(jī)的工作原理進(jìn)行了探討，給 出了轉(zhuǎn)子磁極的Halbach陣列充磁規(guī)律。但該篇論文并未涉及具體的電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 有關(guān)結(jié)構(gòu)方面的內(nèi)容僅從原理方面加以描述，缺乏必要的技術(shù)特征，不具備實(shí)施的可能
性
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提出一種三自由度Halbach陣列永磁'球 形同步電動(dòng)機(jī)。該電機(jī)采用球形結(jié)構(gòu)，可以在一臺(tái)電機(jī)上實(shí)現(xiàn)三自由度運(yùn)動(dòng)，從而能夠 簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能。
本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案，
一種三自由度Halbach陣列永磁球形同步電動(dòng)機(jī)包括底座、置于底座上的支撐軸承、 球形轉(zhuǎn)子體、外定子、輸出軸，所述球形轉(zhuǎn)子體包括由非導(dǎo)磁材料制成的中空球形轉(zhuǎn)子 軛和Halbach陣列永磁體，所述輸出軸穿過中空球形轉(zhuǎn)子軛的上部并與其固定連接，圍 繞中空球形轉(zhuǎn)子軛赤道一圈開設(shè)有柱形槽，所述Halbach陣列永磁體沿柱形槽均勻固定在轉(zhuǎn)子軛赤道一圈上，轉(zhuǎn)子軛下部與支撐軸承的接觸面為環(huán)形弧面；所述外定子包括固 定在底座上的定子外殼，所述定子外殼開設(shè)有按照球面經(jīng)緯線均勻分布的多排線圈固定 孔，各個(gè)線圈分別通過可調(diào)節(jié)的線圈固定螺栓固定在線圈固定孔上，中間一排線圈位于 赤道；所述定子外殼的上部連接有外殼蓋，在外殼蓋的下方設(shè)置有固定軸承，所述固定 軸承的軸承座通過可調(diào)節(jié)的軸承固定螺栓與外殼蓋相連接，在軸承座上方開設(shè)有柱形槽， 槽內(nèi)放置有彈簧，所述軸承固定螺栓的下端伸入柱形槽內(nèi)與彈簧相抵，所述固定軸承固 定在軸承座的下方開設(shè)的槽內(nèi)，轉(zhuǎn)子軛上部與固定軸承的接觸面為環(huán)形弧面。
本發(fā)明的三自由度Halbach陣列永磁球形同步電動(dòng)機(jī)，中空球形轉(zhuǎn)子軛最好由兩個(gè) 半球形轉(zhuǎn)子軛對(duì)接而成，在兩個(gè)半球轉(zhuǎn)子軛上開有螺紋孔，輸出軸通過螺紋孔將兩個(gè)半 球連接在一起，并通過擰緊螺栓將兩半球夾緊；Halbach陣列永磁體可以采用6極，每極 3塊Halbach陣列排列方式，永磁體球面經(jīng)度角設(shè)為30° 。
本發(fā)明具有如下的突出的技術(shù)效果-
1. 三自由度Halbach陣列永磁球形同步電動(dòng)機(jī)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)多自由度傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在 一臺(tái)電機(jī)上實(shí)現(xiàn)三自由度運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用于機(jī)器人、機(jī)械手臂及全景攝像云臺(tái)等領(lǐng)域，可以 簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高機(jī)械集成度和傳動(dòng)系統(tǒng)的定位精度。 '
2. 永磁體采用Halbach陣列結(jié)構(gòu)，削弱了磁場(chǎng)高次諧波的影響，使氣隙磁場(chǎng)波形更 接近正弦，能夠提高氣隙磁通密度，可以進(jìn)一步減小電機(jī)體積，增大轉(zhuǎn)矩密度，從而擴(kuò) 大球形電機(jī)的應(yīng)用范圍。
3. 三自由度Halbach陣列永磁球形同步電動(dòng)機(jī)由轉(zhuǎn)子球體、球形定子外殼、定子繞 組、輸出軸、固定軸承、支撐軸承和彈簧等構(gòu)成。固定軸承采用可旋轉(zhuǎn)固定螺栓調(diào)節(jié)對(duì) 轉(zhuǎn)子的下壓力，使電機(jī)結(jié)構(gòu)可靠，摩擦損耗較小，提高了電機(jī)的輸出力矩，擴(kuò)大了轉(zhuǎn)子 球體的偏轉(zhuǎn)范圍；線圈采用可調(diào)固定螺栓，提高了電機(jī)設(shè)計(jì)的靈活性；轉(zhuǎn)子軛采用中空 結(jié)構(gòu)，減小了電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從而提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
4. 三自由度Halbach陣列永磁球形同步電動(dòng)機(jī)定子繞組沿球面經(jīng)、緯度排列，每個(gè) 線圏由一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路獨(dú)立控制。通過控制線圈電流以及通電線圈的位置與個(gè)數(shù)，可以調(diào) 節(jié)總電磁轉(zhuǎn)矩矢量的方向和大小，能夠獲得不同的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性。


圖l三自由度Halbach陣列永磁球形同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖； 圖2轉(zhuǎn)子球體結(jié)構(gòu)圖3永磁體Halbach陣列及其充磁方向示意圖； 圖4定子結(jié)構(gòu)圖； 圖5固定軸承結(jié)構(gòu)圖。
圖中標(biāo)號(hào)說明1 Halbach陣列永磁體；2中空球形轉(zhuǎn)子軛；3定子線圈軸；4定子
外殼；5外殼蓋；6支撐軸承；7固定軸承；8底座；9輸出軸；IO法蘭；ll擰緊螺栓；12線圈固定孔；13線圈固定螺栓；14彈簧；15軸承固定螺栓。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出了一種三自由度Halbach陣列永磁球形同步電動(dòng)機(jī)，包括球形轉(zhuǎn)子體、 外定子、支撐軸承、固定軸承、輸出軸、底座、法蘭等，其中，球形轉(zhuǎn)子體由Halbach 陣列燒結(jié)釹鐵硼永磁體與轉(zhuǎn)子軛構(gòu)成，外定子由球形定子外殼、外殼蓋及圓柱形線圈構(gòu) 成，固定軸承由環(huán)狀弧面軸承、軸承座、固定螺栓和彈簧構(gòu)成，通過旋轉(zhuǎn)軸承固定螺栓 可以調(diào)節(jié)施加在轉(zhuǎn)子球上的下壓力。球形定子外殼沿球面經(jīng)緯線開有螺紋孔，所有圓柱 形線圈分別固定在螺紋孔上，通過旋轉(zhuǎn)線圈固定螺栓可以調(diào)節(jié)定、轉(zhuǎn)子極間的氣隙大小。 按照一定通電策略給處于同一緯線上的線圈通電，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生一 個(gè)球面切向力，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子球體完成自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；按照一定通電策略給處于同一經(jīng)線上的線 圈通電，定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)產(chǎn)生的球面切向力可以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子球體完成偏航和俯仰運(yùn)動(dòng)，從而 實(shí)現(xiàn)電機(jī)球面任意位置的定位運(yùn)動(dòng)。
下面根據(jù)附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳述。
本發(fā)明的三自由度Halbach陣列永磁球形同步電動(dòng)機(jī)由球形轉(zhuǎn)子體、外定子、支撐 軸承6、固定軸承7、底座8、輸出軸9、法蘭10構(gòu)成。球形轉(zhuǎn)子體包括Halbach陣列永 磁體1和中空球形轉(zhuǎn)子軛2，外定子包括定子線圈軸3、定子外殼4、外殼蓋5，球形電 機(jī)結(jié)構(gòu)如圖l所示。
為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，本發(fā)明的球形電機(jī)采用中空球形轉(zhuǎn)子軛2，由非導(dǎo)磁材料 制成。為了簡(jiǎn)化加工工藝，轉(zhuǎn)子軛由兩個(gè)半球形轉(zhuǎn)子軛對(duì)接而成，在兩個(gè)半球轉(zhuǎn)子軛上 開有螺紋孔，輸出軸9通過螺紋孔將兩個(gè)半球連接在一起，并通過擰緊螺栓11將兩半球 夾緊。圍繞球形轉(zhuǎn)子軛赤道一圈開有柱形槽，永磁體1沿柱形槽均勻鑲嵌在轉(zhuǎn)子軛上， 形成完整的球體結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖2所示。永磁體由N38H燒結(jié)釹鐵硼材料制成，采用 6極，每極3塊Halbach陣列排列方式，通過電磁計(jì)算，永磁體球面經(jīng)度角設(shè)為30° ， 在保證了電機(jī)大轉(zhuǎn)矩的同時(shí)盡量減小了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，磁極排列方式及其充磁方向如 圖3所示。
轉(zhuǎn)子球體放在置于底座8的支撐軸承6上，支撐軸承由聚四氟乙烯材料制成，采用 環(huán)狀弧面結(jié)構(gòu)，可以減小軸承與轉(zhuǎn)子球的摩擦。定子外殼4與底座連接成一體，外殼上 開有5排線圈固定孔12，每排18個(gè)，按照球面經(jīng)緯線均勻分布，線圈采用圓柱形結(jié)構(gòu)， 軸上纏繞標(biāo)準(zhǔn)銅線，由線圈固定螺栓13固定在定子外殼的線圈固定孔12上，中間一排 線圈位于赤道。定、轉(zhuǎn)子之間為氣隙，通過旋轉(zhuǎn)線圈固定螺栓13可以調(diào)節(jié)定、轉(zhuǎn)子極間 的氣隙大小。在加工工藝允許條件下，外殼蓋5上開一個(gè)圓形區(qū)域，方便轉(zhuǎn)子帶動(dòng)輸出 軸實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的偏轉(zhuǎn)，外定子結(jié)構(gòu)如圖4所示。
為了避免轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中發(fā)生振動(dòng)，影響運(yùn)行性能，球形電機(jī)采用固定軸承對(duì)轉(zhuǎn) 子表面形成一個(gè)下壓力，將轉(zhuǎn)子固定在支撐軸承上，固定軸承結(jié)構(gòu)如圖5所示。固定軸承與軸承座均由聚四氟乙烯材料制成，軸承鑲嵌在軸承座下面的開槽上，軸承座上方開 有兩個(gè)柱形槽。軸承座和外殼蓋通過特制螺栓15聯(lián)接在一起，螺栓15最下面的部分是 光滑的，半徑比柱形槽稍小，柱形槽內(nèi)分別放置一個(gè)彈簧14，彈簧14與螺栓15相互作 用產(chǎn)生一個(gè)向下的壓力，通過固定軸承作用到轉(zhuǎn)子球上，能夠穩(wěn)定轉(zhuǎn)子位置。通過調(diào)節(jié) 軸承固定螺栓可以調(diào)節(jié)固定軸承對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的下壓力，可以改變轉(zhuǎn)子球體受到的摩擦力 矩。
在三自由度Halbach陣列永磁球形電動(dòng)機(jī)中，氣隙磁場(chǎng)由Halbach陣列永磁體和通 電定子線圈共同產(chǎn)生，二者相互作用，可以形成任意方向的轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)球形轉(zhuǎn)子任 意位置的定位運(yùn)動(dòng)。永磁體為6極結(jié)構(gòu)，每極對(duì)應(yīng)3個(gè)定子線圈，當(dāng)通電定子線圈位于 每對(duì)轉(zhuǎn)子極邊界時(shí)，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩最大，要求轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)時(shí)刻至少可以給6個(gè) 線圈同時(shí)通電，可以產(chǎn)生6個(gè)相同方向相同大小的電磁轉(zhuǎn)矩，保證了電機(jī)大轉(zhuǎn)矩的輸出； 給沿經(jīng)線分布的定子線圈通電，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子一定范圍內(nèi)的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。負(fù)載通過法 蘭10連接在輸出軸上，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載在意位置的定位運(yùn)動(dòng)。
每個(gè)定子線圈由一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路獨(dú)立控制，通過制定不同的通電策略和軌跡規(guī)劃策略， 可以更為靈活地構(gòu)建控制系統(tǒng)，提高電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。
權(quán)利要求
1. 一種三自由度Halbach陣列永磁球形同步電動(dòng)機(jī)，包括底座、置于底座上的支撐軸承、球形轉(zhuǎn)子體、外定子、輸出軸，其特征在于，所述球形轉(zhuǎn)子體包括由非導(dǎo)磁材料制成的中空球形轉(zhuǎn)子軛和Halbach陣列永磁體，所述輸出軸穿過中空球形轉(zhuǎn)子軛的上部并與其固定連接，圍繞中空球形轉(zhuǎn)子軛赤道一圈開設(shè)有柱形槽，所述Halbach陣列永磁體沿柱形槽均勻固定在轉(zhuǎn)子軛赤道一圈上，轉(zhuǎn)子軛下部與支撐軸承的接觸面為環(huán)形弧面；所述外定子包括固定在底座上的定子外殼，所述定子外殼開設(shè)有按照球面經(jīng)緯線均勻分布的多排線圈固定孔，各個(gè)線圈分別通過可調(diào)節(jié)的線圈固定螺栓固定在線圈固定孔上，中間一排線圈位于赤道；所述定子外殼的上部連接有外殼蓋，在外殼蓋的下方設(shè)置有固定軸承，所述固定軸承的軸承座通過可調(diào)節(jié)的軸承固定螺栓與外殼蓋相連接，在軸承座上方開設(shè)有柱形槽，槽內(nèi)放置有彈簧，所述軸承固定螺栓的下端伸入柱形槽內(nèi)與彈簧相抵，所述固定軸承固定在軸承座的下方開設(shè)的槽內(nèi)，轉(zhuǎn)子軛上部與固定軸承的接觸面為環(huán)形弧面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三自由度Halbach陣列永磁球形同步電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所 述中空球形轉(zhuǎn)子軛由兩個(gè)半球形轉(zhuǎn)子軛對(duì)接而成，在兩個(gè)半球轉(zhuǎn)子軛上開有螺紋孔， 輸出軸通過螺紋孔將兩個(gè)半球連接在一起，并通過擰緊螺栓將兩半球夾緊。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的三自由度Halbach陣列永磁球形同步電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所 述的Halbach陣列永磁體采用6極，每極3塊Halbach陣列排列方式，永磁體球面經(jīng) 度角設(shè)為30。。
全文摘要
本發(fā)明屬于球形電機(jī)制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種三自由度Halbach陣列永磁球形同步電動(dòng)機(jī)包括底座、置于底座上的支撐軸承、球形轉(zhuǎn)子體、外定子、輸出軸，球形轉(zhuǎn)子體包括由非導(dǎo)磁材料制成的中空球形轉(zhuǎn)子軛和Halbach陣列永磁體，輸出軸穿過中空球形轉(zhuǎn)子軛的上部并與其固定連接，圍繞中空球形轉(zhuǎn)子軛赤道一圈開設(shè)有柱形槽，Halbach陣列永磁體沿柱形槽均勻固定在轉(zhuǎn)子軛赤道一圈上，轉(zhuǎn)子軛下部與支撐軸承的接觸面為環(huán)形弧面；外定子包括定子外殼和多排線圈，定子外殼的外殼蓋的下方設(shè)置有可調(diào)節(jié)的固定軸承。本發(fā)明的球形電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)三自由度運(yùn)動(dòng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能得到提高。
文檔編號(hào)H02K5/16GK101282070SQ20081005308
公開日2008年10月8日 申請(qǐng)日期2008年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月12日
發(fā)明者信建國(guó), 夏長(zhǎng)亮, 鵬 宋, 李洪鳳 申請(qǐng)人:天津大學(xué)