CN108999929B - 磁悬浮飞轮系统及球形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁悬浮飞轮系统及球形机器人，通过在飞轮的两侧分别设置永磁轴承，所述永磁轴承的定子及转子均为永磁体。当所述磁悬浮飞轮系统偏摆时，通过所述永磁轴承的定子与所述转子之间的斥力的作用，保持所述飞轮在其转动平面内进行稳定的转动，从而避免所述飞轮相对其转动平面的偏摆使所述机械轴承产生磨损，延长所述磁悬浮飞轮系统的使用寿命。

Description

磁悬浮飞轮系统及球形机器人

技术领域

本发明涉及飞轮系统，尤其涉及一种磁悬浮飞轮系统及球形机器人。

背景技术

目前，大部分飞轮系统的飞轮一般都是在机械轴承的支承下进行高速的旋转。在所述飞轮的旋转过程中，当所述飞轮系统发生偏摆时，由于高速转动的所述飞轮会产生陀螺力矩，使得所述飞轮相对其转动平面产生偏摆，从而使得支承所述飞轮旋转的所述机械轴承容易产生磨损，从而会严重影响所述飞轮的使用寿命。

发明内容

本发明的提供一种磁悬浮飞轮系统及球形机器人，所述磁悬浮飞轮系统的机械轴承不容易产生磨损，延长所述磁悬浮飞轮系统的使用寿命。

所述磁悬浮飞轮系统包括壳体、设于所述壳体内的飞轮、转轴、两个永磁轴承及机械轴承；所述转轴穿过所述飞轮的中心，并与所述飞轮同轴固定设置；所述机械轴承与所述转轴同轴且固定，用于支撑所述飞轮的转动；所述飞轮设于两个所述永磁轴承之间；所述机械轴承有两个，两个所述机械轴承均套于所述转轴上，两个所述机械轴承沿轴向方向层叠设置并间隔；每个所述永磁轴承包括定子及与所述定子相对的转子，所述定子与所述转子沿所述飞轮的轴线方向层叠设置，所述定子与所述转子之间有间隙，所述定子固定于所述壳体内壁，两个所述永磁轴承的转子分别固定于所述飞轮的相对的两个表面并与所述飞轮同轴设置，所述定子与所述转子之间磁力方向相反。

其中，所述飞轮的轴心位置设有一穿孔，所述转轴包括固定轴及套设于所述固定轴外的两个套筒，所述套筒的内径大于所述固定轴，所述固定轴穿过所述穿孔，两个所述套筒分别设于所述飞轮的两侧并覆盖所述穿孔的两端，两个所述套筒均与所述飞轮固定连接，所述固定轴与所述壳体固定，通过所述套筒带动所述飞轮相对所述固定轴及所述壳体转动。

其中，两个所述套筒之间间隔，两个所述套筒与所述穿孔的孔壁形成一收容腔，所述收容腔内收容有所述机械轴承及偏摆件。

其中，所述偏摆件包括收容筒及收容于所述收容筒内的关节轴承，所述机械轴承包括内环及相对所述内环转动的外环，所述内环与所述收容筒的外壁固定；所述关节轴承包括外圈及相对所述外圈滚动的内圈，所述固定轴穿过所述内圈并与所述内圈固定，所述外圈固定于所述收容筒的内壁；所述飞轮相对其转动平面摆动带动所述偏摆件的外圈相对所述内圈进行偏摆。

其中，所述飞轮与所述转轴一体成型，两个所述机械轴承分别位于所述飞轮两侧。

其中，所述磁悬浮飞轮系统包括两个偏摆块，两个所述偏摆块套于所述转轴上，并分别位于所述飞轮的两侧；所述机械轴承设于所述转轴与所述偏摆块之间，所述机械轴承的内圈与所述偏摆块固定，所述机械轴承的外圈与所述转轴固定；所述飞轮相对其转动平面进行偏摆，通过所述机械轴承带动所述偏摆件相对所述壳体进行偏摆。

其中，所述偏摆块背离所述飞轮的一侧包括一第一圆弧面，所述壳体内壁朝向所述飞轮的一侧设有与所述第一圆弧面相对应的第二圆弧面，所述第一圆弧面与所述第二圆弧面相接触；所述飞轮偏摆带动所述偏摆块的第一圆弧面相对所述第二圆弧面摆动。

其中，所述第一圆弧面与所述第二圆弧面共圆心，且所述第一圆弧面与所述第二圆弧面的圆心与所述飞轮的中心重合。

其中，所述定子包括多个同轴设置并沿径向堆叠的第一永磁环，任一个所述第一永磁环的外径与同其相邻的所述第一永磁环的内径大小相同；所述转子包括多个同轴设置的沿径向堆叠的第二永磁环，任一个所述第二永磁环的外径与同其相邻的所述第二永磁环的内径大小相同；多个所述第一永磁环与多个所述第二永磁环一一对应，且每个所述第一永磁环的内径与同其对应的第二永磁环的内径相同，每个所述第一永磁环的外径与同其对应的第二永磁环的外径相同；每个所述第一永磁环与对应的第二永磁环之间磁力相斥。

其中，所述第一永磁环的充磁方向及所述第二永磁环的充磁方向均为轴向方向；每个所述第一永磁环的充磁方向与其对应的第二永磁环的充磁方向相反；相邻的两个所述第一永磁环的充磁方向相反，相邻的两个所述第二永磁环的充磁方向相反。

其中，所述定子包括第一磁轭，所述第一磁轭包覆所述多个所述第一永磁环除与所述转子相对的表面外的其他表面；所述转子包括第二磁轭，所述第二磁轭包覆所述多个第二永磁环除与所述定子相对的表外的其他表面。

所述球形机器人包括球壳及所述磁悬浮飞轮系统，所述磁悬浮飞轮系统位于所述球壳内并用于保持所述球壳的稳定。

本发明提供的所述磁悬浮飞轮系统，通过在所述飞轮的两侧分别设置所述永磁轴承。使得当所述飞轮相对其转动平面发生偏摆时，通过所述飞轮两侧的所述永磁轴承的定子与所述转子之间的斥力的作用，推动所述飞轮回复至所述转动平面，保持所述飞轮在所述壳体内进行稳定的转动，从而防止所述机械轴承的磨损，延长所述磁悬浮飞轮系统的使用寿命。

附图说明

为更清楚地阐述本发明的构造特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对其进行详细说明。

图1是本发明一实施例的磁悬浮飞轮系统的结构示意图；

图2是本发明另一实施例的磁悬浮飞轮系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，不能理解为对本专利的限制。

请参阅图1，本发明提供一种磁悬浮飞轮系统100。所述磁悬浮飞轮系统100包括壳体10、设于所述壳体10内的飞轮20、转轴30、两个永磁轴承40及机械轴承50。所述转轴30穿过所述飞轮20的中心，并与所述飞轮20同轴固定设置。所述机械轴承50与所述转轴30固定，用于支撑所述飞轮20及转轴30在所述壳体10内的转动。两个所述永磁轴承40分别设于所述飞轮20相对的两侧，用于保持所述飞轮20在所述壳体10内稳定的转动，即使得所述飞轮20能够在垂直于所述转轴30的转动平面内进行稳定的转动。

所述壳体10包括上壳体11及盖设于所述上壳体11上的下壳体12。所述下壳体12盖设于所述上壳体11上后，所述壳体10内部形成一空腔，所述空腔用于收容所述磁悬浮飞轮系统100的各部件。

所述飞轮20收容于所述壳体10内。本实施例中，所述飞轮20为盘状，并且，盘状的所述飞轮20的轴心位置设有一穿孔21。所述飞轮20的边缘的轴向方向的厚度大于所述飞轮20中间位置的厚度，以便将所述飞轮20的重量尽量集中至所述飞轮20的边缘，从而在减轻所述飞轮20的重量的同时，增大所述飞轮20边缘的转动惯量，进而增大所述飞轮20转动速度。进一步的，可以在所述飞轮20的外径的表面包覆碳纤维等具有高强度、高模量、质轻的材料，防止所述飞轮20高速旋转过程中可能产生的破坏及变形等问题。

所述转轴30包括固定轴31及套设于所述固定轴31外的两个套筒32，所述套筒32的内径大于所述固定轴31，所述套筒32套于所述固定轴31上时，所述套筒32与所述固定轴31之间存在间隙。本实施例中，所述套筒32相对所述固定轴31转动。所述固定轴31穿过所述穿孔21并与所述壳体10固定。两个所述套筒32分别设于所述飞轮20的两侧并覆盖所述穿孔21的两端，两个所述套筒32之间间隔，两个所述套筒32与所述穿孔21的孔壁形成一收容腔。所述收容腔内收容有所述机械轴承50及偏摆件60。

所述偏摆件60包括收容筒61及收容于所述收容筒61内的关节轴承62。所述关节轴承62包括外圈621及相对所述外圈621滚动的内圈622。具体的，所述内圈622为球形，其外表面为球面；所述外圈621朝向所述内圈622的一面为与所述内圈622的外表面相对应的球面，使得所述外圈621能相对所述内圈622进行任意角度的滚动。所述内圈622包括一穿孔，所述固定轴31通过所述穿孔穿过所述内圈622，所述内圈622固定于所述固定轴31上。所述外圈621固定于所述收容筒61的内壁。

所述机械轴承50包括内环51及相对所述内环51转动的外环52。所述内环51与所述收容筒61的外壁固定，所述外环52与所述飞轮20的穿孔的内壁固定。所述机械轴承50的数量为至少一个，至少一个所述机械轴承沿轴向方向层叠设置并间隔。本实施例中，所述机械轴承50为两个。所述内环52能够相对所述外环52在所述内环51径向平面内的转动，而不能够相对所述外环51进行轴向方向的运动。当所述飞轮20相对其转动平面摆动时，所述飞轮20通过所述机械轴承50、所述收容筒61以带动与所述收容筒61固定的所述偏摆件的外圈621相对所述内圈621进行偏摆。通过所述偏摆件62使得所述飞轮系统100进行摆动时，所述飞轮20能够更迅速的进行适应性的运动，从而减小所述飞轮20与所述飞轮系统100的摆动不同步时，所述飞轮20对所述机械轴承50的作用，减少所述机械轴承50的磨损，提高所述飞轮系统100的寿命。两个所述套筒32均与所述飞轮20固定连接，通过所述套筒32带动所述飞轮20相对所述固定轴31及所述壳体转动。具体的，所述飞轮系统100外设有一驱动电机，所述驱动电机设于所述转轴30的一端，并驱动靠近所述驱动电机的所述套筒32进行转动，所述套筒32转动带动所述飞轮20相对所述固定轴31及所述壳体10进行转动。

每个所述永磁轴承40包括定子41及与所述定子41相对的转子42。所述定子41与所述转子42均为永磁体，相对于现有技术的电磁轴承来说，所述定子及所述转子的结构均更加的简单。所述定子41与所述转子42的大小结构相同，并沿所述飞轮20的轴线方向层叠设置。所述定子41与所述转子42之间有间隙，且所述定子41与所述转子42之间磁力方向相反，即所述定子41与所述转子42之间产生斥力作用。具体的，所述定子41固定于所述壳体10内壁，所述转子42固定于所述飞轮20上，并与所述飞轮20同轴设置，且随所述飞轮20转动。本实施例中，所述永磁轴承40为两个，分别设于所述飞轮20的两侧。两个所述永磁轴承40的转子42分别固定于所述飞轮20的相对的两个表面，两个所述永磁轴承40的定子41分别固定于所述转子42背离所述飞轮20一侧的所述壳体的内壁上，且所述定子41与所述转子42相对。

由于所述定子41及所述转子42均为永磁铁，所述定子41与所述转子42之间距离相同时，所述定子41与所述转子42之间的斥力大小相同，在所述定子41与所述转子42之间的斥力的作用下，保证所述飞轮20的稳定转动。当所述飞轮系统100产生偏摆时，由于高速转动的所述飞轮20产生陀螺力矩，此时，所述飞轮20不会立即随着所述飞轮系统100进行偏摆，此时，所述飞轮20相对所述壳体10进行偏摆，即所述飞轮20偏离其转动平面。此时，所述飞轮20在所述机械轴承50施加压力，从而使得所述机械轴承50产生磨损，进而缩短所述飞轮系统100的寿命。本发明中，通过在所述飞轮20相对的两侧分别设置一个所述永磁轴承40，当所述飞轮20相对所述壳体10产生偏摆时，所述永磁轴承40的定子41与转子42之间的距离缩短，从而使得所述定子41与所述转子42之间的距离缩短，即所述定子41与所述转子42之间的斥力增大，进而将所述飞轮20推回至其转动平面，避免所述飞轮20的偏摆而对所述机械轴承50产生的压力作用，从而防止所述机械轴承50产生的磨损，延长所述飞轮系统100的寿命。即所述磁悬浮飞轮系统100产生偏摆时，高速转动的所述飞轮20差生的陀螺力矩通过所述永磁轴承传输出去，而不会通过所述机械轴承50传输，防止所述机械轴承50产生的磨损，延长所述飞轮系统100的寿命。本发明中，所述飞轮20产生偏摆时，通过所述定子41与所述转子42之间的斥力，能够使得使所述飞轮20迅速的回复原位，从而使得所述永磁轴承调整保持所述飞轮20的稳定的相应速度快，调整精度高。

本发明中，所述定子41包括多个同轴设置并沿径向堆叠的第一永磁环411，任一个所述第一永磁环411的外径与同其相邻的所述第一永磁环411的内径大小相同，所述第一永磁环411的外径的表面与同其相邻的所述第一永磁环411的内径的表面相贴合。并且，本实施例中，每个所述第一永磁环411的厚度均相同。所述转子42包括多个同轴设置的沿径向堆叠的第二永磁环421，任一个所述第二永磁环421的外径与同其相邻的所述第二永磁环421的内径大小相同；多个所述第一永磁环411与多个所述第二永磁环421一一对应，且每个所述第一永磁环411的内径与同其对应的第二永磁环421的内径相同，每个所述第一永磁环411的外径与同其对应的第二永磁环421的外径相同，每个所述第一永磁环411的厚度与同其对应的第二永磁环421的厚度相同，每个所述第一永磁环411与对应的第二永磁环421之间磁力相斥，从而保证所述定子41与所述转子42之间的距离相同时，所述定子41与所述转子42之间的磁力大小相同，使得位于两个所述永磁轴承40之间所述飞轮20保持稳定。

本发明中，所述第一永磁环411的充磁方向及所述第二永磁环421的充磁方向均为轴向方向。每个所述第一永磁环411的充磁方向与其对应的第二永磁环421的充磁方向相反，从而使得所述定子41与所述转子42之间产生斥力的作用。并且，相邻的两个所述第一永磁环411的充磁方向相反，通过固定件(图中未示出)将充磁方向相反并沿径向方向堆叠的所述第一永磁环411固定在一起，能够增强所述定子41表面的磁力线密度，增强所述定子41表面的磁力。同样的，相邻的两个所述第二永磁环421的充磁方向相反，通过固定件(图中未示出)将充磁方向相反并沿径向方向堆叠的所述第二永磁环421固定在一起，能够增强所述转子42表面的磁力线密度，增强所述转子42表面的磁力，从而使得所述定子41与所述转子42之间的斥力能够支撑高速转动的所述飞轮20稳定转动。通过增强所述定子41与所述转子42表面的磁力，从而能够在所述定子41与所述转子42之间的斥力足以支撑所述飞轮20稳定转动的同时，尽量减小所述定子41与所述转子42的大小，从而能够减小所述磁悬浮飞轮系统100的大小，使所述磁悬浮飞轮系统100更适于小型机器的应用。

进一步的，所述定子41包括第一磁轭(图中未示出)，所述第一磁轭位于所述固定件与多个第一永磁环411之间，且包覆所述多个第一永磁环411除与所述转子42相对的表面外的其他表面，通过所述第一磁轭使得多个所述第一永磁环411朝向所述转子42一侧的磁力线密度增强，从而增强所述定子41与所述转子42之间的斥力大小，从而使所述定子41与所述转子42之间的斥力满足支撑所述飞轮20稳定转动的需求的同时，尽量少的使用所述第一永磁环411，从而减小所述定子41的大小，进而能减小所述飞轮系统100的体积。同样的，所述转子42包括第二磁轭，所述第二磁轭位于所述固定件与多个第二永磁环421之间，且包覆所述多个第二永磁环421除与所述定子41相对的表面外的其他表面，通过所述第二磁轭使得多个所述第二永磁环421朝向所述定子41一侧的磁力线密度增强，从而增强所述定子41与所述转子42之间的斥力大小，从而使所述定子41与所述转子42之间的斥力满足支撑所述飞轮20稳定转动的需求的同时，尽量少的使用所述第二永磁环421，从而减小所述转子42的大小，进而能减小所述飞轮系统100的体积。

本发明还提供另一种磁悬浮飞轮系统200。所述磁悬浮飞轮系统200与所述磁悬浮飞轮系统100的差别在于：所述飞轮20与所述转轴30一体成型。两个所述机械轴承50分别位于所述飞轮20两侧并与所述转轴30固定。所述磁悬浮飞轮系统200还包括两个偏摆块80。两个所述偏摆块80套于所述转轴30上，并分别位于所述飞轮20的两侧。每个所述机械轴承50与一个所述偏摆块80连接，且所述偏摆块80在所述壳体10的内壁进行摆动。换句话说，所述机械轴承50的内环51与所述转轴30固定，所述机械轴承50的外环52与所述偏摆块80连接。其中，所述偏摆块80朝向所述飞轮20的一侧设有一容纳槽81，所述偏摆块80收容于所述容纳槽81内。所述偏摆块80背离所述飞轮20的一侧包括一第一圆弧面82，所述壳体10内壁朝向所述飞轮20的一侧设有与所述第一圆弧面82相对应的第二圆弧面83。并且，所述第一圆弧面82与所述第二圆弧面83共圆心，且所述第一圆弧面82与所述第二圆弧面83的圆心与所述飞轮的中心重合。本实施例中，所述第一圆弧面82为外凸圆弧面，所述第二圆弧面83为内凹圆弧面，所述第一圆弧面82与所述第二圆弧面83贴合，且所述第一圆弧面82在所述第二圆弧面83内摆动。当所述飞轮20相对其转动平面进行偏摆时，所述飞轮20带动所述转轴30进行摆动，所述转轴30通过所述机械轴承40带动所述偏摆件80相对所述壳体10进行偏摆，此时，所述偏摆件80的第一圆弧面82在所述外壳10的第二圆弧面83内进行偏摆。

本发明的所述磁悬浮飞轮系统100或所述磁悬浮飞轮系统200，通过在所述飞轮20的两侧分别设置所述永磁轴承40。使得当所述飞轮20发生偏摆时，通过所述永磁轴承40的定子41与所述转子42之间的斥力的作用，保持所述飞轮20及转轴30在所述壳体10内进行稳定的转动，即使得高速转动的所述飞轮系统100发生偏摆时产生的陀螺力矩通过所述永磁轴承40传递出去，从而防止所述机械轴承50的磨损，延长所述磁悬浮飞轮系统100的使用寿命。

本发明还提供一种球形机器人，所述球形机器人包括球壳及所述的磁悬浮飞轮系统100或者所述磁悬浮飞轮系统200，所述磁悬浮飞轮系统100或所述磁悬浮飞轮系统200位于所述球壳内，通过所述磁悬浮飞轮系统100或所述磁悬浮飞轮系统200中保持所述球壳的稳定，从而使得所述球形机器人在行走的过程中保持稳定。

以上所述为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种磁悬浮飞轮系统，其特征在于，包括壳体、设于所述壳体内的飞轮、转轴、两个永磁轴承及机械轴承；所述转轴穿过所述飞轮的中心，并与所述飞轮同轴固定设置；所述机械轴承与所述转轴同轴且固定，用于支撑所述飞轮的转动；所述飞轮设于两个所述永磁轴承之间；所述机械轴承有两个，两个所述机械轴承均套于所述转轴上，两个所述机械轴承沿轴向方向层叠设置并间隔；每个所述永磁轴承包括定子及与所述定子相对的转子，所述定子与所述转子均为永磁体，所述定子与所述转子沿所述飞轮的轴线方向层叠设置，所述定子与所述转子之间有间隙，所述定子固定于所述壳体内壁，两个所述永磁轴承的转子分别固定于所述飞轮的相对的两个表面并与所述飞轮同轴设置，所述定子与所述转子之间磁力方向相反。

2.如权利要求1所述的磁悬浮飞轮系统，其特征在于，所述飞轮的轴心位置设有一穿孔，所述转轴包括固定轴及套设于所述固定轴外的两个套筒，所述套筒的内径大于所述固定轴，所述固定轴穿过所述穿孔，两个所述套筒分别设于所述飞轮的两侧并覆盖所述穿孔的两端，两个所述套筒均与所述飞轮固定连接，所述固定轴与所述壳体固定，通过所述套筒带动所述飞轮相对所述固定轴及所述壳体转动。

3.如权利要求2所述的磁悬浮飞轮系统，其特征在于，两个所述套筒之间间隔，两个所述套筒与所述穿孔的孔壁形成一收容腔，所述收容腔内收容有所述机械轴承及偏摆件。

4.如权利要求3所述的磁悬浮飞轮系统，其特征在于，所述偏摆件包括收容筒及收容于所述收容筒内的关节轴承，所述机械轴承包括内环及相对所述内环转动的外环，所述内环与所述收容筒的外壁固定；所述关节轴承包括外圈及相对所述外圈滚动的内圈，所述固定轴穿过所述内圈并与所述内圈固定，所述外圈固定于所述收容筒的内壁；所述飞轮相对其转动平面摆动带动所述偏摆件的外圈相对所述内圈进行偏摆。

5.如权利要求1所述的磁悬浮飞轮系统，其特征在于，所述飞轮与所述转轴一体成型，两个所述机械轴承分别位于所述飞轮两侧。

6.如权利要求5所述的磁悬浮飞轮系统，其特征在于，所述磁悬浮飞轮系统包括两个偏摆块，两个所述偏摆块套于所述转轴上，并分别位于所述飞轮的两侧；所述机械轴承设于所述转轴与所述偏摆块之间，所述机械轴承的外圈与所述偏摆块固定，所述机械轴承的内圈与所述转轴固定；所述飞轮相对其转动平面进行偏摆，通过所述机械轴承带动所述偏摆件相对所述壳体进行偏摆。

7.如权利要求6所述的磁悬浮飞轮系统，其特征在于，所述偏摆块背离所述飞轮的一侧包括一第一圆弧面，所述壳体内壁朝向所述飞轮的一侧设有与所述第一圆弧面相对应的第二圆弧面，所述第一圆弧面与所述第二圆弧面相接触；所述飞轮偏摆带动所述偏摆块的第一圆弧面相对所述第二圆弧面摆动。

8.如权利要求7所述的磁悬浮飞轮系统，其特征在于，所述第一圆弧面与所述第二圆弧面共圆心，且所述第一圆弧面与所述第二圆弧面的圆心与所述飞轮的中心重合。

9.如权利要求1-8任一项所述的磁悬浮飞轮系统，其特征在于，所述定子包括多个同轴设置并沿径向堆叠的第一永磁环，任一个所述第一永磁环的外径与同其相邻的所述第一永磁环的内径大小相同；所述转子包括多个同轴设置的沿径向堆叠的第二永磁环，任一个所述第二永磁环的外径与同其相邻的所述第二永磁环的内径大小相同；多个所述第一永磁环与多个所述第二永磁环一一对应，且每个所述第一永磁环的内径与同其对应的第二永磁环的内径相同，每个所述第一永磁环的外径与同其对应的第二永磁环的外径相同；每个所述第一永磁环与对应的第二永磁环之间磁力相斥。

10.一种球形机器人，其特征在于，包括球壳及如权利要求1-9任一项所述的磁悬浮飞轮系统，所述磁悬浮飞轮系统位于所述球壳内并用于保持所述球壳的稳定。