專利名稱：分區(qū)域繞組式磁懸浮球形感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及球形電動(dòng)機(jī)，具體地，涉及一種分區(qū)域繞組式磁懸浮球形感應(yīng)電動(dòng)機(jī)， 其屬于電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
多自由度球形電機(jī)指具有兩個(gè)或三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，可以繞定點(diǎn)的空間軸線旋轉(zhuǎn)的電機(jī)。它具有機(jī)械集成度高、電機(jī)結(jié)構(gòu)材料和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)元件利用率高等特點(diǎn)，在具有多個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的機(jī)械系統(tǒng)中，一臺(tái)多自由度電機(jī)可以代替兩臺(tái)或多臺(tái)單自由度電機(jī)，大大簡(jiǎn)化機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減小體積和重量，可以消除由于齒輪傳動(dòng)帶來(lái)的齒隙和摩擦等缺點(diǎn)， 從而提高系統(tǒng)的精度和動(dòng)態(tài)性能，提高性能價(jià)格比，并在控制和軌跡規(guī)劃方面占有優(yōu)勢(shì)。但是，現(xiàn)有的球形電機(jī)的各轉(zhuǎn)子的支承結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)子俯仰、搖擺和偏轉(zhuǎn)的角度小，受到應(yīng)用限制。在用于驅(qū)動(dòng)高速、超高速的多自由度裝置時(shí)，還存在機(jī)械(軸承)支承的磨損問(wèn)題，機(jī)械摩擦不僅增加了轉(zhuǎn)子的摩擦阻力，而且會(huì)造成部件發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成電機(jī)氣隙不均勻，導(dǎo)致電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性變差，從而降低電機(jī)的效率，縮短電機(jī)及裝備的使用壽命，嚴(yán)重制約著球形電動(dòng)機(jī)向更高速度方向發(fā)展，軸承的性能大大影響了電機(jī)的可靠性和裝備利用率。有鑒于此，需要提供一種新型的球形電動(dòng)機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有多自由度球形電動(dòng)機(jī)存在的上述問(wèn)題，基于磁懸浮技術(shù)和電機(jī)技術(shù)，提供一種分區(qū)域繞組式磁懸浮球形感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，該分區(qū)域繞組式磁懸浮球形感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有顯著延長(zhǎng)的壽命、基本無(wú)摩擦磨損，具有改善的運(yùn)動(dòng)性能。上述目的通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)分區(qū)域繞組式磁懸浮球形感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，包括導(dǎo)磁的電動(dòng)機(jī)定子、導(dǎo)磁的球形轉(zhuǎn)子及其轉(zhuǎn)動(dòng)主軸、以及用于控制所述電動(dòng)機(jī)定子上各個(gè)三相繞組通斷電狀態(tài)的檢測(cè)控制系統(tǒng)，其中，所述電動(dòng)機(jī)定子的內(nèi)表面形狀為一帶有開(kāi)口的內(nèi)球面，所述球形轉(zhuǎn)子與所述轉(zhuǎn)動(dòng)主軸固定為一體，所述轉(zhuǎn)動(dòng)主軸通過(guò)所述開(kāi)口伸向外部， 所述電動(dòng)機(jī)定子的內(nèi)球面與所述球形轉(zhuǎn)子的外球面之間相互同心且存在氣隙；所述電動(dòng)機(jī)定子的內(nèi)球面上分布有五個(gè)環(huán)形區(qū)域，該五個(gè)環(huán)形區(qū)域內(nèi)布置有繞組放置溝槽，該繞組放置溝槽內(nèi)設(shè)有分別呈環(huán)形的五個(gè)三相繞組，該五個(gè)三相繞組布置為在以所述電動(dòng)機(jī)定子內(nèi)球面的球心為原點(diǎn)、所述轉(zhuǎn)動(dòng)主軸為Z軸的三維坐標(biāo)系內(nèi)，所述五個(gè)三相繞組中的兩個(gè)三相繞組在圓心處的法線與X軸同軸并相對(duì)于Y軸對(duì)稱，兩個(gè)三相繞組的圓心處的法線與 Y軸同軸并相對(duì)于X軸對(duì)稱，一個(gè)三相繞組的圓心處的法線與Z軸同軸；所述球形轉(zhuǎn)子的外球面開(kāi)設(shè)有連續(xù)并交叉的轉(zhuǎn)子溝槽，該轉(zhuǎn)子溝槽的交叉點(diǎn)處設(shè)有通向所述球形轉(zhuǎn)子球心的轉(zhuǎn)子通孔，所述轉(zhuǎn)子溝槽和轉(zhuǎn)子通孔內(nèi)放置有轉(zhuǎn)子繞組，該轉(zhuǎn)子繞組通路為封閉回路，并在所述球形轉(zhuǎn)子的球心處交匯短接。優(yōu)選地，所述電動(dòng)機(jī)定子內(nèi)球面上的開(kāi)口為圓形開(kāi)口。
通過(guò)上述技術(shù)方案，本發(fā)明的分區(qū)域繞組式磁懸浮球形感應(yīng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、合理、緊湊，綜合應(yīng)用磁懸浮技術(shù)和電機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)軸承的懸浮支承并驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)， 分區(qū)域繞組式磁懸浮球形感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的球形轉(zhuǎn)子與分區(qū)域繞組式磁懸浮球形感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)定子之間實(shí)現(xiàn)基本無(wú)摩擦、無(wú)磨損，動(dòng)態(tài)性能好，響應(yīng)速度快，提高了電機(jī)的效率， 延長(zhǎng)電機(jī)及裝備的使用壽命。


圖1為本發(fā)明具體實(shí)施方式
的電動(dòng)機(jī)定子內(nèi)球面圓形區(qū)域凸極的布置示意圖。圖2為本發(fā)明具體實(shí)施方式
的球形轉(zhuǎn)子及其繞組的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3和圖4分別為從不同方向觀察的本發(fā)明具體實(shí)施方式
的電動(dòng)機(jī)定子繞組結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的電磁力、電磁轉(zhuǎn)矩分析示意圖。圖中1第一圓周層凸極；2第二圓周層凸極；3第三圓周層凸極；4繞組置放溝槽； 5,6 X方向區(qū)域繞組；7，8 Y方向區(qū)域繞組；9 Z方向區(qū)域繞組；10球形轉(zhuǎn)子；11轉(zhuǎn)子繞組； 12轉(zhuǎn)子溝槽；13轉(zhuǎn)子通孔。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖描述本發(fā)明分區(qū)域繞組式磁懸浮球形感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的具體實(shí)施方式
。參見(jiàn)圖1至圖4，本發(fā)明的分區(qū)域繞組式磁懸浮球形感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，包括電動(dòng)機(jī)定子、球形轉(zhuǎn)子10及其轉(zhuǎn)動(dòng)主軸、以及用于控制所述電動(dòng)機(jī)定子上各個(gè)三相繞組通斷電狀態(tài)的檢測(cè)控制系統(tǒng)，其中，所述電動(dòng)機(jī)定子的內(nèi)表面形狀為一帶有開(kāi)口(優(yōu)選為圓形開(kāi)口)的內(nèi)球面，所述球形轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)動(dòng)主軸固定為一體，所述轉(zhuǎn)動(dòng)主軸通過(guò)所述開(kāi)口伸向外部；所述電動(dòng)機(jī)定子的內(nèi)球面與所述球形轉(zhuǎn)子的外球面之間相互同心且存在氣隙(間隙)。其中，所述電動(dòng)機(jī)定子的內(nèi)球面上分布有五個(gè)環(huán)形區(qū)域，該五個(gè)環(huán)形區(qū)域內(nèi)布置有繞組放置溝槽4，該繞組放置溝槽內(nèi)設(shè)有分別呈環(huán)形的五個(gè)三相繞組，該五個(gè)三相繞組布置為在以所述電動(dòng)機(jī)定子內(nèi)球面的球心為原點(diǎn)、所述轉(zhuǎn)動(dòng)主軸為Z軸的三維坐標(biāo)系內(nèi)，所述五個(gè)三相繞組中的兩個(gè)三相繞組在圓心處的法線與X軸同軸(即X軸通過(guò)該兩個(gè)三相繞組的圓心并垂直三相繞組所處的平面)并相對(duì)于Y軸對(duì)稱，兩個(gè)三相繞組的圓心處的法線與 Y軸同軸(即Y軸通過(guò)該兩個(gè)三相繞組的圓心并垂直三相繞組所處的平面)并相對(duì)于X軸對(duì)稱，一個(gè)三相繞組的圓心處的法線與Z軸同軸(即Z軸通過(guò)該三相繞組的圓心并垂直三相繞組所處的平面)。具體地，參見(jiàn)圖1、圖3和圖4，所述分區(qū)域繞組式磁懸浮球形感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)定子由具有良好導(dǎo)磁性能的高硅鋼材料制成，其內(nèi)球面包含五個(gè)環(huán)形(或圓形)區(qū)域。以內(nèi)球面球心為坐標(biāo)原點(diǎn)，穿過(guò)上述開(kāi)口中心的坐標(biāo)軸為Z軸構(gòu)成三維坐標(biāo)系，則Z軸方向的圓形區(qū)域只有1個(gè)，其區(qū)域圓心處法線與Z軸共線，其余每2個(gè)圓形球面區(qū)域?qū)ΨQ于坐標(biāo)原點(diǎn) (內(nèi)球面球心)，其圓心處的法線與X軸或Y軸共線。如圖1所示，每個(gè)圓形區(qū)域均以其圓心為中心，加工出若干層，如第一層、第二層、……沿圓周方向均勻布置的凸極，例如第一圓周層凸極1、第二圓周層凸極2、第三圓周層凸極3，同層各凸極頂面為面積相等的環(huán)狀面，其包絡(luò)面為定子內(nèi)球面。所述圓形區(qū)域在各凸極之間的繞組放置溝槽4內(nèi)沿圓周方向繞有一套三相線圈繞組，同一坐標(biāo)軸方向上兩個(gè)圓形區(qū)域的三相繞組結(jié)構(gòu)完全相同，如圖3和圖4所示。參見(jiàn)圖2，所述分區(qū)域繞組式磁懸浮球形感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的球形轉(zhuǎn)子10由具有良好導(dǎo)磁性能的高硅鋼材料制成，其外球面按一定的規(guī)律(如基于近似等邊球面或基于球面多面體分布原則)開(kāi)設(shè)連續(xù)并交叉的轉(zhuǎn)子溝槽12，轉(zhuǎn)子溝槽12將轉(zhuǎn)子整個(gè)外球面分為幾何形狀相同的微小單元面的轉(zhuǎn)子凸極。如圖2所示，轉(zhuǎn)子溝槽12交叉點(diǎn)處與轉(zhuǎn)子球心形成轉(zhuǎn)子通孔13，轉(zhuǎn)子溝槽12和轉(zhuǎn)子通孔13內(nèi)放置(或澆注)轉(zhuǎn)子繞組11，轉(zhuǎn)子繞組通路為封閉回路， 并在該球形轉(zhuǎn)子的球心處交匯短接。為便于加工通孔和置繞組，以及設(shè)置安裝傳感檢測(cè)元件，沿Z軸將球形轉(zhuǎn)子剖分為兩個(gè)半球，在安裝相關(guān)元件后再相互連接。參見(jiàn)圖3和圖4，所述分區(qū)域繞組式磁懸浮球形感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的工作原理為對(duì)X 軸方向的2個(gè)區(qū)域的三相定子繞組(即圖3中的X方向區(qū)域繞組5、6)同時(shí)通入三相電流， 在檢測(cè)控制系統(tǒng)作用下，各自將產(chǎn)生繞X軸的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，同時(shí)在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流， 具有感應(yīng)電流流動(dòng)的轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線，便產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子繞X軸旋轉(zhuǎn)的合成電磁轉(zhuǎn)矩 MX=MX1+MX2 ；同時(shí)，2個(gè)區(qū)域的繞組產(chǎn)生磁拉力!^xi和Fx2，在檢測(cè)控制系統(tǒng)控制下，使球形轉(zhuǎn)子沿X軸方向穩(wěn)定懸浮，如圖3所示；對(duì)Y軸方向的2個(gè)區(qū)域的三相定子繞組(即圖3中的Y 方向區(qū)域繞組7、8)同時(shí)通入三相電流，在檢測(cè)控制系統(tǒng)作用下，各自將產(chǎn)生繞Y軸的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，同時(shí)在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，具有感應(yīng)電流流動(dòng)的轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線，便產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子繞Y軸旋轉(zhuǎn)的合成電磁轉(zhuǎn)矩仏=1^+1^2 ；同時(shí)，2個(gè)區(qū)域的繞組產(chǎn)生磁拉力Fyi和Fy2， 在控制系統(tǒng)控制下，使球形轉(zhuǎn)子沿Y軸方向穩(wěn)定懸??；對(duì)Z軸方向的1個(gè)區(qū)域的三相定子繞組(即圖4中的Z方向區(qū)域繞組9)通入三相電流，在檢測(cè)控制系統(tǒng)作用下，各自將產(chǎn)生繞 Z軸的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，同時(shí)在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，具有感應(yīng)電流流動(dòng)的轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線，便產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子繞Z軸旋轉(zhuǎn)的合成電磁轉(zhuǎn)矩禮；同時(shí)，該區(qū)域的繞組產(chǎn)生磁拉力Fz，在檢測(cè)控制系統(tǒng)控制下，使球形轉(zhuǎn)子沿Z軸方向穩(wěn)定懸浮，即與重力相平衡。也就是說(shuō)，本發(fā)明的分區(qū)域繞組式磁懸浮球形感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，通過(guò)控制各個(gè)三相繞組通電狀態(tài)來(lái)相應(yīng)地控制各個(gè)方向的磁轉(zhuǎn)矩和磁拉力，即能夠容易地實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)，其無(wú)需通過(guò)多套單自由度的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)完成運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、合理、緊湊，綜合應(yīng)用磁懸浮技術(shù)和電機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)軸承的懸浮支承并驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，分區(qū)域繞組式磁懸浮球形感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的球形轉(zhuǎn)子與分區(qū)域繞組式磁懸浮球形感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)定子之間實(shí)現(xiàn)基本無(wú)摩擦、無(wú)磨損，動(dòng)態(tài)性能好，響應(yīng)速度快，提高了電機(jī)的效率，延長(zhǎng)電機(jī)及裝備的使用壽命。本發(fā)明的分區(qū)域繞組式磁懸浮球形感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在機(jī)器人的關(guān)節(jié)及機(jī)械手的關(guān)節(jié)、多坐標(biāo)機(jī)械加工中心、航天飛行器、電動(dòng)陀螺儀、全方位跟蹤天線、炮塔轉(zhuǎn)臺(tái)、人體假肢、醫(yī)療器械、攝像操作臺(tái)、全景攝影操作臺(tái)、攪拌機(jī)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)的萬(wàn)向輪、球形閥、球形泵等具有多個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的設(shè)備中具有很好的應(yīng)用前景 在上述具體實(shí)施方式
中所描述的各個(gè)具體技術(shù)特征，可以通過(guò)任何合適的方式進(jìn)行任意組合，其同樣落入本發(fā)明所公開(kāi)的范圍之內(nèi)。同時(shí)，本發(fā)明的各種不同的實(shí)施方式之間也可以進(jìn)行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公開(kāi)的內(nèi)容。此外，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種簡(jiǎn)單變型，這些簡(jiǎn)單變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明的保護(hù)范圍由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.分區(qū)域繞組式磁懸浮球形感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，其特征是，包括導(dǎo)磁的電動(dòng)機(jī)定子、導(dǎo)磁的球形轉(zhuǎn)子(10)及其轉(zhuǎn)動(dòng)主軸、以及用于控制所述電動(dòng)機(jī)定子上各個(gè)三相繞組通斷電狀態(tài)的檢測(cè)控制系統(tǒng)，其中，所述電動(dòng)機(jī)定子的內(nèi)表面形狀為一帶有開(kāi)口的內(nèi)球面，所述球形轉(zhuǎn)子與所述轉(zhuǎn)動(dòng)主軸固定為一體，所述轉(zhuǎn)動(dòng)主軸通過(guò)所述開(kāi)口伸向外部，所述電動(dòng)機(jī)定子的內(nèi)球面與所述球形轉(zhuǎn)子的外球面之間相互同心且存在氣隙；所述電動(dòng)機(jī)定子的內(nèi)球面上分布有五個(gè)環(huán)形區(qū)域，該五個(gè)環(huán)形區(qū)域內(nèi)布置有繞組放置溝槽(4)，該繞組放置溝槽內(nèi)設(shè)有分別呈環(huán)形的五個(gè)三相繞組，該五個(gè)三相繞組布置為在以所述電動(dòng)機(jī)定子內(nèi)球面的球心為原點(diǎn)、所述轉(zhuǎn)動(dòng)主軸為Z軸的三維坐標(biāo)系內(nèi)，所述五個(gè)三相繞組中的兩個(gè)三相繞組在圓心處的法線與X軸同軸并相對(duì)于Y軸對(duì)稱，兩個(gè)三相繞組的圓心處的法線與Y軸同軸并相對(duì)于X軸對(duì)稱，一個(gè)三相繞組的圓心處的法線與Z軸同軸； 所述球形轉(zhuǎn)子(10)的外球面開(kāi)設(shè)有連續(xù)并交叉的轉(zhuǎn)子溝槽(12)，該轉(zhuǎn)子溝槽的交叉點(diǎn)處設(shè)有通向所述球形轉(zhuǎn)子球心的轉(zhuǎn)子通孔(13)，所述轉(zhuǎn)子溝槽和轉(zhuǎn)子通孔(13)內(nèi)放置有轉(zhuǎn)子繞組(11)，該轉(zhuǎn)子繞組通路為封閉回路，并在所述球形轉(zhuǎn)子的球心處交匯短接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分區(qū)域繞組式磁懸浮球形感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，其特征是，所述電動(dòng)機(jī)定子內(nèi)球面上的開(kāi)口為圓形開(kāi)口。
全文摘要
分區(qū)域繞組式磁懸浮球形感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，包括導(dǎo)磁的電動(dòng)機(jī)定子、導(dǎo)磁的球形轉(zhuǎn)子及其轉(zhuǎn)動(dòng)主軸、以及用于控制電動(dòng)機(jī)定子上各個(gè)三相繞組通斷電狀態(tài)的檢測(cè)控制系統(tǒng)，其中電動(dòng)機(jī)定子的內(nèi)表面形狀為一帶有開(kāi)口的內(nèi)球面，球形轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)動(dòng)主軸固定為一體，轉(zhuǎn)動(dòng)主軸通過(guò)開(kāi)口伸向外部，電動(dòng)機(jī)定子的內(nèi)球面與球形轉(zhuǎn)子的外球面之間相互同心且存在氣隙，電動(dòng)機(jī)定子上布置有五個(gè)三相繞組，球形轉(zhuǎn)子上布置有轉(zhuǎn)子繞組。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、合理、緊湊，綜合應(yīng)用磁懸浮技術(shù)和電機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)軸承的懸浮支承并驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，其中球形轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)定子之間實(shí)現(xiàn)基本無(wú)摩擦、無(wú)磨損，動(dòng)態(tài)性能好，響應(yīng)速度快，提高電機(jī)的效率，延長(zhǎng)了電機(jī)及裝備的使用壽命。
文檔編號(hào)H02N15/00GK102195537SQ201110148769
公開(kāi)日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月3日
發(fā)明者張丹, 曾勵(lì) 申請(qǐng)人:揚(yáng)州大學(xué)