CN101282070A - 一种三自由度Halbach阵列永磁球形同步电动机 - Google Patents

Abstract

本发明属于球形电机制造技术领域，涉及一种三自由度Halbach阵列永磁球形同步电动机包括底座、置于底座上的支撑轴承、球形转子体、外定子、输出轴，球形转子体包括由非导磁材料制成的中空球形转子轭和Halbach阵列永磁体，输出轴穿过中空球形转子轭的上部并与其固定连接，围绕中空球形转子轭赤道一圈开设有柱形槽，Halbach阵列永磁体沿柱形槽均匀固定在转子轭赤道一圈上，转子轭下部与支撑轴承的接触面为环形弧面；外定子包括定子外壳和多排线圈，定子外壳的外壳盖的下方设置有可调节的固定轴承。本发明的球形电机，可以实现三自由度运动，机械结构简单，传动系统的动、静态性能得到提高。

Description

一种三自由度Halbach阵列永磁球形同步电动机

技术领域

本发明属于球形电动机制造技术领域。涉及一种能够实现三自由度运动的永磁球形同步电动机。

背景技术

传统上实现多自由度运动，需要多台单自由度电动机的协调控制，这不仅造成机械装置结构复杂、体积大，而且系统响应迟缓、效率低下及精度不够。球形电动机与传统多自由度传动机构相比，具有结构简单、转动惯量低、精密度高、动态性能好等特点，可广泛应用于航空航天、机器人、机械手臂、球形阀及全景摄像云台等领域。

随着电机设计、控制技术以及电力电子技术的发展，多种结构形式的球形电动机不断涌现，构成了多自由度传动机构未来发展的方向。国内外学者对多种球形电动机进行过研究。双馈型球形电动机定、转子均采用分布绕组，转子需要馈电，电机结构复杂；永磁球形步进电动机定、转子极均为圆柱形结构，增大了电机的体积，并且运行过程中对定、转子在几何结构上的配合性计算比较复杂；表贴磁钢式永磁球形电动机转子采用112个永磁体，定子采用96个绕组，支撑轴承为液压轴承，要求电机制造工艺较高，控制系统设计复杂。

发明人在“基于Halbach阵列的永磁球形电动机磁场”(出处：电工技术学报-2007.22(7).-126-130)一文中，对此种类型的球形电动机的工作原理进行了探讨，给出了转子磁极的Halbach阵列充磁规律。但该篇论文并未涉及具体的电动机结构设计，有关结构方面的内容仅从原理方面加以描述，缺乏必要的技术特征，不具备实施的可能性。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的上述不足，提出一种三自由度Halbach阵列永磁球形同步电动机。该电机采用球形结构，可以在一台电机上实现三自由度运动，从而能够简化机械结构，提高传动系统的动、静态性能。

本发明采用如下的技术方案，

一种三自由度Halbach阵列永磁球形同步电动机包括底座、置于底座上的支撑轴承、球形转子体、外定子、输出轴，所述球形转子体包括由非导磁材料制成的中空球形转子轭和Halbach阵列永磁体，所述输出轴穿过中空球形转子轭的上部并与其固定连接，围绕中空球形转子轭赤道一圈开设有柱形槽，所述Halbach阵列永磁体沿柱形槽均匀固定在转子轭赤道一圈上，转子轭下部与支撑轴承的接触面为环形弧面；所述外定子包括固定在底座上的定子外壳，所述定子外壳开设有按照球面经纬线均匀分布的多排线圈固定孔，各个线圈分别通过可调节的线圈固定螺栓固定在线圈固定孔上，中间一排线圈位于赤道；所述定子外壳的上部连接有外壳盖，在外壳盖的下方设置有固定轴承，所述固定轴承的轴承座通过可调节的轴承固定螺栓与外壳盖相连接，在轴承座上方开设有柱形槽，槽内放置有弹簧，所述轴承固定螺栓的下端伸入柱形槽内与弹簧相抵，所述固定轴承固定在轴承座的下方开设的槽内，转子轭上部与固定轴承的接触面为环形弧面。

本发明的三自由度Halbach阵列永磁球形同步电动机，中空球形转子轭最好由两个半球形转子轭对接而成，在两个半球转子轭上开有螺纹孔，输出轴通过螺纹孔将两个半球连接在一起，并通过拧紧螺栓将两半球夹紧；Halbach阵列永磁体可以采用6极，每极3块Halbach阵列排列方式，永磁体球面经度角设为30°。

本发明具有如下的突出的技术效果：

1.三自由度Halbach阵列永磁球形同步电动机可以代替传统多自由度传动机构，在一台电机上实现三自由度运动，应用于机器人、机械手臂及全景摄像云台等领域，可以简化机械结构，提高机械集成度和传动系统的定位精度。

2.永磁体采用Halbach阵列结构，削弱了磁场高次谐波的影响，使气隙磁场波形更接近正弦，能够提高气隙磁通密度，可以进一步减小电机体积，增大转矩密度，从而扩大球形电机的应用范围。

3.三自由度Halbach阵列永磁球形同步电动机由转子球体、球形定子外壳、定子绕组、输出轴、固定轴承、支撑轴承和弹簧等构成。固定轴承采用可旋转固定螺栓调节对转子的下压力，使电机结构可靠，摩擦损耗较小，提高了电机的输出力矩，扩大了转子球体的偏转范围；线圈采用可调固定螺栓，提高了电机设计的灵活性；转子轭采用中空结构，减小了电机的转动惯量，从而提高了系统的响应速度。

4.三自由度Halbach阵列永磁球形同步电动机定子绕组沿球面经、纬度排列，每个线圈由一个驱动电路独立控制。通过控制线圈电流以及通电线圈的位置与个数，可以调节总电磁转矩矢量的方向和大小，能够获得不同的转矩-转速特性。

附图说明

图1三自由度Halbach阵列永磁球形同步电动机结构图；

图2转子球体结构图；

图3永磁体Halbach阵列及其充磁方向示意图；

图4定子结构图；

图5固定轴承结构图。

图中标号说明：1  Halbach阵列永磁体；2中空球形转子轭；3定子线圈轴；4定子外壳；5外壳盖；6支撑轴承；7固定轴承；8底座；9输出轴；10法兰；11拧紧螺栓；12线圈固定孔；13线圈固定螺栓；14弹簧；15轴承固定螺栓。

具体实施方式

本发明提出了一种三自由度Halbach阵列永磁球形同步电动机，包括球形转子体、外定子、支撑轴承、固定轴承、输出轴、底座、法兰等，其中，球形转子体由Halbach阵列烧结钕铁硼永磁体与转子轭构成，外定子由球形定子外壳、外壳盖及圆柱形线圈构成，固定轴承由环状弧面轴承、轴承座、固定螺栓和弹簧构成，通过旋转轴承固定螺栓可以调节施加在转子球上的下压力。球形定子外壳沿球面经纬线开有螺纹孔，所有圆柱形线圈分别固定在螺纹孔上，通过旋转线圈固定螺栓可以调节定、转子极间的气隙大小。按照一定通电策略给处于同一纬线上的线圈通电，转子磁场与定子磁场相互作用产生一个球面切向力，驱动转子球体完成自转运动；按照一定通电策略给处于同一经线上的线圈通电，定、转子磁场产生的球面切向力可以驱动转子球体完成偏航和俯仰运动，从而实现电机球面任意位置的定位运动。

下面根据附图和实施例对本发明做进一步详述。

本发明的三自由度Halbach阵列永磁球形同步电动机由球形转子体、外定子、支撑轴承6、固定轴承7、底座8、输出轴9、法兰10构成。球形转子体包括Halbach阵列永磁体1和中空球形转子轭2，外定子包括定子线圈轴3、定子外壳4、外壳盖5，球形电机结构如图1所示。

为了减小转子的转动惯量，本发明的球形电机采用中空球形转子轭2，由非导磁材料制成。为了简化加工工艺，转子轭由两个半球形转子轭对接而成，在两个半球转子轭上开有螺纹孔，输出轴9通过螺纹孔将两个半球连接在一起，并通过拧紧螺栓11将两半球夹紧。围绕球形转子轭赤道一圈开有柱形槽，永磁体1沿柱形槽均匀镶嵌在转子轭上，形成完整的球体结构，转子结构如图2所示。永磁体由N38H烧结钕铁硼材料制成，采用6极，每极3块Halbach阵列排列方式，通过电磁计算，永磁体球面经度角设为30°，在保证了电机大转矩的同时尽量减小了转子的转动惯量，磁极排列方式及其充磁方向如图3所示。

转子球体放在置于底座8的支撑轴承6上，支撑轴承由聚四氟乙烯材料制成，采用环状弧面结构，可以减小轴承与转子球的摩擦。定子外壳4与底座连接成一体，外壳上开有5排线圈固定孔12，每排18个，按照球面经纬线均匀分布，线圈采用圆柱形结构，轴上缠绕标准铜线，由线圈固定螺栓13固定在定子外壳的线圈固定孔12上，中间一排线圈位于赤道。定、转子之间为气隙，通过旋转线圈固定螺栓13可以调节定、转子极间的气隙大小。在加工工艺允许条件下，外壳盖5上开一个圆形区域，方便转子带动输出轴实现一定范围内的偏转，外定子结构如图4所示。

为了避免转子在运行过程中发生振动，影响运行性能，球形电机采用固定轴承对转子表面形成一个下压力，将转子固定在支撑轴承上，固定轴承结构如图5所示。固定轴承与轴承座均由聚四氟乙烯材料制成，轴承镶嵌在轴承座下面的开槽上，轴承座上方开有两个柱形槽。轴承座和外壳盖通过特制螺栓15联接在一起，螺栓15最下面的部分是光滑的，半径比柱形槽稍小，柱形槽内分别放置一个弹簧14，弹簧14与螺栓15相互作用产生一个向下的压力，通过固定轴承作用到转子球上，能够稳定转子位置。通过调节轴承固定螺栓可以调节固定轴承对转子产生的下压力，可以改变转子球体受到的摩擦力矩。

在三自由度Halbach阵列永磁球形电动机中，气隙磁场由Halbach阵列永磁体和通电定子线圈共同产生，二者相互作用，可以形成任意方向的转矩，从而实现球形转子任意位置的定位运动。永磁体为6极结构，每极对应3个定子线圈，当通电定子线圈位于每对转子极边界时，产生的电磁转矩最大，要求转子自转时，每个时刻至少可以给6个线圈同时通电，可以产生6个相同方向相同大小的电磁转矩，保证了电机大转矩的输出；给沿经线分布的定子线圈通电，可以实现电机转子一定范围内的偏转运动。负载通过法兰10连接在输出轴上，可以实现负载任意位置的定位运动。

每个定子线圈由一个驱动电路独立控制，通过制定不同的通电策略和轨迹规划策略，可以更为灵活地构建控制系统，提高电机系统的运行性能。

Claims (3)

1.一种三自由度Halbach阵列永磁球形同步电动机，包括底座、置于底座上的支撑轴承、

球形转子体、外定子、输出轴，其特征在于，

所述球形转子体包括由非导磁材料制成的中空球形转子轭和Halbach阵列永磁体，所述输出轴穿过中空球形转子轭的上部并与其固定连接，围绕中空球形转子轭赤道一圈开设有柱形槽，所述Halbach阵列永磁体沿柱形槽均匀固定在转子轭赤道一圈上，转子轭下部与支撑轴承的接触面为环形弧面；

所述外定子包括固定在底座上的定子外壳，所述定子外壳开设有按照球面经纬线均匀分布的多排线圈固定孔，各个线圈分别通过可调节的线圈固定螺栓固定在线圈固定孔上，中间一排线圈位于赤道；

所述定子外壳的上部连接有外壳盖，在外壳盖的下方设置有固定轴承，所述固定轴承的轴承座通过可调节的轴承固定螺栓与外壳盖相连接，在轴承座上方开设有柱形槽，槽内放置有弹簧，所述轴承固定螺栓的下端伸入柱形槽内与弹簧相抵，所述固定轴承固定在轴承座的下方开设的槽内，转子轭上部与固定轴承的接触面为环形弧面。

2.根据权利要求1所述的三自由度Halbach阵列永磁球形同步电动机，其特征在于，所述中空球形转子轭由两个半球形转子轭对接而成，在两个半球转子轭上开有螺纹孔，输出轴通过螺纹孔将两个半球连接在一起，并通过拧紧螺栓将两半球夹紧。

3.根据权利要求1所述的三自由度Halbach阵列永磁球形同步电动机，其特征在于，所述的Halbach阵列永磁体采用6极，每极3块Halbach阵列排列方式，永磁体球面经度角设为30°。

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