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CN104836408A - 一种六自由度永磁同步磁悬浮球形电机 - Google Patents

一种六自由度永磁同步磁悬浮球形电机 Download PDF

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王成罡
丛炳龙
王赟
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
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    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Linear Motors (AREA)

Abstract

本发明公开了一种六自由度永磁同步磁悬浮球形电机，包括：球壳形定子（1）和球形动子（2）。球壳形定子（1）和球形动子（2）之间不接触，球形动子（2）依靠电磁力悬浮在球壳形定子（1）中间，通过控制电磁力来调整球形动子（2）和球壳形定子（1）的球心的相对位置；球形动子（2）中的水平线圈和垂直线圈按dq0分解通入电流，使球形动子（2）受到向心浮力，悬浮在球壳形定子（1）中，并使球形动子（2）受到相对于球壳形定子（1）沿任意轴线的转矩作用，从而实现多自由度转动。本发明具有多旋转自由度驱动能力，结构紧凑、无摩擦，可以作为机器人的多自由度关节并提供高速、高精度控制。

Description

一种六自由度永磁同步磁悬浮球形电机
技术领域
本发明涉及一种球形电机，特别是一种六自由度永磁同步磁悬浮球形电机。
背景技术
随着机器人技术的发展，机器人关节的自由度越来越多，球形电机是一种能够实现多自由度运动的机构。球形电机具有两个或三个旋转自由度，可绕过定点的多个空间轴线旋转。球形电机在需要多自由度控制的机械系统中，能够代替多台单自由度电机，简化系统结构，减小系统体积，消除由于齿隙带来的传动误差。现有球形电机结构多是在万向节或球关节安装电机的定子、转子，在有限运动范围内实现两自由度或三自由度的运动，其他空间自由度被限制。而且，现有球形电机的定子对转子的支承结构复杂，存在较大的摩擦阻力，导致球形电机工作发热严重、工作效率降低、使用寿命缩短，难以实现高速、高精度运动，制约了球形电机的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种六自由度永磁同步磁悬浮球形电机，解决传统球形电机自由度少、支撑结构复杂、控制精度低的问题。
一种六自由度永磁同步磁悬浮球形电机，包括：球壳形定子和球形动子；其中球壳形定子包括：定子外壳和磁钢，球形动子包括：动子球芯、水平线圈和垂直线圈。
定子外壳为空心球壳，且定子外壳的南北极位置各有一个镂空截面，磁钢为立方体，磁钢沿定子外壳的径向充磁，磁钢充磁面垂直于定子外壳的半径，沿定子外壳经纬线方向正交分布，并形成球面二维NS式磁钢阵列，磁钢镶嵌在定子外壳中。
动子球芯为圆球形，动子球芯有贯穿轴心的通孔，水平线圈和垂直线圈缠绕在动子球芯表面，均由扁平漆包铜线绕制而成。水平线圈和垂直线圈沿动子球芯的赤道交替分布。水平线圈分为三组，每组互成120度夹角，水平线圈沿球形动子的经线方向呈一维阵列分布，与纬线方向平行，水平线圈的间距为磁钢阵列的三分之一极距。垂直线圈分为三组，每组互成120度夹角，垂直线圈沿球形动子纬线方向呈扇形阵列，与经线方向平行，垂直线圈的间距为磁钢阵列的三分之一极距。
球壳形定子和球形动子之间不接触，球形动子依靠电磁力悬浮在球壳形定子中间，通过控制电磁力来调整球形动子和球壳形定子的球心的相对位置。球壳形定子中的二维阵列磁钢产生沿定子外壳内表面分布的正交磁场。水平线圈通电后，近磁场部分受到沿动子球芯半径方向的力，以及垂直于水平线圈的近磁场部分、沿动子球芯的球面切线方向的力。垂直线圈通电后，近磁场部分受到沿动子球芯半径方向的力，以及垂直于垂直线圈的近磁场部分、沿动子球芯的球面切线方向的力。球形动子中的水平线圈和垂直线圈按dq0分解通入电流，使球形动子受到向心浮力，悬浮在球壳形定子中，并使球形动子受到相对于球壳形定子沿任意轴线的转矩作用，从而实现多自由度转动。
本发明的球形电机具有多旋转自由度驱动能力，定子、转子间无支撑结构、无机械连接，具有结构紧凑、无摩擦等特点，作为机器人的多自由度关节可实现高速、高精度控制。
附图说明
图1 一种六自由度永磁同步磁悬浮球形电机结构示意图；
图2 一种六自由度永磁同步磁悬浮球形电机的球壳形定子结构示意图；
图3 一种六自由度永磁同步磁悬浮球形电机的球壳形定子磁钢阵列平面展开示意图； 
图4 一种六自由度永磁同步磁悬浮球形电机的球形动子结构示意图；
图5 一种六自由度永磁同步磁悬浮球形电机的球形动子水平线圈示意图；
图6 一种六自由度永磁同步磁悬浮球形电机的球形动子垂直线圈示意图。
1.球壳形定子  2.球形动子  3.定子外壳  4.磁钢  5.动子球芯  6.水平线圈  7.垂直线圈。
具体实施方式
一种六自由度永磁同步磁悬浮球形电机，包括：球壳形定子1和球形动子2；其中球壳形定子1包括：定子外壳3和磁钢4，球形动子2包括：动子球芯5、水平线圈6和垂直线圈7。
定子外壳3为内径100mm、外径118mm的空心球壳，且定子外壳3的南北极位置各有一个镂空截面，磁钢4为边长18mm的立方体，磁钢4沿定子外壳3的径向充磁，磁钢4充磁面垂直于定子外壳3的半径，沿定子外壳3经纬线方向正交分布，形成球面二维NS式磁钢阵列，极距为19.5mm，镶嵌在定子外壳3中。
动子球芯5为圆球形，动子球芯5有贯穿轴心的通孔，水平线圈6和垂直线圈7缠绕在动子球芯5表面，均由宽2mm、厚0.2mm扁平漆包铜线绕制而成。水平线圈6和垂直线圈7沿动子球芯5的赤道交替分布。水平线圈6分为三组，每组互成120度夹角，水平线圈6沿球形动子2的经线方向呈一维阵列分布，与纬线方向平行，水平线圈6的间距为磁钢阵列的三分之一极距。垂直线圈7分为三组，每组互成120度夹角，垂直线圈7沿球形动子2纬线方向呈扇形阵列，与经线方向平行，垂直线圈7的间距为磁钢阵列的三分之一极距。
球壳形定子1和球形动子2之间不接触，球形动子2依靠电磁力悬浮在球壳形定子1中间，通过控制电磁力来调整球形动子2和球壳形定子1的球心的相对位置。球壳形定子1中的二维阵列磁钢产生沿定子外壳3内表面分布的正交磁场。水平线圈6通电后，近磁场部分受到沿动子球芯5半径方向的力，以及垂直于水平线圈6的近磁场部分、沿动子球芯5的球面切线方向的力。垂直线圈7通电后，近磁场部分受到沿动子球芯5半径方向的力，以及垂直于垂直线圈7的近磁场部分、沿动子球芯5的球面切线方向的力。球形动子2中的水平线圈6和垂直线圈7按dq0分解通入电流，使球形动子2受到向心浮力，悬浮在球壳形定子1中，并使球形动子2受到相对于球壳形定子1沿任意轴线的转矩作用，从而实现多自由度转动。

Claims (1)

1.一种六自由度永磁同步磁悬浮球形电机，其特征在于包括：球壳形定子（1）和球形动子（2）；其中球壳形定子（1）包括：定子外壳（3）和磁钢（4），球形动子（2）包括：动子球芯（5）、水平线圈（6）和垂直线圈（7）；
定子外壳（3）为空心球壳，且定子外壳（3）的南北极位置各有一个镂空截面，磁钢（4）为立方体，磁钢（4）沿定子外壳（3）的径向充磁，磁钢（4）充磁面垂直于定子外壳（3）的半径，沿定子外壳（3）经纬线方向正交分布，并形成球面二维NS式磁钢（4）阵列，磁钢（4）镶嵌在定子外壳（3）中；
动子球芯（5）为圆球形，动子球芯（5）有贯穿轴心的通孔，水平线圈（6）和垂直线圈（7）缠绕在动子球芯（5）表面，均由扁平漆包铜线绕制而成；水平线圈（6）和垂直线圈（7）沿动子球芯（5）的赤道交替分布；水平线圈（6）分为三组，每组互成120度夹角，水平线圈（6）沿球形动子（2）的经线方向呈一维阵列分布，与纬线方向平行，水平线圈（6）的间距为磁钢（4）阵列的三分之一极距；垂直线圈（7）分为三组，每组互成120度夹角，垂直线圈（7）沿球形动子（2）纬线方向呈扇形阵列，与经线方向平行，垂直线圈（7）的间距为磁钢（4）阵列的三分之一极距；
球壳形定子（1）和球形动子（2）之间不接触，球形动子（2）依靠电磁力悬浮在球壳形定子（1）中间，通过控制电磁力来调整球形动子（2）和球壳形定子（1）的球心的相对位置；球壳形定子（1）中的二维阵列磁钢（4）产生沿定子外壳（3）内表面分布的正交磁场；水平线圈（6）通电后，近磁场部分受到沿动子球芯（5）半径方向的力，以及垂直于水平线圈（6）的近磁场部分、沿动子球芯（5）的球面切线方向的力；垂直线圈（7）通电后，近磁场部分受到沿动子球芯（5）半径方向的力，以及垂直于垂直线圈（7）的近磁场部分、沿动子球芯（5）的球面切线方向的力；球形动子（2）中的水平线圈（6）和垂直线圈（7）按dq0分解通入电流，使球形动子（2）受到向心浮力，悬浮在球壳形定子（1）中，并使球形动子（2）受到相对于球壳形定子（1）沿任意轴线的转矩作用，从而实现多自由度转动。
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