專利名稱：多自由度球形電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種球形電機，特別涉及一種結(jié)構(gòu)簡單的多自由度球形電機。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的單自由度的驅(qū)動電機，要實現(xiàn)二個自由度以上的運動需要二個或多個伺服電機通過復(fù)雜的機械連接實現(xiàn)，這不僅造成機械乎體積大、重量重，而目系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能差。多自由度電動機發(fā)展至今，永磁球形電機越來越受到關(guān)注，無需疊片結(jié)構(gòu)，具有運行原理相對簡單、力能指標高、體積小、重量輕，便于制造及控制簡單等優(yōu)點，但電機本體的加工和制造仍然比較復(fù)雜，球面加工困難，需要用到國際上先進的四軸、五軸加工技術(shù)，成本較高，不能實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型是針對現(xiàn)在多自由度電動機結(jié)構(gòu)制造困難的問題，提出了一種多自由度球形電機，是一種結(jié)構(gòu)相對簡單的多自由度球形電機，加工簡單，適合于電磁計算和控制系統(tǒng)的設(shè)計。本實用新型的技術(shù)方案為一種多自由度球形電機，包括轉(zhuǎn)子球體、轉(zhuǎn)子齒、鋁層、 輸出軸、滾珠、定子繞組、定子殼，轉(zhuǎn)子球體上安裝四十八個轉(zhuǎn)子齒、四個滾珠和一個輸出軸，轉(zhuǎn)子球體和轉(zhuǎn)子齒均為永磁體，滾珠和輸出軸為非導(dǎo)磁體；內(nèi)面光滑的鋁層呈碗狀，滾珠支撐轉(zhuǎn)子球體在鋁層內(nèi)面滑動，滾珠在球體表面的位置在空間上為正四面體的4個頂點；鋁層與定子殼的夾層中，分布六十四個定子繞組，控制定子繞組的通電順序，完成球面運動。所述六十四個定子繞組采用以輸出軸為圓心進行展開，六十四個定子繞組均勻分布在球面分成十六等分后的經(jīng)線上，形成以輸出軸為圓心的4個同心圓，每個圓上有十六個定子繞組。所述四十八個轉(zhuǎn)子齒采用以輸出軸為圓心進行展開，四十八個轉(zhuǎn)子齒均勻分布在球面分成十二等分后的經(jīng)線上，形成以輸出軸為圓心的4個同心圓，每個圓上有十二個定
子繞組。所述轉(zhuǎn)子齒為螺釘型，嵌入轉(zhuǎn)子球面，轉(zhuǎn)子齒上表面為方形，轉(zhuǎn)子齒與轉(zhuǎn)子球體接觸的下表面為弧形，緊緊貼合于轉(zhuǎn)子球體的外表面。本實用新型的有益效果在于本實用新型多自由度球形電機，大大地簡化了機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低了生產(chǎn)成本，且體積小、重量輕，系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)性能高。

圖1為本實用新型多自由度球形電機結(jié)構(gòu)圖；圖2為本實用新型多自由度球形電機的定子繞組結(jié)構(gòu)展開圖；圖3為本實用新型多自由度球形電機的轉(zhuǎn)子齒結(jié)構(gòu)展開圖；[0012]圖4為本實用新型多自由度球形電機的轉(zhuǎn)子齒外形圖。
具體實施方式
如圖1所示多自由度球形電機結(jié)構(gòu)圖，包括轉(zhuǎn)子球體1、轉(zhuǎn)子齒2、鋁層3、輸出軸 4、滾珠5、定子繞組6、定子殼7。轉(zhuǎn)子球體1上安裝四十八個轉(zhuǎn)子齒2、四個滾珠5和一個輸出軸4，轉(zhuǎn)子球體1和轉(zhuǎn)子齒2均為永磁體，滾珠5和輸出軸4為非導(dǎo)磁體。輸出軸4可實現(xiàn)八個垂直俯仰方向和一個水平旋轉(zhuǎn)方向的運動，即九個自由度運動。滾珠5在球體表面的位置在空間上為正四面體的4個頂點，旋轉(zhuǎn)運動時上面三個滾珠保持平衡，底下一個滾珠承擔重力，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的運動；俯仰運動時，保證了總有一個三角形面在鋁層3上， 也可實現(xiàn)穩(wěn)定運動。鋁層3呈碗狀，內(nèi)面光滑，與定子殼7的夾層中，分布六十四個定子繞組6，通過控制定子繞組6的通電順序，完成球面運動。當兩個通電繞組中，每個定子繞組6 附近都有轉(zhuǎn)子齒2，并且兩個轉(zhuǎn)子齒2之間的距離(齒距)和兩個通電定子繞組6的距離相等時，就可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，對轉(zhuǎn)子齒2產(chǎn)生吸附力，使電機運動到需要的位置。工作原理與平面開關(guān)磁阻電機類似。如圖2所示多自由度球形電機中的定子繞組結(jié)構(gòu)展開圖，包括六十四個定子繞組。由于球面為不可展曲面，現(xiàn)采用經(jīng)線法進行分塊展開，將球面分成十六等分后按經(jīng)線連接各等分點，以圖1中的輸出軸4為圓心進行展開。在水平旋轉(zhuǎn)運動中，采用四相控制，每一個同心圓周(共有四個同心圓周)上有十六個定子繞組；在垂直俯仰運動中，也采用四相控制，即每條經(jīng)線上有四個定子繞組，不過由于頂端和底部轉(zhuǎn)子齒的缺失，在垂直俯仰方向上只能進行有限范圍(小于90度)的轉(zhuǎn)動。如圖3所示多自由度球形電機的轉(zhuǎn)子齒結(jié)構(gòu)展開圖，包括四十八個轉(zhuǎn)子齒。采用經(jīng)線法進行分塊展開，將球面分成十二等分后按經(jīng)線連接各等分點，以圖1中的輸出軸4為圓心進行展開。如圖4所示多自由度球形電機的轉(zhuǎn)子齒外形圖，轉(zhuǎn)子齒2為方形螺絲，底部加工成弧形，緊緊貼合于轉(zhuǎn)子球體1的外表面。
權(quán)利要求1.一種多自由度球形電機，其特征在于，包括轉(zhuǎn)子球體(1)、轉(zhuǎn)子齒(2)、鋁層(3)、輸出軸(4)、滾珠(5)、定子繞組(6)、定子殼(7)，轉(zhuǎn)子球體(1)上安裝四十八個轉(zhuǎn)子齒(2)、四個滾珠(5 )和一個輸出軸(4 )，轉(zhuǎn)子球體(1)和轉(zhuǎn)子齒(2 )均為永磁體，滾珠(5 )和輸出軸(4 ) 為非導(dǎo)磁體；內(nèi)面光滑的鋁層(3 )呈碗狀，滾珠(5 )支撐轉(zhuǎn)子球體(1)在鋁層(3 )內(nèi)面滑動， 滾珠(5)在球體(1)表面的位置在空間上為正四面體的4個頂點；鋁層(3)與定子殼(7)的夾層中，分布六十四個定子繞組(6 )，控制定子繞組(6 )的通電順序，完成球面運動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述多自由度球形電機，其特征在于，所述六十四個定子繞組(6)采用以輸出軸(4)為圓心進行展開，六十四個定子繞組(6)均勻分布在球面分成十六等分后的經(jīng)線上，形成以輸出軸(4)為圓心的4個同心圓，每個圓上有十六個定子繞組(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述多自由度球形電機，其特征在于，所述四十八個轉(zhuǎn)子齒(2)采用以輸出軸(4)為圓心進行展開，四十八個轉(zhuǎn)子齒(2)均勻分布在球面分成十二等分后的經(jīng)線上，形成以輸出軸(4)為圓心的4個同心圓，每個圓上有十二個定子繞組(6)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述多自由度球形電機，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子齒(2)為螺釘型，嵌入轉(zhuǎn)子球面(1)，轉(zhuǎn)子齒(2)上表面為方形，轉(zhuǎn)子齒(2)與轉(zhuǎn)子球體(1)接觸的下表面為弧形，緊緊貼合于轉(zhuǎn)子球體(1)的外表面。
專利摘要本實用新型涉及一種多自由度球形電機，包括轉(zhuǎn)子球體、轉(zhuǎn)子齒、鋁層、輸出軸、滾珠、定子繞組、定子殼。轉(zhuǎn)子球體上安裝四十八個轉(zhuǎn)子齒、四個滾珠和一個輸出軸。輸出軸可實現(xiàn)八個垂直俯仰方向和一個水平旋轉(zhuǎn)方向的運動，即九個自由度運動。滾珠在鋁層內(nèi)面滑動，保持轉(zhuǎn)子球體平衡。鋁層與定子殼夾層中，分布六十四個定子繞組，水平旋轉(zhuǎn)和垂直俯仰方向上均采用四相控制完成球面運動。在機器人驅(qū)動系統(tǒng)和多自由度關(guān)節(jié)驅(qū)動中有較大的應(yīng)用價值。
文檔編號H02K1/24GK202160025SQ20112027185
公開日2012年3月7日 申請日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月29日
發(fā)明者張冬冬, 李鐵栓 申請人:上海理工大學(xué)