CN106877608A - 三自由度永磁球形电动机 - Google Patents

三自由度永磁球形电动机 Download PDF

Info

Publication number
CN106877608A
CN106877608A CN201710152429.6A CN201710152429A CN106877608A CN 106877608 A CN106877608 A CN 106877608A CN 201710152429 A CN201710152429 A CN 201710152429A CN 106877608 A CN106877608 A CN 106877608A
Authority
CN
China
Prior art keywords
stator
rotor
motor
spherical
universal caster
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201710152429.6A
Other languages
English (en)
Inventor
李洪凤
林康
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin University
Original Assignee
Tianjin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin University filed Critical Tianjin University
Priority to CN201710152429.6A priority Critical patent/CN106877608A/zh
Publication of CN106877608A publication Critical patent/CN106877608A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/20—Stationary parts of the magnetic circuit with channels or ducts for flow of cooling medium
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706—Inner rotors
    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/276—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM]
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure

Abstract

本发明涉及一种三自由度永磁球形电动机，包括底座4、固定在底座4上的定子外壳6，万向滚珠8、球形转子体5、输出轴2和定子线圈7，转子5为球形，与输出轴2固定连接，转子的赤道位置设有用于镶嵌永磁体的柱形槽；在定子外壳6上设置有螺纹孔，一部分螺纹孔用于通过定子线圈架固定定子线圈7，另一部分螺纹孔用于通过组合定子线圈架9固定定子线圈7，每个组合定子线圈架9通过螺纹连接有用于支撑转子的万向滚珠8；所述的万向滚珠8包括与组合定子线圈架9螺纹相连的托盘13，在托盘内设置有钢珠14，在钢珠14上设置有尼龙滚珠14。

Description

三自由度永磁球形电动机
技术领域
本发明涉及一种能够实现多自由度运动的球形电机，属于电机设计技术领域。
背景技术
传统上实现多自由度运动，需要多个电机进行配合，这样不仅会使电机结构复杂、体积庞大，而且电机动态性能差以及控制精度低。球形电机应运而生，其与传统多自由度电机相比具有电机磁能积高、运行效率高、体积小、可控性好等优点，广泛应用于雷达、全景摄像机、机械手臂等领域。随着电力电子、计算机控制以及制作材料的发展，这些都为球形电机的制造以及控制提供了坚实的基础。
目前现有的支撑机构主要有以下几种，
1、万向节支撑
2004年，北京航空航天大学提出了一种采用万向节支撑转子的结构。其中转子为空心半球结构，且万向节定点支撑半球结构的上定点，球心与万向节十字轴中心重合。这样便解决的球形电机的偏心问题，同时也限制了球形电机的运动角度，由于转子底部需要安装支撑轴承万向节，转子做成了空心半球结构，底部支撑结构限制了转子的运动空间，导致转子运动角度过小。另外采用万向节支撑转子，该支撑结构比较复杂，限制了定子线圈的安装空间，综上原因考虑，万向节支撑结构会极大限制球形电机的运动角度。
2、环状滚珠轴承支撑
2009年，安徽大学提出了采用顶部与底部安装滚珠支撑，该方法虽然同样不存在偏心问题，由于需要安装环状滚珠，这就占用了定子线圈的安装空间，影响了转子的运动角度，这也限制了球形电动机的小型化发展。。
3、弧面支撑
2008年，天津大学提出了一种环形弧面接触的支撑结构，专利CN200810053083.5公开了一种三自由度Halbach阵列永磁球形同步电动机，该结构同样不存在偏心问题，但是摩擦力矩比较大，虽然通过添加润滑剂等措施减小的运动误差，但是其摩擦力矩依然是球形电机动态性能恶化的主要原因。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种能够简化机械结构，进而扩大转子的运动角度并能够提高传动结构的动静态性能的永磁球形电机。技术方案如下：
一种三自由度永磁球形电动机，包括底座4、固定在底座4上的定子外壳6，万向滚珠8、球形转子体5、输出轴2和定子线圈7，转子5为球形，与输出轴2固定连接，转子的赤道位置设有用于镶嵌永磁体的柱形槽；其特征在于，在定子外壳6上设置有螺纹孔，一部分螺纹孔用于通过定子线圈架固定定子线圈7，另一部分螺纹孔用于通过组合定子线圈架9固定定子线圈7，每个组合定子线圈架9通过螺纹连接有用于支撑转子的万向滚珠8；所述的万向滚珠8包括与组合定子线圈架9螺纹相连的托盘13，在托盘内设置有钢珠14，在钢珠14上设置有尼龙滚珠14。
作为优选实施方式，所述的定子线圈7采用空心结构，并且注入有冷却液。永磁体的表面采用镀镍处理。
与现有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、降低摩擦力。本发明所提出的在定子线圈上安装万向滚珠的支撑方式，对转子的支撑采用点接触方式，可以有效减少球形电机运动时的摩擦力，其摩擦力要远小于弧面接触结构。
2、不会限制转子运动空间。本发明将万向滚珠安装在定子线圈上，可以将支撑结构对于转子运动角度的限制问题降到最低。
3、不占用定子线圈安装空间。与环状滚珠轴承相比，虽然都是滚珠支撑，但是本发明的滚珠安装在定子线圈上，不需要额外占用定子壳内的安装空间，这样也就提高了球形电机的力矩产生角度，进而提高了球形电机的运动空间。同时也有助于球形电动机的小型化发展。
4、加工简单化。通过调整定子线圈螺纹可以对转子球心位置进行微调，不会产生转子偏心的问题。万向滚珠制作工艺简单，这同时也降低了球形电机的生产成本。万向滚珠与定子线圈采用螺纹连接，安装方便。
5、改善电机温升问题。本发明采取在空心定子线圈内放置冷却液的方法，来提高电机的散热能力，以解决电机的温升问题。
附图说明
图1为三自由度球形电动机沿支撑定子线圈截面图
图2位球形电动机受力分析图
图3为万向滚珠结构图
图4为与万向滚珠组合的定子线圈架
图5为万向滚珠与组合定子线圈架组合图
图6为定子线圈架
图中标号：1法兰盘、2输出轴、3永磁体槽、4底座、5转子、6定子外壳、7定子线圈、8万向滚珠、9组合定子线圈架、10拧紧螺栓、11定子外壳固定螺母、12底座固定螺母、13托盘、14不锈钢珠、15尼龙滚珠。
具体实施方式
本发明提出了一种采用万向滚珠支撑的三自由度永磁球形电动机，包括底座4、万向滚珠8、球形转子体5、输出轴2、定子线圈7、外定子6、输出轴2、法兰盘1等组成，其中转子5是由铝制作而成的两个空心半球结构，以此来降低球形电机的转动惯量，其中上下两个转子半球通过拧紧螺栓以及输出轴固定。转子赤道位置设有柱形槽槽3，用于镶嵌永磁体，并采用树脂对缝隙加以密封。分别在组合定子线圈架9上均匀安装4个万向滚珠8用于支撑转子5，万向滚珠8选择SP15-FL型，八个支撑点分别位于长方体的顶点。通过采用万向滚珠支撑转子的方式，可以显著减小球形电动机运行过程中的摩擦力，且万向滚珠8制作简单，安装方便，有助于球形电动机的小型化发展。另外安装万向滚珠8并不会占用定子线圈7的安装空间，这也就增大了球形电机的运行角度。在定子外壳上呈放射状分布有三层螺纹孔，这些螺纹孔用于安装定子线圈，并且通过调节这些螺纹，可以调节球形电机气隙的大小。所安装的定子线圈7同样采用空心结构，并且在空心定子线圈7内注入密闭冷却液的措施来改善球形电动机的散热性能。由于该结构采用万向滚珠8支撑转子，这也要求了转子的硬度以及耐磨性提出了较高的要求。本发明采用对永磁体材料钕铁硼镀镍的方法来增强钕铁硼的硬度、耐磨性，以此来提高永磁体的机械性能。按照一定的通电策略给定子线圈通以电流，就可以实现任意轨迹跟踪，从而实现任意位置的定位运动。
下面根据附图对本发明做进一步详述。
本发明转子采用两个空心半球对接而成，依靠输出轴上的螺纹进行固定。这样做的目的主要是为了减少转动惯量，并且简化制作工艺。由于目前现有的支撑结构都存在其固有缺点，本发明采用在定子线圈上安装万向滚珠支撑转子的方式，具体万向滚珠的安装方式是上下两层每层均匀安装四个，共八个。且这八个万向滚珠分别分布在长方体的顶点。本发明选择SP15-FL型万向滚珠，下面根据图2对转子进行受力分析，以验证该支撑结构的可靠性与稳定性。定子线圈与定子赤道平面的夹角为30°。转子直径为298mm，内部空心圆柱体底面直径150mm，高190mm，这里将钕铁硼永磁体等效为空心圆柱体结构，且其内径为100mm，外径150mm，高90mm，经查表可知，钕铁硼密度为7.6×103kg/m3，转子由铝制成，铝的密度为2.7×103kg/m3，输出轴同样由铝制成，经计算钕铁硼质量约为27kg，转子壳质量为32kg，输出轴质量为0.78kg。因此，转子的总质量约为60kg，如图2所示，对转子进行受力分析可知，每个万向滚珠所提供的支持力为约为30kg。SP15-FL型号的万向滚珠，查表知该滚珠的支持力为40kg，完全符合要求。另外，该型号万向滚珠的外壳由铜制成，滚珠材料为尼龙，二者均为不导磁材料，这也就减少了采用外向滚珠对球形电机电磁场带来的影响。
如图5所示，万向滚珠采用螺纹固定的方式与定子线圈架进行固定，该固定方式的优点在于万向滚珠的安装及其方便，并且牢固，这也就决定了该支撑方式的后期维护很方便，万向滚珠制作工艺简单，这也有助于球形电动机的小型化发展。尼龙具有较高的硬度，以及优良的机械特性，最重要的是其不导磁的特性，使其成为支撑转子的理想材料。
本发明采用万向滚珠与转子接触，这是一种点接触方式，这一方式的优点就是可以显著减小球形电动机运行过程中的摩擦力。这也要求永磁体材料具有较好的机械特性，由于钕铁硼材料在其固有结构上存在缺点，易发生腐蚀现象。因此本发明采取对其进行镀镍处理以改善其机械特性，镍具有优良的机械特性，尤其是其具有良好的抗腐蚀特性，而且其硬度很高，耐磨性很好，并且沉积Ni-P有很好的“仿型性”，镀后不需要磨削加工，镍很适合对机械零件进行表面强化。因此本发明采用对钕铁硼进行镀镍处理，以增加转子的硬度、耐磨性等机械性能。
由于电机运行过程中，存在机械摩擦以及通电所带来的热效应。在传统电机里已经有所研究，但是在球形电动机领域的研究还比较少，对用电机温升问题不仅会带来其性能下降，严重情况下还会带来永磁体退磁，甚至发生电机损坏的事故，因此解决电机运行中的温升问题是电机能够长时间稳定运行的基础。本发明采用在空心定子线圈内注入封闭冷却液的方式来改善球形电动机的散热性能，解决球形电动机运行过程中的温升问题。
该球形电机共有36个定子线圈，每个线圈都有其独立的供电回路，通过给定运动轨迹，就可以得到所需要的转矩大小，然后由逆转矩模型求得具体需要通电的线圈以及通电的电流大小，给相互对称的定子线圈通入电流，就能获得所需要的转矩。还可以通过优化控制算法，以及采用更加先进的控制方法来提高球形电机的实时性控制和动、静态性能。

Claims (3)

1.一种三自由度永磁球形电动机，包括底座(4)、固定在底座(4)上的定子外壳(6)，万向滚珠(8)、球形转子体(5)、输出轴(2)和定子线圈(7)，转子(5)为球形，与输出轴(2)固定连接，转子的赤道位置设有用于镶嵌永磁体的柱形槽。其特征在于，在定子外壳(6)上设置有螺纹孔，一部分螺纹孔用于通过定子线圈架固定定子线圈(7)，另一部分螺纹孔用于通过组合定子线圈架(9)固定定子线圈(7)，每个组合定子线圈架(9)通过螺纹连接有用于支撑转子的万向滚珠(8)；所述的万向滚珠(8)包括与组合定子线圈架(9)螺纹相连的托盘(13)，在托盘内设置有钢珠(14)，在钢珠(14)上设置有尼龙滚珠(14)。
2.根据权利要求1所述的电动机，其特征在于，定子线圈(7)采用空心结构，并且注入有冷却液。
3.根据权利要求1所述的电动机，其特征在于，永磁体的表面采用镀镍处理。
CN201710152429.6A 2017-03-15 2017-03-15 三自由度永磁球形电动机 Pending CN106877608A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710152429.6A CN106877608A (zh) 2017-03-15 2017-03-15 三自由度永磁球形电动机

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710152429.6A CN106877608A (zh) 2017-03-15 2017-03-15 三自由度永磁球形电动机

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN106877608A true CN106877608A (zh) 2017-06-20

Family

ID=59171558

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710152429.6A Pending CN106877608A (zh) 2017-03-15 2017-03-15 三自由度永磁球形电动机

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106877608A (zh)

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109249302A (zh) * 2018-11-08 2019-01-22 中建中新建设工程有限公司 一种带有万向节的角磨机及其使用方法
CN109617281A (zh) * 2019-01-16 2019-04-12 安徽大学 一种永磁球形电机转子支撑结构
CN110086311A (zh) * 2019-05-24 2019-08-02 安徽大学 一种定转子凸极式结构的磁阻型球形电机
CN110224566A (zh) * 2019-06-21 2019-09-10 安徽大学 一种采用简化Halbach永磁体阵列的三自由度球形电机
CN110247493A (zh) * 2019-06-19 2019-09-17 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 永磁转子以及球形电机
CN110649730A (zh) * 2019-09-30 2020-01-03 河北科技大学 混合驱动式多自由度电机
CN111262380A (zh) * 2020-01-15 2020-06-09 天津大学 一种基于气体静压轴承支撑的球形电机
CN111442171A (zh) * 2020-04-15 2020-07-24 北京石油化工学院 一种内动子洛伦兹惯性稳定平台
CN111442172A (zh) * 2020-04-15 2020-07-24 北京石油化工学院 一种洛伦兹惯性稳定平台
CN111509887A (zh) * 2020-06-04 2020-08-07 成都奇门科技有限公司 一种万向电机
CN112448560A (zh) * 2019-09-05 2021-03-05 成都奇门科技有限公司 一种万向电机

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2818190Y (zh) * 2005-08-08 2006-09-20 李黄权 一种改良结构的万向滚珠
CN101282070A (zh) * 2008-05-12 2008-10-08 天津大学 一种三自由度Halbach阵列永磁球形同步电动机
CN101527491A (zh) * 2009-04-21 2009-09-09 安徽大学 三自由度运动永磁球形步进电动机
JP2012070524A (ja) * 2010-09-22 2012-04-05 Minebea Co Ltd 球面モータ
JP2012213273A (ja) * 2011-03-31 2012-11-01 Minebea Co Ltd 球面モータ
US20150097460A1 (en) * 2013-10-08 2015-04-09 Kuokwa Ho Ball Joint Universal Rotary Motor, a Manufacturing Method and a Working Mechanism Thereof
CN105226891A (zh) * 2014-07-03 2016-01-06 济南大学 一种球形电机
CN105799952A (zh) * 2016-04-29 2016-07-27 北京航空航天大学 一种多自由度动量交换式航天飞行器姿态调整执行机构

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2818190Y (zh) * 2005-08-08 2006-09-20 李黄权 一种改良结构的万向滚珠
CN101282070A (zh) * 2008-05-12 2008-10-08 天津大学 一种三自由度Halbach阵列永磁球形同步电动机
CN101527491A (zh) * 2009-04-21 2009-09-09 安徽大学 三自由度运动永磁球形步进电动机
JP2012070524A (ja) * 2010-09-22 2012-04-05 Minebea Co Ltd 球面モータ
JP2012213273A (ja) * 2011-03-31 2012-11-01 Minebea Co Ltd 球面モータ
US20150097460A1 (en) * 2013-10-08 2015-04-09 Kuokwa Ho Ball Joint Universal Rotary Motor, a Manufacturing Method and a Working Mechanism Thereof
CN105226891A (zh) * 2014-07-03 2016-01-06 济南大学 一种球形电机
CN105799952A (zh) * 2016-04-29 2016-07-27 北京航空航天大学 一种多自由度动量交换式航天飞行器姿态调整执行机构

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109249302A (zh) * 2018-11-08 2019-01-22 中建中新建设工程有限公司 一种带有万向节的角磨机及其使用方法
CN109617281A (zh) * 2019-01-16 2019-04-12 安徽大学 一种永磁球形电机转子支撑结构
CN110086311A (zh) * 2019-05-24 2019-08-02 安徽大学 一种定转子凸极式结构的磁阻型球形电机
CN110247493A (zh) * 2019-06-19 2019-09-17 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 永磁转子以及球形电机
CN110224566A (zh) * 2019-06-21 2019-09-10 安徽大学 一种采用简化Halbach永磁体阵列的三自由度球形电机
CN112448560A (zh) * 2019-09-05 2021-03-05 成都奇门科技有限公司 一种万向电机
CN110649730A (zh) * 2019-09-30 2020-01-03 河北科技大学 混合驱动式多自由度电机
CN111262380A (zh) * 2020-01-15 2020-06-09 天津大学 一种基于气体静压轴承支撑的球形电机
CN111442172A (zh) * 2020-04-15 2020-07-24 北京石油化工学院 一种洛伦兹惯性稳定平台
CN111442171A (zh) * 2020-04-15 2020-07-24 北京石油化工学院 一种内动子洛伦兹惯性稳定平台
CN111442172B (zh) * 2020-04-15 2021-10-01 北京石油化工学院 一种洛伦兹惯性稳定平台
CN111442171B (zh) * 2020-04-15 2021-11-09 北京石油化工学院 一种内动子洛伦兹惯性稳定平台
CN111509887A (zh) * 2020-06-04 2020-08-07 成都奇门科技有限公司 一种万向电机

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106877608A (zh) 三自由度永磁球形电动机
US10532832B2 (en) Magnetic levitation reaction sphere
CN102237834B (zh) 多自由度磁悬浮电机
CN204819561U (zh) 感应式磁悬浮球形主动关节
CN106286594B (zh) 一种双Halbach阵列球形洛伦兹力磁轴承
CN201403041Y (zh) 三自由度运动永磁球形步进电动机
CN106351953B (zh) 一种两自由度Halbach阵列偏转洛伦兹力磁轴承
US10597172B2 (en) Magnetic-fluid momentum sphere
CN101527491A (zh) 三自由度运动永磁球形步进电动机
CN106090010A (zh) 一种双永磁体偏转洛伦兹力磁轴承
CN102664567B (zh) 一种高储能密度超导磁悬浮储能飞轮
CN104895921B (zh) 一种两自由度洛伦兹力外转子球面磁轴承
CN101282070A (zh) 一种三自由度Halbach阵列永磁球形同步电动机
CN102480253B (zh) 永磁转子偏转式三自由度运动电机
CN106767744A (zh) 一种隐式洛伦兹力偏转磁轴承
CN108591750A (zh) 大型精密磁悬浮旋转工作台
CN105634230A (zh) 永磁与电磁混合励磁恒压轴向发电机
CN202085108U (zh) 正交绕组式磁悬浮球形感应电动机
CN106838004A (zh) 一种三自由度隐式洛伦兹力磁轴承
CN108448867A (zh) 一种具有外转子结构的永磁球形电机
CN107769622A (zh) 一种径向磁悬浮式电机
CN202260935U (zh) 永磁转子偏转式三自由度运动电机
CN114448161B (zh) 一种具有轴向振动隔振功能的高温超导磁悬浮飞轮
CN204993115U (zh) 磁悬浮球形感应电机
CN204967571U (zh) 一种磁流体动量球

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20170620

RJ01 Rejection of invention patent application after publication