CN107425695A - 一种三维度有限转角球形电机 - Google Patents

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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/06—Rolling motors, i.e. motors having the rotor axis parallel to the stator axis and following a circular path as the rotor rolls around the inside or outside of the stator ; Nutating motors, i.e. having the rotor axis parallel to the stator axis inclined with respect to the stator axis and performing a nutational movement as the rotor rolls on the stator

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Abstract

本发明公开了一种三维度有限转角球形电机，包括圆形底座，所述圆形底座上安装有球面弧形线圈单元，还包括负载安装盘，负载安装盘一端安装有弧形内磁轭，所述内磁轭另一端安装于圆形底座中央设置的球形轴承上，每个内磁轭圆弧外侧设置有永磁体和外磁轭；本发明克服了现有技术中球形电机结构复杂，体积庞大，不能驱动负载实现方位、俯仰、横滚三个旋转维度的有限转角内运动，且需借助中间传动机构，低集成度和低精度直驱性的问题；实现了驱动负载完成三维度有限转角运动动作，不借助多个电机及中间传动机构实现动作，具有极高的集成度和高精度直驱特性，同时，该电机的负载安装盘能够适应各种负载的安装，具有很高的通用性并且结构简单，便于批量生产。

Description

一种三维度有限转角球形电机
技术领域
本发明属于工业应用电动机技术领域，涉及一种三维度有限转角球形电机。
背景技术
随着科技的进步，多自由度运动机构的应用范围越来越广。传统的多自由度运动是由多台单自由度电机联合实现的，不可避免的带来机构庞大、传动精度低、控制困难等问题。多自由度电机及控制系统的研究越来越受重视，其中，三自由度运动的球形电机与传统的多自由度传动机构相比，具有结构简单、转动惯性低、精密度高、动态性能好等特点，具有更广泛的应用前景，但涉及的问题也更复杂。
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的发展方向，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；同时，现有多自由度球形电机并未驱动负载实现方位、俯仰、横滚三个旋转维度的有限转角内运动，且均需借助中间传动机构来实现动作，而无法直接驱动负载。因此，需涉及一种电机结构简单，体积适中，实现方位、俯仰、横滚三个旋转维度的有限转角运动，且无需中间传动机构的具有高集成度和高精度直驱性的三维度球形电机。
发明内容
本发明的目的是提供一种三维度有限转角球形电机，克服了现有技术中球形电机结构复杂，体积庞大，不能驱动负载实现方位、俯仰、横滚三个旋转维度的有限转角内运动，且需借助中间传动机构驱动负载，低集成度和低精度直驱性的问题。
本发明所采用的技术方案是：
一种三维度有限转角球形电机，包括圆形底座，所述圆形底座上安装有球面弧形线圈单元，还包括圆形负载安装盘，所述负载安装盘一端安装有两个弧形内磁轭，所述内磁轭另一端安装于圆形底座中央设置的球形轴承上，每个所述内磁轭圆弧外侧设置有弧形永磁体和外磁轭，所述外磁轭置于永磁体圆弧外侧，所述线圈单元置于所述永磁体的外圆弧面与外磁轭圆弧内圆弧面之间的空隙内。
本发明的特点还在于：
所述圆形底座上安装有四组线圈单元，分别为第一线圈单元、第二线圈单元、第三线圈单元、第四线圈单元，且每组线圈单元均由线圈a、线圈b和线圈c和线圈d整形成球面弧形且沿直径方向重叠组合而成。
每个所述内磁轭圆弧外侧均设置有两个圆弧外表面极性相反的永磁体，每两个所述永磁体共用一个外磁轭，每组线圈单元对应一个永磁体。
所述圆形底座连接于球形轴承的外圆上，所述内磁轭连接于球形轴承的内圆上。
所述内磁轭与负载安装盘为一体式结构，所述内磁轭、永磁体、外磁轭及负载安装盘组成动子。
所述内磁轭、永磁体、线圈单元、外磁轭同心设置。
所述线圈单元由铜线绕制而成。
所述内磁轭与外磁轭均采用导磁材料制成。
本发明的有益效果是：
本发明一种三维度有限转角球形电机，通过安装在圆形底盘的线圈单元及其连接于圆形底盘上设置的球形轴承上的内磁轭、永磁体、外磁轭以及负载安装盘，克服了现有技术中球形电机结构复杂，体积庞大，不能驱动负载实现方位维度、俯仰维度、横滚维度三个旋转维度的有限转角内运动，且需借助中间传动机构来驱动负载，低集成度和低精度直驱性的问题；实现了方位、俯仰、横滚三个维度的有限转角内运行动作的球形电机，不借助多个电机及中间传动机构实现动作，具有极高的集成度和高精度直驱特性，同时，该电机的负载安装盘能够适应各种负载的安装，具有很高的通用性并且结构简单，便于批量生产。
本发明所述圆形底座上安装有四组线圈单元，每组线圈单元由两个方位俯仰线圈和两个横滚线圈整形成球面弧形且沿直径方向重叠组合而成，其具有很强的机械强度，不易变形，其中方位俯仰线圈负责驱动负载实现方位、俯仰两个维度的有限转角内运行动作、横滚线圈负责驱动负载实现横滚维度的有限转角内运行动作，简单的结构设计实现高精度的三维度有限转角内运动。
本发明中每个内磁轭圆弧外侧均设置有两个圆弧外表面极性相反的永磁体，所述两个永磁体共用一个外磁轭，每组线圈单元对应一个永磁体，使得每组线圈单元具有很好的稳定性和可控性，同时使得本发明的球形电机的方位、俯仰以及横滚三维度转角运动具有更高的准确性和集成性。
本发明中圆形底座连接于球形轴承的外圆上，所述内磁轭连接于球形轴承的内圆上。从而使得内磁轭、外磁轭以及负载安装盘得到支撑，同时可实现球形电机各部分相对独立运动而不影响彼此。
本发明中内磁轭与负载安装盘设置成一体式结构，简化了结构设计，使得球形电机拆卸检修更加方便快捷，同时，内磁轭、永磁体、线圈单元、外磁轭同心设置，使得本发明一种三维度有限转角球形电机进一步实现转动惯性低、精密度高、动态性能好等优点，另外，此结构设计缩小了电机体积，节约空间。
本发明中内磁轭与外磁轭均采用导磁材料制成，以增强永磁体外弧面到外磁轭内弧面之间的电机气隙磁密。
附图说明
图1是本发明一种三维度有限转角球形电机立体结构示意图；
图2是本发明中线圈单元与底座的立体结构示意图；
图3是本发明中线圈单元立体结构示意图；
图4是本发明中动子的立体结构示意图；
图5是本发明中动子与底座的立体结构示意图；
图6是本发明中线圈单元与永磁体立体结构示意图。
图中，1.圆形底座，2.球形轴承，3.永磁体，4.第一线圈单元，5.第二线圈单元，6.第三线圈单元，7.第四线圈单元，8.线圈a，9.线圈b，10.线圈c，11，线圈d，12.负载安装盘，13.内磁轭，14.外磁轭。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种三维度有限转角球形电机，包括圆形底座1，圆形底座1上安装有四组球面弧形线圈单元，如图2所示，四组线圈单元分别为第一线圈单元4、第二线圈单元5、第三线圈单元6、第四线圈单元7，如图3所示，每组线圈单元由线圈a8、线圈b9和线圈c10和线圈d11整形成球面弧形且沿直径方向重叠组合而成，，其中线圈a8、线圈b9负责驱动负载实现横滚维度的有限转角内运行动作，线圈c10和线圈d11负责驱动负载实现方位、俯仰两个维度的有限转角内运行动作；如图4所示，还包括圆形负载安装盘12，所述负载安装盘12一端一体化安装有两个弧形内磁轭13，每个内磁轭13圆弧外侧设置有弧形永磁体3和外磁轭14，每两个所述永磁体3共用一个外磁轭14，每个所述外磁轭14均置于永磁体3圆弧外侧，内磁轭13、永磁体3、外磁轭14及负载安装盘12组成动子；如图5所示，所述圆形底座1连接于其上设置的球形轴承2的外圆上，内磁轭13连接于球形轴承2的内圆上；每个线圈单元均置于所述永磁体3的外圆弧面与外磁轭14圆弧内圆弧面之间的空隙内，且内磁轭13及外磁轭14都采用导磁材料制作，以增强永磁体3外弧面到外磁轭内弧面之间的空间即电机气隙的磁密；如图5所示，每个内磁轭13圆弧外侧均设置有两个圆弧外表面极性相反的永磁体3，每两个所述永磁体3共用一个外磁轭14，如图6所示，每组线圈单元对应一个永磁体3；所述内磁轭13、永磁体3、线圈单元、外磁轭14同心设置，可实现转动惯性低、精密度高、动态性能好等优点，另外，此结构设计缩小了电机体积，节约空间。
本发明一种三维度有限转角球形电机工作原理如下：
根据电磁原理，当第一线圈单元4和第二线圈单元5上的线圈a8与第三线圈单元6和第二线圈单元7上的线圈b9通电产生的电磁极性(此处描述的极性皆指各线圈通电后正对永磁体3一侧的极性)分别与其所对应的与永磁体3的极性(此处描述的极性皆指各永磁体3正对线圈一侧的极性)相同，第一线圈单元4和第二线圈单元5上的线圈b9与第三线圈单元6和第二线圈单元7上的线圈a8通电产生的电磁极性分别与其所对应的与永磁体3的极性相反时，电机驱动负载沿横滚维度的一个方向运动，同时反向上述线圈的通电电流，电机驱动负载沿横滚维度的另一个方向运动。
当每组线圈单元上的线圈c10通电产生的电磁极性分别与其所对应的与永磁体3的极性相同，每组线圈单元中的线圈d11通电产生的电磁极性分别与其所对应的与永磁体3的极性相反时，电机驱动负载沿方位维度的一个方向运动，同时反向上述线圈的通电电流，电机驱动负载沿方位维度的另一个方向运动。
当第一线圈单元4和第三线圈单元6上的线圈c10与第二线圈单元5和第四线圈单元7上的线圈d11通电产生的电磁极性分别与其所对应的与永磁体3的极性相同，第一线圈单元4和第三线圈单元6上的线圈d11与第二线圈单元5和第四线圈单元7上的线圈c10通电产生的电磁极性分别与其所对应的与永磁体3的极性相反时，电机驱动负载沿俯仰维度的一个方向运动，同时反向上述线圈的通电电流，电机驱动负载沿俯仰维度的另一个方向运动。
上述的负载运动状态可以是单一维度的运动也可以是任意叠加维度的运动，负载可以通过任意路径到达整个运动区域内的任意一点。
通过上述方式，本发明一种三维度有限转角球形电机克服了现有技术中球形电机结构复杂，体积庞大，不能驱动负载实现方位、俯仰、横滚三个旋转维度的有限转角内运动，且需借助中间传动机构，低集成度和低精度直驱性的问题；实现了驱动负载完成三维度有限转角运动动作，不借助多个电机及中间传动机构实现动作，具有极高的集成度和高精度直驱特性，同时，该电机的负载安装盘能够适应各种负载的安装，具有很高的通用性并且结构简单，便于批量生产。

Claims (8)

1.一种三维度有限转角球形电机，其特征在于，包括圆形底座(1)，所述圆形底座(1)上安装有球面弧形线圈单元，还包括圆形负载安装盘(12)，所述负载安装盘(12)一端安装有两个弧形内磁轭(13)，所述内磁轭(13)另一端安装于圆形底座(1)中央设置的球形轴承(2)上，每个所述内磁轭(13)圆弧外侧设置有弧形永磁体(3)和外磁轭(14)，所述外磁轭(14)置于永磁体(3)圆弧外侧，所述线圈单元置于所述永磁体(3)的外圆弧面与外磁轭(14)圆弧内圆弧面之间的空隙内。
2.如权利要求1所述的一种三维度有限转角球形电机，其特征在于，所述圆形底座(1)上安装有四组线圈单元，分别为第一线圈单元(4)、第二线圈单元(5)、第三线圈单元(6)、第四线圈单元(7)，且每组线圈单元均由线圈a(8)、线圈b(9)和线圈c(10)和线圈d(11)整形成球面弧形且沿直径方向重叠组合而成。
3.如权利要求2所述的一种三维度有限转角球形电机，其特征在于，每个所述内磁轭(13)圆弧外侧均设置有两个圆弧外表面极性相反的永磁体(3)，每两个所述永磁体(3)共用一个外磁轭(14)，每组线圈单元对应一个永磁体(3)。
4.如权利要求1所述的一种三维度有限转角球形电机，其特征在于，所述圆形底座(1)连接于球形轴承(2)的外圆上，所述内磁轭(13)连接于球形轴承(2)的内圆上。
5.如权利要求1所述的一种三维度有限转角球形电机，其特征在于，所述内磁轭(13)与负载安装盘(12)为一体式结构，所述内磁轭(13)、永磁体(3)、外磁轭(14)及负载安装盘(12)组成动子。
6.如权利要求1所述的一种三维度有限转角球形电机，其特征在于，所述内磁轭(13)、永磁体(3)、线圈单元、外磁轭(14)同心设置。
7.如权利要求1所述的一种三维度有限转角球形电机，其特征在于，所述线圈单元由铜线绕制而成。
8.如权利要求1所述的一种三维度有限转角球形电机，其特征在于，所述内磁轭(13)与外磁轭(14)均采用导磁材料制成。
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