CN110224566A - 一种采用简化Halbach永磁体阵列的三自由度球形电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用简化Halbach永磁体阵列的三自由度球形电机，结构上分为球壳形定子和球形转子两大模块，其中球壳形定子采用框形线圈，无上半部分线圈的三自由度永磁球形电机，转子支撑机构采用可调节进给量的球轴承，定子线圈绕制成框形，转子永磁体采用有间隙的简化Halbach永磁体阵列，各永磁体均为正方体。本发明可以支撑不同直径的球形转子，具有较大的转子的俯仰运动范围，产生的定子磁场间隙小，电磁力盲区小，同时由于各永磁体尺寸一致，可以在制造时采用同一模具成形，同一方向充磁，大幅降低制造成本。

Description

一种采用简化Halbach永磁体阵列的三自由度球形电机
技术领域
本发明属于球形电机设计制造技术领域，具体涉及一种转子采用简化Halbach永磁体阵列，定子采用框形线圈的三自由度永磁球形电机。
背景技术
电动机以其能源传输的便利性，控制的准确性，与计算机结合的直接性，作为工业领域主要的动力来源，推动工业进步的同时也在不断适应着工业应用提出的新要求。随着产业自动化对工业机器人，特别是多自由度运动机械臂的现实要求发展，电机的运动方式从单纯的一维圆周旋转开始向多自由度运动发展。与采用多个单自由度电机串/并联组合，每台电机分别执行一个维度运动不同，球形电机能够以单台电机执行多自由度运动。并且由于其结构紧凑，不存在运动误差积累，运动方式灵活，特别适用于安装或运动空间狭小场合，在机器人手臂、关节等领域具有广泛的应用前景。
迄今为止国内外学者在球形电机的设计制造方面进行了广泛的探索，取得了丰富的经验积累，产生了多种多样的球形电机，其中以永磁球形电机最为多见。但目前永磁球形电机存在以下几个方面的问题：(1)转子俯仰运动的范围较小。(2)线圈采用集中绕制在圆柱线轴上的圆柱形结构，线圈与线圈之间间隙较大且分布不均匀不同，导致定子磁场存在不均匀大小的间隙，产生电磁力盲区。同时由于定子驱动线圈分布分散，转子不得不采用永磁体数量较多的设计，由此造成电机磁场十分复杂，通电控制困难，转子产生的力矩较小。(3)Halbach永磁体阵列由于其磁场正弦度高的优点，特别适合应用于球形电机。但由于转子球形的空间结构，标准的Halbach阵列要求永磁体结构上为截面扇形，一个侧面为球面的复杂多面体，且充磁方向有多个不同方向，因而导致转子的制造难度和成本大增。例如，以已公开的发明专利CN200810053083作为对比，对比专利的定子采用三层圆柱线圈，首先上层线圈与下层线圈产生电磁力的效果一致，上层线圈的控制作用完全可以由球形对称位置的下层线圈替代完成，而其存在对转子的俯仰运动范围存在明显的限制；其次圆柱线圈产生的磁场存在明显的间隔，且中层与上下层线圈的磁场间隔大小不一致。针对这一问题，本发明取消了上半球面的定子线圈，扩大了转子俯仰运动范围；采用框型线圈，保证定子线圈磁场无间隙覆盖转子球面。对比专利的转子永磁体采用扇形Halbach永磁体阵列，一共有4种不同的充磁方向，其中2种的方向难以准确充磁，带来较高的制造成本；且各永磁体直接紧密接触，安装较困难。针对此问题，本发明采用全立方体的简化Halbach永磁体阵列，降低了制造成本和安装难度。
受制于以上问题未能得到很好的解决，永磁球形电机目前尚难以实现产业化及广泛应用。
发明内容
为解决上面提到的问题，本发明提出一种采用简化Halbach永磁体阵列的三自由度球形电机。
本发明所采用具体技术方案如下：一种采用简化Halbach永磁体阵列的三自由度球形电机，结构上分为球壳形定子和球形转子两大模块，所述球壳形定子包括定子壳体、电机底座、通孔、万向球和调节万向球进给量的转子顶杆、上层定子线圈及上层线圈线轴、下层定子线圈及下层线圈线轴、转子球体、转子力矩输出轴、简化Halbach永磁体阵列、球面盖片和双头螺母；
定子壳体为安装在电机底座上的，内腔为球形，顶部有较大开口的非铁磁性壳体，底部对称设置有通孔，用于安放支撑球形转子的万向球和调节万向球进给量的转子顶杆，定子壳体赤道一周和与赤道平行的一个下方圆周放置有若干上层定子线圈及下层定子线圈，上层定子线圈及下层定子线圈分别绕制在上层线圈线轴及下层线圈线轴上，通过上层线圈线轴及下层线圈线轴固定在定子壳体上；
转子球体安放在定子壳体腔内，通过万向球与定子壳体滑动接触，通过调节转子顶杆进给量改变万向球的球心位置，可以方便的调整定子壳体和球形转子的同心度，及支撑不同直径的球形转子，简化Halbach永磁体阵列浅埋在转子球体赤道一周，并用球面盖片覆盖，转子力矩输出轴通过双头螺母安装在转子球体上。
其中，所述球壳形定子，壳体的赤道位置和下半球面沿圆周均匀分布有驱动线圈，取消了上半球面的定子线圈，定子壳体顶部开口得以扩大，增大了转子的俯仰运动范围，并给位置、力矩检测传感器留有较大的安装空间。
其中，所述球壳形定子，采用绕制在框形线轴上的框形线圈，基本无缝覆盖定子内腔球面，上下层、左右邻近线圈之间间隙小，所产生的定子磁场间隙小，产生电磁力盲区小。
其中，所述球形转子为一个嵌放有永磁体的球壳，转子永磁体为多块立方体，视充磁方向按照Halbach规律，环形排列在转子球体赤道一周，在保证气隙磁密波形不发生严重恶化的情况下，所有永磁体采用同一尺寸的正方体结构，采用同一模具成形，同一方向充磁，仅在嵌放进转子时按Halbach方式排列。
采用本发明可以实现的技术效果有：
1.采用可调节球轴承支撑结构，方便调节定转子同心度，及支撑不同直径的球形转子。
2.取消了定子的上半部线圈，扩大了转子的俯仰运动范围，并给位置、力矩检测等传感器留有较大的安装空间。
3.线圈绕制成框形，上下层、左右邻近线圈之间间隙小，所产生的定子磁场间隙小，产生电磁力盲区小。
4.采用有间隙的简化Halbach永磁体阵列。由于各永磁体尺寸一致，可以在制造时采用同一模具成形，同一方向充磁，仅需在安装时按Halbach方式排列，由此大幅降低制造成本。
附图说明
图1是采用Halbach永磁体阵列的三自由度球形电机整体结构图；
图2是球壳形定子结构图；
图3是中层线圈结构图；
图4是下层线圈结构图；
图5是顶杆和万向球结构图；
图6是球形转子结构图；
图7是简化Halbach永磁体排布和磁密波形对比，其中，图7(a)是永磁体位置和充磁方向关系图，图7(b)是本发明所采用简化Halbach永磁体和简化前的扇形Halbach永磁体、非Halbach阵列的矩形、圆柱形永磁体产生气隙磁密波形图对比。
附图标记：1为定子壳体，2为电机底座，3为通孔，4为万向球，5为转子顶杆，6为上层定子线圈，7为上层线圈线轴，8为下层定子线圈，9为下层线圈线轴，10为转子球体，11为转子力矩输出轴，12为简化Halbach永磁体阵列，13为球面盖片，14为双头螺母。
具体实施方式
以下结合具体附图对本发明作进一步说明。
本发明一种采用简化Halbach永磁体阵列的三自由度球形电机，结构上分为球壳形定子和球形转子两大模块。其中球壳形定子包括定子壳体，定子线圈，转子顶杆等组件，球形转子包括转子磁钢，转子球体，输出杆等组件。
所述球壳形定子为一个安装在电机底座上的，内腔为球形，顶部有较大开口的非铁磁性壳体。壳体底部对称设置有通孔，用于安放支撑球形转子的万向球，和调节万向球进给量的顶杆。通过调节顶杆进给量改变万向球的球心位置，可以方便的调整定子壳体和转子球体的同心度，及支撑不同直径的球形转子。由于球形电机进行俯仰运动时任一线圈的电流都可以由球形对称位置的另一线圈通相反方向电流代替，与已有的球形电机沿赤道面上下两半球对称分布线圈不同，本发明在定子壳体的赤道位置和下半球面沿圆周均匀分布有驱动线圈，取消了定子上半球面的线圈。在取消了上半球面的线圈后，定子壳体顶部开口得以扩大，增大了转子的俯仰运动范围，并给位置、力矩检测等传感器留有较大的安装空间。与已有的球形电机定子采用集中绕制在圆柱线轴上的圆柱形线圈不同，本发明采用绕制在框形线轴上的框形线圈，基本无缝覆盖定子内腔球面，上下层、左右邻近线圈之间间隙小，所产生的定子磁场间隙小，产生电磁力盲区小。
所述球形转子为一个沿赤道一周均匀嵌放有永磁体，顶部安装有力矩输出杆的球体。所采用的永磁体按照Halbach阵列规律排布。在保证气隙磁密波形不发生严重恶化的情况下，所有永磁体采用同一尺寸的正方体结构。如此设计可以实现所有永磁体同一模具成形，同一方向充磁，仅在嵌放进转子时按Halbach方式排列。由于磁钢向球面一侧也不为球面，需要用一个固定在止口端面上的球面盖片填充。转子球体内部挖出一个不贯通的圆柱空腔，用以降低转子整体质量和转动惯量。采用一个双头螺母安装转子力矩输出轴，螺母的一端安装在圆柱空腔底面，另一端安装在转子力矩输出轴的底部。
如图1所示的一台采用简化Halbach永磁体阵列的三自由度球形电机，结构上分为球壳形定子和球形转子两大模块。球壳形定子包括定子壳体1，电机底座2，定子线圈(包括上层定子线圈6、上层线圈线轴7、下层定子线圈8、下层线圈线轴9)，转子顶杆5等，球形转子包括转子球体10，转子力矩输出轴11，简化Halbach永磁体阵列12等。
图1中的球壳形定子详细结构如图2所示，定子球壳1为一个顶部开口，有球形内腔的壳体，样机的定子球壳采用PC材料制成。定子的赤道上设置有一圈12个上层定子线圈6，上层定子线圈之间的经度夹角为30°。在上层定子线圈下方有一圈12个下层定子线圈8，下层定子线圈之间的经度夹角为30°，上层定子线圈6与下层定子线圈8之间的维度夹角为30°。在定子球壳的底部对称设置有五个通孔3，用于安放支撑球形转子的万向球4，和调节万向球进给量的转子顶杆5。
图2中所示上层定子线圈6的详细结构如图3所示，其剖面结构为一个H形线轴上绕制集中式绕组。为更好贴合转子球面，上层线圈线轴7的内表面为球面结构。为使定子线圈更全面覆盖空间球面，上层线轴的轴和外框为方形，其上绕制定形之后的上层线圈绕线也为球面框形。
图2中所示下层定子线圈8的详细结构如图4所示，其剖面结构也为一个H形线轴上绕制集中式绕组，线轴的内表面也为球面结构。与位于赤道面上的上层定子线圈6、上层线圈线轴7不同，下层定子线圈8和下层线圈线轴9为上大下小的球面梯形。
图1中的球形转子详细结构如图6所示，转子通过图5所示的安装在定子球壳底部万向球4和转子顶杆5与定子滑动接触。转子球体10顶部安装有转子力矩输出轴11，转子球体10内部有一个不贯通的圆柱空腔，双头螺母14一端安装在圆柱空腔底面，另一端安装在转子力矩输出轴11的底部。转子球体10沿赤道一周嵌放有简化Halbach永磁体阵列12，永磁体向球面一侧用四段固定在止口端面上的球面盖片13填充，并打磨圆滑。
图6中所示的简化Halbach永磁体阵列12充磁排列情况如图7所示，所有永磁体为同一尺寸的正方体结构，嵌放进转子时根据按Halbach方式排列。所示样机转子设计为磁场八极，共采用十六块正方体永磁体排列而成。在径向厚度相同情况下比较，本发明所采用简化Halbach永磁体阵列12与标准扇形Halbach永磁体阵列、八块矩形、八个圆柱体永磁体所产生的气隙磁密波形对比如图7。

Claims (4)

1.一种采用简化Halbach永磁体阵列的三自由度球形电机，其特征在于：结构上分为球壳形定子和球形转子两大模块，所述球壳形定子包括定子壳体(1)、电机底座(2)、通孔(3)、万向球(4)和调节万向球(4)进给量的转子顶杆(5)、上层定子线圈(6)及上层线圈线轴(7)、下层定子线圈(8)及下层线圈线轴(9)、转子球体(10)、转子力矩输出轴(11)、简化Halbach永磁体阵列(12)、球面盖片(13)和双头螺母(14)；
定子壳体(1)为安装在电机底座(2)上的，内腔为球形，顶部有较大开口的非铁磁性壳体，底部对称设置有通孔(3)，用于安放支撑球形转子的万向球(4)和调节万向球(4)进给量的转子顶杆(5)，定子壳体(1)赤道一周和与赤道平行的一个下方圆周放置有若干上层定子线圈(6)及下层定子线圈(8)，上层定子线圈(6)及下层定子线圈(8)分别绕制在上层线圈线轴(7)及下层线圈线轴(9)上，通过上层线圈线轴(7)及下层线圈线轴(9)固定在定子壳体(1)上；
转子球体(10)安放在定子壳体(1)腔内，通过万向球(4)与定子壳体(1)滑动接触，通过调节转子顶杆(5)进给量改变万向球(4)的球心位置，可以方便的调整定子壳体(1)和球形转子的同心度，及支撑不同直径的球形转子，简化Halbach永磁体阵列(12)浅埋在转子球体(10)赤道一周，并用球面盖片(13)覆盖，转子力矩输出轴(11)通过双头螺母(14)安装在转子球体(10)上。
2.根据权利要求1所述的一种采用简化Halbach永磁体阵列的三自由度球形电机，其特征在于：所述球壳形定子，壳体的赤道位置和下半球面沿圆周均匀分布有驱动线圈，取消了上半球面的定子线圈，定子壳体顶部开口得以扩大，增大了转子的俯仰运动范围，并给位置、力矩检测传感器留有较大的安装空间。
3.根据权利要求1所述的一种采用简化Halbach永磁体阵列的三自由度球形电机，其特征在于：所述球壳形定子，采用绕制在框形线轴上的框形线圈，基本无缝覆盖定子内腔球面，上下层、左右邻近线圈之间间隙小，所产生的定子磁场间隙小，产生电磁力盲区小。
4.根据权利要求1所述的一种采用简化Halbach永磁体阵列的三自由度球形电机，其特征在于：所述球形转子为一个嵌放有永磁体的球壳，转子永磁体为多块立方体，视充磁方向按照Halbach规律，环形排列在转子球体赤道一周，在保证气隙磁密波形不发生严重恶化的情况下，所有永磁体采用同一尺寸的正方体结构，采用同一模具成形，同一方向充磁，仅在嵌放进转子时按Halbach方式排列。
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