CN110492638B - 多自由度电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多自由度电机，属于电机技术领域，包括转子架、定子座、定子绕组、控制器。转子架为封闭的中空球形，转子架的内壁上设有若干永磁体，转子上设有输出轴；定子座上端设有弧球形的凹槽，凹槽的半径与转子架的半径相适配，定子座内设有第一供压腔，凹槽与第一供压腔通过弧球形的隔板相隔离，隔板上设有若干贯穿的节流孔，定子座内开设有第一供气管路，第一供气管路与第一供压腔相连；定子绕组数量若干，定子绕组设于第一供压腔内；控制器，用于控制气源向所述第一供气管路的通气及定子绕组的通电。本发明提供的多自由度电机，避免了因应用轴承引起的摩擦、碰撞，提高了电机寿命，同时因气流支撑，散热性更好。

Description

多自由度电机

技术领域

本发明属于电机技术领域，更具体地说，是涉及一种多自由度电机。

背景技术

随着现代工业科技水平的发展，多自由度一体化驱动技术得到越来越多的重视。多自由度电机成为重要的研究方向，许多新型多自由度电机不断被研发出来并得到应用。多自由度电机的出现解决了传统上采用多个一维驱动元件实现多自由度运动导致的系统复杂、效率低下、精度不够、费用高昂、动态性能差等缺点。现有的多自由度电机多使用关节轴承作为支撑及连接，使得电动机在做多维运动时，支撑及连接点容易产生摩擦及碰撞，从而导致零件产生磨损，影响电机使用寿命的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多自由度电机，旨在解决现有多自由度电机采用关节轴承作为支撑及连接，导致电机运动过程中产生摩擦及碰撞，影响电机寿命的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种多自由度电机，包括：

转子架，为封闭的中空球形，所述转子架的内壁上设有若干永磁体，所述转子上设有输出轴；

定子座，上端设有弧球形的凹槽，所述凹槽的半径与所述转子架的半径相适配，所述定子座内设有第一供压腔，所述凹槽与所述第一供压腔通过弧球形的隔板相隔离，所述隔板上设有若干贯穿的节流孔，所述定子座内开设有第一供气管路，所述第一供气管路与所述第一供压腔相连；

定子绕组，若干，设于所述第一供压腔内；以及

作为本申请另一实施例，若干所述节流孔沿所述隔板上的圆形曲线均匀布设。

作为本申请另一实施例，所述节流孔倾斜布设，所述节流孔的中轴线的延长线穿过所述转子架的球心。

作为本申请另一实施例，所述节流孔包括圆柱段及与所述圆柱段相连的圆锥段，所述圆锥段远离圆柱段端的截面直径大于圆柱段的截面直径，所述圆锥段位于转子架一侧。

作为本申请另一实施例，所述圆形曲线的圆心和所述凹槽球心的连线与所述圆形曲线上任意一点和凹槽球心的连线夹角为32度。

作为本申请另一实施例，所述第一供压腔为环形槽，所述定子座中部设有第一导流孔，所述第一导流孔用于引导转子架反射的气流流出所述多自由度电机。

作为本申请另一实施例，所述固定座上设有第二供压腔及与所述第二供压腔相连的第二供气管路，气源通过所述第二供气管路向所述第二供压腔供气，所述定子座上设有凸台，所述凸台插设于所述第二供压腔中，所述凸台的外壁与所述第二供压腔的内壁无缝贴合。

作为本申请另一实施例，所述第一导流孔贯穿所述定子座，所述凸台截面为圆环形，所述第二供压腔截面为圆环形，所述固定座中部设有第二导流孔，所述第二导流孔与所述第一导流孔对正。

作为本申请另一实施例，所述永磁体镶嵌于所述转子架内，所述永磁体呈四排八列相间隔布满所述转子架的内壁，且带有N级的所述永磁体与带有S级的所述永磁体交替布设。

作为本申请另一实施例，若干所述定子绕组设于所述隔板上，若干所述定子绕组呈二排八列相间隔布满所述隔板。

本发明提供的多自由度电机的有益效果在于：与现有技术相比，本发明多自由度电机若干永磁体设置在中空球形的转子架内，定子座上端开设弧球形凹槽，凹槽的半径与所述转子架的半径相适配。定子座内设有第一供压腔，第一供压腔与凹槽通过弧形隔板相间隔，隔板上设有若干贯穿的节流孔，定子座内开设有第一供气管路，第一供气管路与第一供压腔相连，控制器控制气源向第一供气管路向第一供压腔供应气体，气体在压力作用通过节流孔将转子架顶起。第一供压腔内设有若干定子绕组，控制器通过定子绕组改变通电策略、电流的方向，使得转子架在磁力作用下偏转或自转，从而实现多自由度运动。在气体浮动的支撑下转子偏转或自转时，避免了因应用轴承引起的摩擦、磨损，提高了电机寿命，同时因气流支撑，散热性更好，有效预防了多自由度电机长时间工作温度过高的情况发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的多自由度电机的结构示意图；

图2为沿图1中B-B线的剖视结构图；

图3为本发明实施例提供的定子座的结构示意图；

图4为沿图3中D-D线的剖视结构图；

图5为沿图4中的E局部放大图；

图6为本发明实施例提供的固定座的结构示意图；

图7为沿图6中的A-A线的剖视结构图。

图中：1、转子架；2、定子座；3、固定座；6、输出轴；8、隔板；9、节流孔；10、第二供气管路；11、第一供气管路；12、定子绕组；13、第一供压腔；14、永磁体；15、第二供压腔；16、第一导流孔；17、凸台；18、第二导流孔18。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。

请一并参阅图1及图2，现对本发明提供的多自由度电机进行说明。所述多自由度电机，包括转子架1、定子座2、定子绕组12、控制器。转子架1为封闭的中空球形，转子架1的内壁上设有若干永磁体14，转子上设有输出轴6；定子座2上端设有弧球形的凹槽，凹槽的半径与转子架1的半径相适配，定子座2内设有第一供压腔13，凹槽与第一供压腔13通过弧球形的隔板8相隔离，隔板8上设有若干贯穿的节流孔9，定子座2内开设有第一供气管路11，第一供气管路11与第一供压腔13相连；定子绕组12数量若干，定子绕组12设于第一供压腔13内；控制器，用于控制气源向所述第一供气管路11的通气及定子绕组12的通电。

本发明提供的多自由度电机，与现有技术相比，若干永磁体14设置在中空球形的转子架1内，定子座2上端开设弧球形凹槽，凹槽的半径与所述转子架1的半径相适配。定子座2内设有第一供压腔13，第一供压腔13与凹槽通过弧形隔板8相间隔，隔板8上设有若干贯穿的节流孔9，定子座2内开设有第一供气管路11，第一供气管路11与第一供压腔13相连，控制器控制气源向第一供气管路11向第一供压腔13供应气体，气体在压力作用通过节流孔9将转子架1顶起。第一供压腔13内设有若干定子绕组12，控制器通过定子绕组12改变通电策略、电流的方向，使得转子架1在磁力作用下偏转或自转，从而实现多自由度运动。在气体浮动的支撑下转子偏转或自转时，避免了因应用轴承引起的摩擦、磨损，提高了电机寿命，同时因气流支撑，散热性更好，有效预防了多自由度电机长时间工作温度过高的情况发生。

本实施例中，气源与供气泵相连，供气泵与第一电控调压阀相连，第一电控调压阀与第一供气管路11相连，控制器通过控制供气泵及第一电控调压阀，从而可以调节通入第一供压腔13的气压，从而调节转子架1与定子座2的间隙，进而保证定子绕组12与永磁体14的间隙。有利于保证多自由度电机的性能。

作为本发明提供的多自由度电机的一种具体实施方式，请参阅图3至图4，若干节流孔9沿所述隔板8上的圆形曲线均匀布设。节流孔9沿圆形曲线均匀布设，多点均匀气动支撑转子架1，使得支撑更加稳定。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图3至图4，节流孔9倾斜布设，节流孔9的中轴线的延长线穿过转子架1的球心。节流孔9的出气方向朝向转子架1的球心，在没有磁力作用时，可使得转子架1保持正中位置，使得控制器对转子架1的偏转控制更加准确。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图3至图5，节流孔9包括圆柱段及与所述圆柱段相连的圆锥段，圆锥段远离圆柱段端的截面直径大于圆柱段的截面直径，圆锥段位于转子架一侧。

刚开始对转子架1进行气动支撑时，第一供压腔13内的气压较大，但随着转子架1与定子座2的间隙调整到合适位置后，第一供压腔13内的气压就会与转子架1与定子座2的间隙的气压逐渐均衡，此时就可能出现气体回流问题，将节流孔9设计为圆柱段与圆锥段过渡连接，且圆锥段远离圆柱段端的截面直径大于圆柱段的截面直径，可有效避免气体回流。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，参阅图3及图4，圆形曲线的圆心和凹槽球心的连线与圆形曲线上任意一点和凹槽球心的连线夹角为32度。将圆形曲线设计为此位置，若干节流孔9沿圆周均匀设置在圆形曲线上，不仅可以使电动机承载能力大，且能减少供压气体消耗。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，参阅图2至图4，第一供压腔13为环形槽，定子座2中部设有第一导流孔16，第一导流孔16用于引导转子架1反射的气流流出多自由度电机。

由节流孔9流出的气流在与转子架1接触后会分别向转子架1底部和转子架1侧面流动，朝转子架1侧面流动的气体会流出转子架1与定子座2的间隙，而不同节流孔9流向转子架1底部的气体相遇如果不能流出则容易引起混流，从而影响转子架1的稳定性。各个方向流入转子架1底部的气体相遇碰撞后部分会向下流动，设置第一导流孔16将该部分气体导出，提高了转子架1的稳定性。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，参阅图2至图7，多自由度电机还包括固定座3，固定座3上设有第二供压腔15及与第二供压腔15相连的第二供气管路10，气源通过第二供气管路10向第二供压腔15供气，定子座2上设有凸台17，凸台17插设于第二供压腔15中，凸台17的外壁与第二供压腔15的内壁无缝贴合。

本实施例中，通过向第二供压腔15供气，可推动定子座2随凸台17沿第二供压腔15移动，从而提高转子架1上输出轴6的高度，为多自由度电机增加了竖直方向的自由度。第二供气管路10与第二电控调压阀相连，第二电控调压阀与供气泵相连，控制器通过第二电控调压阀控制第二供压腔15内的压力。第二供压腔15与第一供压腔13采用相同的气源，在未增加其他动力源的情况下，增加了多自由电机的竖直自由度。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，参阅图2至图7，第一导流孔16贯穿所述定子座2，凸台17截面为圆环形，第二供压腔15为圆环形，固定座3中部设有第二导流孔18，第二导流孔18与第一导流孔16对正。第一导流孔16与第二导流孔18对正形成了将气体导出的通路。定子座2与凸台17的交接面与环形第二供压腔15内柱体的上端面搭接，在第二供压腔15不进行供气时对定子座2起支撑作用。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，参阅图2，永磁体14镶嵌于转子架1内，永磁体14呈四排八列相间隔布满转子架1的内壁，且带有N级的所述永磁体14与带有S级的所述永磁体14交替布设。

本实施例中的中空球形转子架1可通过两个半球形板安装好永磁体14后无缝焊接制成。将隔板8设计为半球形，将永磁体14均匀布满转子架1可增加转子架1转动的空间范围。本发明所设计的多自由度电机结构最大偏转范围可到达±90度。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，参阅图2，若干定子绕组12设于隔板8上，若干定子绕组12呈二排八列相间隔布满隔板8。

本实施例中，将永磁体14呈四排八列相间隔布满转子架1的内壁，定子绕组12呈二排八列相间隔布满隔板8。当转子架1处于正中位置时，两排定子绕组12全部通电，定子绕组12通电后对于永磁体14产生切向的磁力，从而实现转子架1的自转，带动输出轴6自转。若需要转子架1偏转时，仅将沿隔板8中心线相对称的两列定子绕组12通电，从而使得转子架1沿通电的定子绕组12相连形成的弧形方向偏转。例如图2所示，仅对图2中所能看到的定子绕组12通电，则转子架1将沿图2中截面所示的隔板8的弧形方向偏转。通过改变定子绕组12的通电策略，实现不同自由度的运动。

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 (7)

1.多自由度电机，其特征在于，包括：

转子架，为封闭的中空球形，所述转子架的内壁上设有若干永磁体，所述转子上设有输出轴；

定子座，上端设有弧球形的凹槽，所述凹槽的半径与所述转子架的半径相适配，所述定子座内设有第一供压腔，所述凹槽与所述第一供压腔通过弧球形的隔板相隔离，所述隔板上设有若干贯穿的节流孔，所述定子座内开设有第一供气管路，所述第一供气管路与所述第一供压腔相连，所述第一供压腔为环形槽，所述定子座中部设有第一导流孔，所述第一导流孔用于引导转子架反射的气流流出所述多自由度电机；

固定座，所述固定座上设有第二供压腔及与所述第二供压腔相连的第二供气管路，气源通过所述第二供气管路向所述第二供压腔供气，所述定子座上设有凸台，所述凸台插设于所述第二供压腔中，所述凸台的外壁与所述第二供压腔的内壁无缝贴合；所述第一导流孔贯穿所述定子座，所述凸台截面为圆环形，所述第二供压腔为圆环形，所述固定座中部设有第二导流孔，所述第二导流孔与所述第一导流孔对正；

定子绕组，若干，设于所述第一供压腔内；以及

控制器，用于控制气源向所述第一供气管路的通气及定子绕组的通电。

2.如权利要求1所述的多自由度电机，其特征在于，若干所述节流孔沿所述隔板上的圆形曲线均匀布设。

3.如权利要求2所述的多自由度电机，其特征在于，所述节流孔倾斜布设，所述节流孔的中轴线的延长线穿过所述转子架的球心。

4.如权利要求3所述的多自由度电机，其特征在于，所述节流孔包括圆柱段及与所述圆柱段相连的圆锥段，所述圆锥段远离圆柱段端的截面直径大于圆柱段的截面直径，所述圆锥段位于转子架一侧。

5.如权利要求3所述的多自由度电机，其特征在于，所述圆形曲线的圆心和所述凹槽球心的连线与所述圆形曲线上任意一点和凹槽球心的连线夹角为32度。

6.如权利要求1所述的多自由度电机，其特征在于，所述永磁体镶嵌于所述转子架内，所述永磁体呈四排八列相间隔布满所述转子架的内壁，且带有N级的所述永磁体与带有S级的所述永磁体交替布设。

7.如权利要求1所述的多自由度电机，其特征在于，若干所述定子绕组设于所述隔板上，若干所述定子绕组呈二排八列相间隔布满所述隔板。

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