CN108667263A - 一种适用于球形电机的负载补偿机构及球形电机 - Google Patents

一种适用于球形电机的负载补偿机构及球形电机 Download PDF

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Abstract

本发明属于多自由度球形电机相关技术领域，其公开了适用于球形电机的负载补偿机构及球形电机，该负载补偿机构包括第一环形补偿体及第二环形补偿体；该负载补偿机构通过该第一环形补偿体连接于球形电机的转子，该第一环形补偿体与该转子同步转动；该负载补偿机构通过该第二环形补偿体连接于该球形电机的定子；该第一环形补偿体包括第一永磁体，该第二环形补偿体包括第二永磁体，该第一环形补偿体与该第二环形补偿体之间产生排斥力，进而平衡该转子及该转子上的负载的重力力矩。本发明能使转子在非运行状态下保持在平衡位置，在运行状态下能够平衡大部分转子及负载的重力力矩，减小了输入电流，降低了能源消耗，提高了球形电机的效率。

Description

一种适用于球形电机的负载补偿机构及球形电机
技术领域
本发明属于多自由度球形电机相关技术领域，更具体地，涉及一种适 用于球形电机的负载补偿机构及球形电机。
背景技术
多自由度球形电机能够在电磁力矩作用下围绕一个中心球关节提供多 自由度连续转动，其在机器人关节、相机云台和多轴加工等领域有着巨大 的应用前景。
球形电机转子可以在一个关节上实现灵活的三自由度运动，而在许多 应用中，球形电机转子需要根据具体任务安装负载。带有负载的球形电机 转子的重心会高出旋转中心，类似于一个倒立摆系统。如此，在没有电流 输入时转子及负载会倒向不平衡位置；且在球形电机运行过程中，提供球 形电机转矩的驱动电流中的很大部分用于平衡转子及负载的重量，此外在 倾角越大的位置，负载及转子产生的倾覆力矩越大，所需要的平衡力矩以及输入电流也就越大。相应地，本领域存在着发展一种不影响球形电机正 常运行的负载补偿机构的技术需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于球形 电机的负载补偿机构及球形电机，其基于现有球形电机的工作特点，研究 及设计了一种不影响球形电机正常运行的负载补偿机构及球形电机。所述 负载补偿机构的第一环形补偿体与转子同步转动，所述第一永磁体朝向所 述第二永磁体的表面极性与所述第二永磁体朝向所述第一永磁体的表面的 极性相同，以使所述第一环形补偿体与所述第二环形补偿体之间产生排斥 力，进而平衡所述转子及所述转子上的负载的重力力矩，由此使所述转子 在非运行状态下保持在平衡位置，在运行状态下能够平衡大部分转子及负 载的重力力矩，减小了输入电流，降低了能源消耗，提高了球形电机的效 率。所述上周轭铁设置在所述第一环形补偿体远离所述第二环形补偿体的 一侧，其覆盖所述第一永磁体；所述下周轭铁设置在所述第二环形补偿体 远离所述第一环形补偿体的一侧，其覆盖所述第二永磁体，由此避免了永 磁体磁场对球形电机内部电磁控制的影响，提高了精度及准确性。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适用于球形电 机的负载补偿机构，所述负载补偿机构包括第一环形补偿体及第二环形补 偿体，所述第一环形补偿体与所述第二环形补偿体相对设置；所述负载补 偿机构通过所述第一环形补偿体连接于球形电机的转子，所述第一环形补 偿体与所述转子同步转动；所述负载补偿机构通过所述第二环形补偿体连 接于所述球形电机的定子；
所述第一环形补偿体包括第一永磁体，所述第二环形补偿体包括第二 永磁体，所述第一永磁体的位置与所述第二永磁体的位置相对应，且所述 第一永磁体朝向所述第二永磁体的表面极性与所述第二永磁体朝向所述第 一永磁体的表面的极性相同，以使所述第一环形补偿体与所述第二环形补 偿体之间产生排斥力，进而平衡所述转子及所述转子上的负载的重力力矩。
进一步地，所述第一环形补偿体还包括上周轭铁，所述上周轭铁设置 在所述第一环形补偿体远离所述第二环形补偿体的一侧，其覆盖所述第一 永磁体。
进一步地，所述第二环形补偿体还包括下周轭铁，所述下周轭铁设置 在所述第二环形补偿体远离所述第一环形补偿体的一侧，其覆盖所述第二 永磁体。
进一步地，所述第一环形补偿体包括环状的上周保持架，所述上周保 持架开设有多个第一收容孔；所述第一永磁体的数量为多个，多个所述第 一永磁体分别设置在多个所述第一收容孔内，且所述第一永磁体与所述第 一收容孔之间形成过盈配合。
进一步地，多个所述第一收容孔绕所述上周保持架的中心轴均匀排布。
进一步地，所述上周保持架形成有阶梯槽，所述阶梯槽用于收容所述 转子邻近所述第一环形补偿体的一端。
进一步地，所述第二环形补偿体包括环状的下周保持架，所述下周保 持架开设有多个第二收容孔；所述第二永磁体的数量为多个，多个所述第 二永磁体分别设置在多个所述第二收容孔内，且所述第二永磁体与所述第 二收容孔之间形成过盈配合。
进一步地，多个所述第二收容孔绕所述下周保持架的中心轴均匀排布。
进一步地，所述第一永磁体及所述第二永磁体均为圆柱型的高性能钕 铁硼永磁体。
按照本发明的另一个方面，提供了一种球形电机，1其包括相对设置的 定子及转子，所述球形电机还包括如上所述的适用于球形电机的负载补偿 机构，所述第一环形补偿体连接于所述转子；所述第二环形补偿体连接于 所述定子。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发 明提供的适用于球形电机的负载补偿机构及球形电机主要具有以下有益效 果：
1.所述第一环形补偿体与所述转子同步转动，所述第一永磁体朝向所 述第二永磁体的表面极性与所述第二永磁体朝向所述第一永磁体的表面的 极性相同，以使所述第一环形补偿体与所述第二环形补偿体之间产生排斥 力，进而平衡所述转子及所述转子上的负载的重力力矩，由此使所述转子 在非运行状态下保持在平衡位置，在运行状态下能够平衡大部分转子及负 载的重力力矩，减小了输入电流，降低了能源消耗，提高了球形电机的效 率。
2.所述上周轭铁设置在所述第一环形补偿体远离所述第二环形补偿体 的一侧，其覆盖所述第一永磁体；所述下周轭铁设置在所述第二环形补偿 体远离所述第一环形补偿体的一侧，其覆盖所述第二永磁体，由此避免了 永磁体磁场对球形电机内部电磁控制的影响，提高了精度及准确性。
3.所述第一永磁体与所述第一收容孔之间形成过盈配合；所述第二永 磁体与所述第二收容孔之间形成过盈配合，由此确保了力矩从永磁体间传 入保持架，进而传入定子与转子间以平衡转子与负载的重力力矩。
4.所述第一永磁体及所述第二永磁体均为圆柱型的高性能钕铁硼永磁 体，高性能钕铁硼永磁体具有极高的磁能积，小体积的永磁体就能提供非 常可观的排斥磁力矩，在尽量较小增加电机动子整体质量(影响电机控制 系统的动态响应)的前提下，为球型电机提供外部平衡力矩，整体体积较 小，结构紧凑可靠，方便实现。
附图说明
图1是本发明提供的球形电机的结构示意图。
图2是图1中的球形电机的负载补偿机构的第一环形补偿体的局部剖 视图。
图3是图2中的第一环形补偿体沿A方向的示意图。
图4是图1中的球形电机的负载补偿机构的第二环形补偿体的局部剖 视图。
图5是图4中的第二环形补偿体沿B方向的示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中： 1-第一环形补偿体，11-上周轭铁，12-上周保持架，13-第一永磁体，2-第二 环形补偿体，21-下周轭铁，22-下周保持架，23-第二永磁体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。
请参阅图1，本发明提供的球形电机，所述球形电机设置有负载补偿机 构，所述负载补偿机构是基于永磁力矩的重力补偿机构，其利用安装在转 子及定子上的永磁体之间的排斥力，通过合理布置使得这种排斥力产生的 力矩随着倾斜角度的增加而增大，从而使得所述球形电机的转子在非运行 状态下保持在平衡位置，在运行状态下能够平衡大部分转子及负载的重力 力矩，减小了输入电流，降低了能源消耗，提高了球形电机的效率。
所述球形电机包括转子、定子及负载补偿机构，所述负载补偿机构分 别连接于所述转子及所述定子，其用于平衡所述转子及所述球形电机连接 的负载的重力力矩。
所述转子与所述定子相对设置，其形成有球形腔，所述球形腔用于收 容定子。所述定子包括有球形体及支撑座，所述球形体收容于所述球形腔 内，且其连接于所述支撑座。所述负载补偿机构分别连接于所述转子邻近 所述支撑座的一端及所述支撑座。
所述负载补偿机构包括第一环形补偿体1及第二环形补偿体2，所述第 一环形补偿体1及所述第二环形补偿体2相对设置。所述第一环形补偿体1 连接于所述转子邻近所述支撑座的一端，其随所述转子同步转动。所述第 二环形补偿体2设置在所述支撑座上，其与所述第一环形补偿体1之间产 生排斥力，以平衡所述转子及所述负载的重力力矩。
请参阅图2及图3，所述第一环形补偿体1包括上周保持架12、多个 上周轭铁11及多个第一永磁体13，所述上周保持架12为呈阶梯状的环形 体，其形成有圆形的阶梯槽。所述转子的一端承接在所述阶梯槽内。所述 上周保持架12上开设有多个第一收容孔，所述第一收容孔用于收容所述第 一永磁体13。本实施方式中，所述第一永磁体13与所述第一收容孔之间为 过盈配合，以保证力矩自永磁体之间传入所述上周保持架12；多个所述第 一收容孔绕所述阶梯槽的中心轴均匀排布；所述第一永磁体13为高性能钕 铁硼永磁体。多个所述上周轭铁11设置在所述上周保持架12远离所述第 二环形补偿体2的表面上，以分别覆盖多个所述第一收容孔的一端。本实 施方式中，所述上周轭铁11用于屏蔽磁场。
请参阅图4及图5，所述第二环形补偿体2为环状，其包括下周保持架 22、多个下周轭铁21及多个第二永磁体23。所述支撑座开有对应第二环形 补偿体2的安装槽，所述安装槽用于收容所述第二环形补偿体2，以使所述 第二环形补偿体2固定于所述支撑座。所述下周保持架22还开设有多个第 二收容孔，多个所述第二收容孔绕所述第二环形补偿体2的中心轴均匀排 布。多个所述第二永磁体23分别设在多个所述第二收容孔内，所述第二永 磁体23与所述第二收容孔之间形成过盈配合。多个所述下周轭铁21设置 在所述第二环形补偿体2远离所述第一环形补偿体1的表面上，以分别覆 盖多个所述第二收容孔。本实施方式中，所述第二永磁体23为圆柱型的高 性能钕铁硼永磁体。
本实施方式中，所述第一永磁体13的位置与所述第二永磁体23的位 置相对应，且两者的极性相对，即所述第一永磁体13朝向所述第二永磁体 23的表面极性与所述第二永磁体23朝向所述第一永磁体13的表面极性相 同。
以下以一个实施例对本发明进行进一步的详细说明。
球型电机动子绕着安装在定子上的球关节(原点O)倾斜角度θ度。假 设动子负载重力为mg，重心在原点之上，高度为hz，产生相对球型电机旋 转中心的倾覆力矩为mghzsinθ。倾覆力矩的方向(垂直纸面向里)有着使倾 斜角增大的趋势，是动子运动必须克服的阻力矩。
设置的负载补偿机构，此时由于上下周的永磁体相互排斥而产生补偿 永磁力矩T，方向正好与倾覆力矩方向相反。当然实际的倾覆力矩方向可以 在图中XY平面的任意一个方向，周布的永磁体设置能很好的消除这种顾 虑，使得补偿永磁力矩总是与倾覆力矩反向。
进行负载补偿不仅需要补偿力矩方向与负载力矩相反，还需要大小接 近。永磁体在空间中的点R产生的磁感应强度B可以用如下公式计算：
M是永磁体的极化强度矢量，R′是永磁体上的点，n永磁体表面的法向 矢量，μ0是真空磁导率，▽是梯度算子。
磁力计算可以使用麦克斯韦应力张力公式：
其中
其中S为包围所求解磁体的任意封闭曲面，n为曲面法向量，B为曲面 上的总磁场强度(包括所有成员的磁场)。磁力与对应力臂的乘积即为磁 力矩。
由于磁场强度与空间距离的平方成反比，补偿磁力矩T主要受上下周永 磁体的距离影响，如此调整上下周永磁体的相对位置，使得补偿永磁力矩T 与重力矩接近，实现对球型电机的重力补偿。
磁力矩的传递需要依靠结构件来传递。永磁体与保持架采用过盈配合 以保证力矩从永磁体间传入保持架。将保持架分别固定安装在球型电机动 子和定子上，以保证力矩从保持架传入动子和动子间。在上周保持架的上 表面和下周保持架的下表面安装轭磁铁片，以达到屏蔽磁场的效果，由此 避免了永磁体磁场对球形电机内部电磁控制的影响。
本发明提供的适应于球形电机的负载补偿机构及球形电机，所述负载 补偿机构的第一环形补偿体与转子同步转动，所述第一永磁体朝向所述第 二永磁体的表面极性与所述第二永磁体朝向所述第一永磁体的表面的极性 相同，以使所述第一环形补偿体与所述第二环形补偿体之间产生排斥力， 进而平衡所述转子及所述转子上的负载的重力力矩，由此使所述转子在非 运行状态下保持在平衡位置，在运行状态下能够平衡大部分转子及负载的 重力力矩，减小了输入电流，降低了能源消耗，提高了球形电机的效率。 所述上周轭铁设置在所述第一环形补偿体远离所述第二环形补偿体的一 侧，其覆盖所述第一永磁体；所述下周轭铁设置在所述第二环形补偿体远 离所述第一环形补偿体的一侧，其覆盖所述第二永磁体，由此避免了永磁 体磁场对球形电机内部电磁控制的影响，提高了精度及准确性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于球形电机的负载补偿机构，其特征在于：
所述负载补偿机构包括第一环形补偿体(1)及第二环形补偿体(2)，所述第一环形补偿体(1)与所述第二环形补偿体(2)相对设置；所述负载补偿机构通过所述第一环形补偿体(1)连接于球形电机的转子，所述第一环形补偿体(1)与所述转子同步转动；所述负载补偿机构通过所述第二环形补偿体(2)连接于所述球形电机的定子；
所述第一环形补偿体(1)包括第一永磁体(13)，所述第二环形补偿体(2)包括第二永磁体(23)，所述第一永磁体(13)的位置与所述第二永磁体(23)的位置相对应，且所述第一永磁体(13)朝向所述第二永磁体(23)的表面极性与所述第二永磁体(23)朝向所述第一永磁体(13)的表面的极性相同，以使所述第一环形补偿体(1)与所述第二环形补偿体(2)之间产生排斥力，进而平衡所述转子及所述转子上的负载的重力力矩。
2.如权利要求1所述的适用于球形电机的负载补偿机构，其特征在于：所述第一环形补偿体(1)还包括上周轭铁(11)，所述上周轭铁(11)设置在所述第一环形补偿体(1)远离所述第二环形补偿体(2)的一侧，其覆盖所述第一永磁体(13)。
3.如权利要求1所述的适用于球形电机的负载补偿机构，其特征在于：所述第二环形补偿体(2)还包括下周轭铁(21)，所述下周轭铁(21)设置在所述第二环形补偿体(2)远离所述第一环形补偿体(1)的一侧，其覆盖所述第二永磁体(23)。
4.如权利要求1-3任一项所述的适用于球形电机的负载补偿机构，其特征在于：所述第一环形补偿体(1)包括环状的上周保持架(12)，所述上周保持架(12)开设有多个第一收容孔；所述第一永磁体(13)的数量为多个，多个所述第一永磁体(13)分别设置在多个所述第一收容孔内，且所述第一永磁体(13)与所述第一收容孔之间形成过盈配合。
5.如权利要求4所述的适用于球形电机的负载补偿机构，其特征在于：多个所述第一收容孔绕所述上周保持架(12)的中心轴均匀排布。
6.如权利要求4所述的适用于球形电机的负载补偿机构，其特征在于：所述上周保持架(12)形成一个阶梯槽，所述阶梯槽用于收容所述转子邻近所述第一环形补偿体(1)的一端。
7.如权利要求1-3任一项所述的适用于球形电机的负载补偿机构，其特征在于：所述第二环形补偿体(2)包括环状的下周保持架(22)，所述下周保持架(22)开设有多个第二收容孔；所述第二永磁体(23)的数量为多个，多个所述第二永磁体(23)分别设置在多个所述第二收容孔内，且所述第二永磁体(23)与所述第二收容孔之间形成过盈配合。
8.如权利要求7所述的适用于球形电机的负载补偿机构，其特征在于：多个所述第二收容孔绕所述下周保持架(22)的中心轴均匀排布。
9.如权利要求1-3任一项所述的适用于球形电机的负载补偿机构，其特征在于：所述第一永磁体(13)及所述第二永磁体(23)均为圆柱型的高性能钕铁硼永磁体。
10.一种球形电机，其包括相对设置的定子及转子，其特征在于：
所述球形电机还包括如权利要求1-9任一项所述的适用于球形电机的负载补偿机构，所述第一环形补偿体(1)连接于所述转子；所述第二环形补偿体(2)连接于所述定子。
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