本發(fā)明涉及一種能夠?qū)崿F(xiàn)多自由度運(yùn)動的球形電機(jī)，屬于電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動，需要多個電機(jī)進(jìn)行配合，這樣不僅會使電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，而且電機(jī)動態(tài)性能差以及控制精度低。球形電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，其與傳統(tǒng)多自由度電機(jī)相比具有電機(jī)磁能積高、運(yùn)行效率高、體積小、可控性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、全景攝像機(jī)、機(jī)械手臂等領(lǐng)域。隨著電力電子、計(jì)算機(jī)控制以及制作材料的發(fā)展，這些都為球形電機(jī)的制造以及控制提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

目前現(xiàn)有的支撐機(jī)構(gòu)主要有以下幾種，

1、萬向節(jié)支撐

2004年，北京航空航天大學(xué)提出了一種采用萬向節(jié)支撐轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)。其中轉(zhuǎn)子為空心半球結(jié)構(gòu)，且萬向節(jié)定點(diǎn)支撐半球結(jié)構(gòu)的上定點(diǎn)，球心與萬向節(jié)十字軸中心重合。這樣便解決的球形電機(jī)的偏心問題，同時也限制了球形電機(jī)的運(yùn)動角度，由于轉(zhuǎn)子底部需要安裝支撐軸承萬向節(jié)，轉(zhuǎn)子做成了空心半球結(jié)構(gòu)，底部支撐結(jié)構(gòu)限制了轉(zhuǎn)子的運(yùn)動空間，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子運(yùn)動角度過小。另外采用萬向節(jié)支撐轉(zhuǎn)子，該支撐結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，限制了定子線圈的安裝空間，綜上原因考慮，萬向節(jié)支撐結(jié)構(gòu)會極大限制球形電機(jī)的運(yùn)動角度。

2、環(huán)狀滾珠軸承支撐

2009年，安徽大學(xué)提出了采用頂部與底部安裝滾珠支撐，該方法雖然同樣不存在偏心問題，由于需要安裝環(huán)狀滾珠，這就占用了定子線圈的安裝空間，影響了轉(zhuǎn)子的運(yùn)動角度，這也限制了球形電動機(jī)的小型化發(fā)展。。

3、弧面支撐

2008年，天津大學(xué)提出了一種環(huán)形弧面接觸的支撐結(jié)構(gòu)，專利CN200810053083.5公開了一種三自由度Halbach陣列永磁球形同步電動機(jī)，該結(jié)構(gòu)同樣不存在偏心問題，但是摩擦力矩比較大，雖然通過添加潤滑劑等措施減小的運(yùn)動誤差，但是其摩擦力矩依然是球形電機(jī)動態(tài)性能惡化的主要原因。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種能夠簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)，進(jìn)而擴(kuò)大轉(zhuǎn)子的運(yùn)動角度并能夠提高傳動結(jié)構(gòu)的動靜態(tài)性能的永磁球形電機(jī)。技術(shù)方案如下：

一種三自由度永磁球形電動機(jī)，包括底座4、固定在底座4上的定子外殼6，萬向滾珠8、球形轉(zhuǎn)子體5、輸出軸2和定子線圈7，轉(zhuǎn)子5為球形，與輸出軸2固定連接，轉(zhuǎn)子的赤道位置設(shè)有用于鑲嵌永磁體的柱形槽；其特征在于，在定子外殼6上設(shè)置有螺紋孔，一部分螺紋孔用于通過定子線圈架固定定子線圈7，另一部分螺紋孔用于通過組合定子線圈架9固定定子線圈7，每個組合定子線圈架9通過螺紋連接有用于支撐轉(zhuǎn)子的萬向滾珠8；所述的萬向滾珠8包括與組合定子線圈架9螺紋相連的托盤13，在托盤內(nèi)設(shè)置有鋼珠14，在鋼珠14上設(shè)置有尼龍滾珠14。

作為優(yōu)選實(shí)施方式，所述的定子線圈7采用空心結(jié)構(gòu)，并且注入有冷卻液。永磁體的表面采用鍍鎳處理。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：

1、降低摩擦力。本發(fā)明所提出的在定子線圈上安裝萬向滾珠的支撐方式，對轉(zhuǎn)子的支撐采用點(diǎn)接觸方式，可以有效減少球形電機(jī)運(yùn)動時的摩擦力，其摩擦力要遠(yuǎn)小于弧面接觸結(jié)構(gòu)。

2、不會限制轉(zhuǎn)子運(yùn)動空間。本發(fā)明將萬向滾珠安裝在定子線圈上，可以將支撐結(jié)構(gòu)對于轉(zhuǎn)子運(yùn)動角度的限制問題降到最低。

3、不占用定子線圈安裝空間。與環(huán)狀滾珠軸承相比，雖然都是滾珠支撐，但是本發(fā)明的滾珠安裝在定子線圈上，不需要額外占用定子殼內(nèi)的安裝空間，這樣也就提高了球形電機(jī)的力矩產(chǎn)生角度，進(jìn)而提高了球形電機(jī)的運(yùn)動空間。同時也有助于球形電動機(jī)的小型化發(fā)展。

4、加工簡單化。通過調(diào)整定子線圈螺紋可以對轉(zhuǎn)子球心位置進(jìn)行微調(diào)，不會產(chǎn)生轉(zhuǎn)子偏心的問題。萬向滾珠制作工藝簡單，這同時也降低了球形電機(jī)的生產(chǎn)成本。萬向滾珠與定子線圈采用螺紋連接，安裝方便。

5、改善電機(jī)溫升問題。本發(fā)明采取在空心定子線圈內(nèi)放置冷卻液的方法，來提高電機(jī)的散熱能力，以解決電機(jī)的溫升問題。

附圖說明

圖1為三自由度球形電動機(jī)沿支撐定子線圈截面圖

圖2位球形電動機(jī)受力分析圖

圖3為萬向滾珠結(jié)構(gòu)圖

圖4為與萬向滾珠組合的定子線圈架

圖5為萬向滾珠與組合定子線圈架組合圖

圖6為定子線圈架

圖中標(biāo)號：1法蘭盤、2輸出軸、3永磁體槽、4底座、5轉(zhuǎn)子、6定子外殼、7定子線圈、8萬向滾珠、9組合定子線圈架、10擰緊螺栓、11定子外殼固定螺母、12底座固定螺母、13托盤、14不銹鋼珠、15尼龍滾珠。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出了一種采用萬向滾珠支撐的三自由度永磁球形電動機(jī)，包括底座4、萬向滾珠8、球形轉(zhuǎn)子體5、輸出軸2、定子線圈7、外定子6、輸出軸2、法蘭盤1等組成，其中轉(zhuǎn)子5是由鋁制作而成的兩個空心半球結(jié)構(gòu)，以此來降低球形電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，其中上下兩個轉(zhuǎn)子半球通過擰緊螺栓以及輸出軸固定。轉(zhuǎn)子赤道位置設(shè)有柱形槽槽3，用于鑲嵌永磁體，并采用樹脂對縫隙加以密封。分別在組合定子線圈架9上均勻安裝4個萬向滾珠8用于支撐轉(zhuǎn)子5，萬向滾珠8選擇SP15-FL型，八個支撐點(diǎn)分別位于長方體的頂點(diǎn)。通過采用萬向滾珠支撐轉(zhuǎn)子的方式，可以顯著減小球形電動機(jī)運(yùn)行過程中的摩擦力，且萬向滾珠8制作簡單，安裝方便，有助于球形電動機(jī)的小型化發(fā)展。另外安裝萬向滾珠8并不會占用定子線圈7的安裝空間，這也就增大了球形電機(jī)的運(yùn)行角度。在定子外殼上呈放射狀分布有三層螺紋孔，這些螺紋孔用于安裝定子線圈，并且通過調(diào)節(jié)這些螺紋，可以調(diào)節(jié)球形電機(jī)氣隙的大小。所安裝的定子線圈7同樣采用空心結(jié)構(gòu)，并且在空心定子線圈7內(nèi)注入密閉冷卻液的措施來改善球形電動機(jī)的散熱性能。由于該結(jié)構(gòu)采用萬向滾珠8支撐轉(zhuǎn)子，這也要求了轉(zhuǎn)子的硬度以及耐磨性提出了較高的要求。本發(fā)明采用對永磁體材料釹鐵硼鍍鎳的方法來增強(qiáng)釹鐵硼的硬度、耐磨性，以此來提高永磁體的機(jī)械性能。按照一定的通電策略給定子線圈通以電流，就可以實(shí)現(xiàn)任意軌跡跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)任意位置的定位運(yùn)動。

下面根據(jù)附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳述。

本發(fā)明轉(zhuǎn)子采用兩個空心半球?qū)佣桑揽枯敵鲚S上的螺紋進(jìn)行固定。這樣做的目的主要是為了減少轉(zhuǎn)動慣量，并且簡化制作工藝。由于目前現(xiàn)有的支撐結(jié)構(gòu)都存在其固有缺點(diǎn)，本發(fā)明采用在定子線圈上安裝萬向滾珠支撐轉(zhuǎn)子的方式，具體萬向滾珠的安裝方式是上下兩層每層均勻安裝四個，共八個。且這八個萬向滾珠分別分布在長方體的頂點(diǎn)。本發(fā)明選擇SP15-FL型萬向滾珠，下面根據(jù)圖2對轉(zhuǎn)子進(jìn)行受力分析，以驗(yàn)證該支撐結(jié)構(gòu)的可靠性與穩(wěn)定性。定子線圈與定子赤道平面的夾角為30°。轉(zhuǎn)子直徑為298mm，內(nèi)部空心圓柱體底面直徑150mm，高190mm，這里將釹鐵硼永磁體等效為空心圓柱體結(jié)構(gòu)，且其內(nèi)徑為100mm，外徑150mm，高90mm，經(jīng)查表可知，釹鐵硼密度為7.6×10³kg/m³，轉(zhuǎn)子由鋁制成，鋁的密度為2.7×10³kg/m³，輸出軸同樣由鋁制成，經(jīng)計(jì)算釹鐵硼質(zhì)量約為27kg，轉(zhuǎn)子殼質(zhì)量為32kg，輸出軸質(zhì)量為0.78kg。因此，轉(zhuǎn)子的總質(zhì)量約為60kg，如圖2所示，對轉(zhuǎn)子進(jìn)行受力分析可知，每個萬向滾珠所提供的支持力為約為30kg。SP15-FL型號的萬向滾珠，查表知該滾珠的支持力為40kg，完全符合要求。另外，該型號萬向滾珠的外殼由銅制成，滾珠材料為尼龍，二者均為不導(dǎo)磁材料，這也就減少了采用外向滾珠對球形電機(jī)電磁場帶來的影響。

如圖5所示，萬向滾珠采用螺紋固定的方式與定子線圈架進(jìn)行固定，該固定方式的優(yōu)點(diǎn)在于萬向滾珠的安裝及其方便，并且牢固，這也就決定了該支撐方式的后期維護(hù)很方便，萬向滾珠制作工藝簡單，這也有助于球形電動機(jī)的小型化發(fā)展。尼龍具有較高的硬度，以及優(yōu)良的機(jī)械特性，最重要的是其不導(dǎo)磁的特性，使其成為支撐轉(zhuǎn)子的理想材料。

本發(fā)明采用萬向滾珠與轉(zhuǎn)子接觸，這是一種點(diǎn)接觸方式，這一方式的優(yōu)點(diǎn)就是可以顯著減小球形電動機(jī)運(yùn)行過程中的摩擦力。這也要求永磁體材料具有較好的機(jī)械特性，由于釹鐵硼材料在其固有結(jié)構(gòu)上存在缺點(diǎn)，易發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。因此本發(fā)明采取對其進(jìn)行鍍鎳處理以改善其機(jī)械特性，鎳具有優(yōu)良的機(jī)械特性，尤其是其具有良好的抗腐蝕特性，而且其硬度很高，耐磨性很好，并且沉積Ni-P有很好的“仿型性”，鍍后不需要磨削加工，鎳很適合對機(jī)械零件進(jìn)行表面強(qiáng)化。因此本發(fā)明采用對釹鐵硼進(jìn)行鍍鎳處理，以增加轉(zhuǎn)子的硬度、耐磨性等機(jī)械性能。

由于電機(jī)運(yùn)行過程中，存在機(jī)械摩擦以及通電所帶來的熱效應(yīng)。在傳統(tǒng)電機(jī)里已經(jīng)有所研究，但是在球形電動機(jī)領(lǐng)域的研究還比較少，對用電機(jī)溫升問題不僅會帶來其性能下降，嚴(yán)重情況下還會帶來永磁體退磁，甚至發(fā)生電機(jī)損壞的事故，因此解決電機(jī)運(yùn)行中的溫升問題是電機(jī)能夠長時間穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。本發(fā)明采用在空心定子線圈內(nèi)注入封閉冷卻液的方式來改善球形電動機(jī)的散熱性能，解決球形電動機(jī)運(yùn)行過程中的溫升問題。

該球形電機(jī)共有36個定子線圈，每個線圈都有其獨(dú)立的供電回路，通過給定運(yùn)動軌跡，就可以得到所需要的轉(zhuǎn)矩大小，然后由逆轉(zhuǎn)矩模型求得具體需要通電的線圈以及通電的電流大小，給相互對稱的定子線圈通入電流，就能獲得所需要的轉(zhuǎn)矩。還可以通過優(yōu)化控制算法，以及采用更加先進(jìn)的控制方法來提高球形電機(jī)的實(shí)時性控制和動、靜態(tài)性能。