CN111585409A - 一种球形万向电动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球形万向电动机，包括：球形转子以及定子外壳，球形转子设置在定子外壳中，定子外壳与球形转子通过磁性吸引连接且与球形转子的球体表面形成磁间隙，球形转子可在定子外壳中万向转动；球形转子的球体表面划分为相间排列的正磁极区和负磁极区；定子外壳内侧设置有多个定子线圈，多个定子线圈通电条件下产生定子磁极；同等弧度下，定子外壳的定子磁极数量大于球形转子的转子磁极数量。本发明的球形万向电动机能够多角度自由无限制的转动，结构简单、使用方便，适合推广应用。

Description

一种球形万向电动机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种球形万向电动机。

背景技术

目前，空间内多维运动设备广泛发展，为了实现多角度自由运动，通常需要多个电动机相互配合并辅以机械传动机构的助力才能实现空间内的多维自由运动。这种多维运动的系统的运行效率低、使用体积大、动能转化率低、控制程序繁复而且反应慢。为了提高空间内多维运动的效率，球形电机的发展成为了本领域人员的积极研究方向。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种球形万向电动机，能够多角度自由万向转动。

根据本发明的一个方面，提供了一种球形万向电动机，包括：球形转子以及定子外壳，球形转子设置在定子外壳中，定子外壳与球形转子通过磁性吸引连接且与球形转子的球体表面形成磁间隙，球形转子可在定子外壳中万向转动；球形转子的球体表面划分为相间排列的正磁极区和负磁极区；定子外壳内侧设置有多个定子线圈，多个定子线圈通电条件下产生定子磁极；同等弧度下，定子外壳的定子磁极数量大于球形转子的转子磁极数量。

可选择地，多个定子线圈与控制电路连接，任意一个定子线圈可被控制电路选择作为激励线圈或测量线圈；测量线圈依次遍历全部激励线圈以获取球形转子转动引起的激励线圈间的相位角度的变化并反馈给控制电路；控制电路根据激励线圈间相位角度的变化切换激励线圈的激励电流的通电状态，激励线圈在激励电流的作用下产生定子磁极对球形转子产生推力和吸力。

可选择地，球形转子的正磁极区为正极磁铁或产生正极磁极的线圈，负磁极区为负极磁铁或产生负极磁极的线圈。

可选择地，正磁极区、负磁极区为形状相同的多边形；任一磁极区与相邻的多个磁极区的磁极不同相。

可选择地，定子外壳为球形壳体或半球形壳体，定子外壳为半球形壳体时，定子外壳内腔的深度大于球形转子的半径。

可选择地，定子外壳包括定子动力部和承重部，定子动力部为罩在球形转子上的弧面凹槽，定子线圈设置在定子动力部内侧，定子动力部与球形转子的球体表面形成磁间隙；承重部套设在球形转子的圆周外侧与球形转子表面接触。

可选择地，定子外壳还包括设置于定子动力部和承重部之间的自清洁润滑部，自清洁润滑部上设置有若干开口。

可选择地，定子外壳还包括设置于定子动力部和承重部之间的检测部，检测部内侧设置有若干声传感器和若干光传感器，光传感器用于探测球形转子表面的光线变化，声传感器用于探测转子内部的回声。

可选择地，自清洁润滑部、检测部、承重部的内侧也设置有定子线圈。

本发明的球形万向电动机能够多角度自由无限制的转动，结构简单、使用方便，适合推广应用。

本发明的球形万向电动机的承载部与转子接触可能会产生摩擦，为此本申请将定子外壳设计为模块化定子，其中的清洁部可向转子喷涂润滑油以减少转子与定子外壳间的摩擦，有效减少球形转子磨损量，延长使用寿命。

清洁部可向球形转子喷洒清洁介质清洁球形转子以维持球形转子的运行状态，检测部实时监测球形转子的运行状态以保证球形转子的安全运行。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本申请的球形万向电动机的结构示意图；

图2是本申请的球形万向电动机的剖视图图；

图3是实施例中球形万向电动机的结构爆炸示意图；

图4是实施例中球形万向电动机的另一个角度的结构爆炸示意图；

图5是实施例中球形万向电动机的剖视图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征向量可以相互任意组合。

目前，国内的球形电机的研究总是无法突破控制变量太多、转动角度受限、成本高、不利于实际应用的问题，例如通过控制定子绕组电流实现球形转机转动对于各绕组电流的控制问题，直流型电机的耦合问题导致的转子的偏角、转动角度及转矩均受限，目前为了扩宽球形电机的转动角度采用的电动机的结构较为复杂，却依然难以实现球形电动机多角度自由万向转动。同时，球形电机应用范围广泛化发展的必然趋势，现有的球形电机的承载力较差也成了球形电机向高速、更高速方向发展难以克服的瓶颈性问题。

为此，本申请提供了一种球形万向电动机，包括：球形转子以及定子外壳，球形转子设置在定子外壳中，定子外壳与球形转子通过磁性吸引连接且与球形转子的球体表面形成磁间隙，球形转子可在定子外壳中万向转动。球形转子的球体表面划分为相间排列的正磁极区和负磁极区。定子外壳内侧设置有多个线圈，多个线圈通电条件下产生磁极。同等弧度下，定子外壳的磁极数量大于球形转子的磁极数量。本发明的球形万向电动机能够多角度自由无限制的转动，结构简单、使用方便，适合推广应用。

如图1所示，本申请的球形万向电动机，包括：球形转子100以及定子外壳200，球形转子100设置在定子外壳200中，定子外壳200与球形转子100通过磁性吸引连接且与球形转子100的球体表面形成磁间隙，球形转子100可在定子外壳200中万向转动。球形转子100的球体表面划分为相间排列的正磁极区110和负磁极区120。定子外壳200内侧设置有多个定子线圈300，多个定子线圈300通电条件下产生磁极；同等弧度下，定子外壳200内侧的定子磁极数量大于球形转子100的转子磁极的数量。

作为一种示例，定子外壳200的多个定子线圈300与控制电路连接，任意一个定子线圈300可被控制电路选择作为激励线圈或测量线圈；测量线圈依次遍历全部激励线圈以获取球形转子100转动引起的激励线圈间的相位角度的变化并反馈给控制电路；控制电路根据激励线圈间相位角度的变化切换激励线圈的激励电流的通电状态，激励线圈在激励电流的作用下产生磁极对球形转子100产生推力和吸力。

定子线圈300包括中空电磁线圈和设置于中空电磁线圈内的铁芯，中空电磁线圈控制电路连接，控制电路的电流为交变电流，控制电路变换电流使得激励线圈产生交变电磁场。球形转子100在定子外壳200中转动时，控制电路根据激励线圈间相位角度的变化控制激励线圈电极的电流，激励线圈根据交变电流的变化产生不同极性的磁极，使得定子外壳200上对球形转子同时产生斥、吸两种作用力。

作为一种示例，多个定子线圈300呈圆周排列在定子外壳200的内侧，相邻的定子线圈300的距离相同，球形转子100在定子外壳200中转动时，相邻的定子线圈对球形转子产生的斥、吸力相反。

作为一种示例，球形转子100的正磁极区110为正极磁铁或产生正极磁极的线圈，负磁极区120为负极磁铁或产生负极磁极的线圈。

正磁极区110、负磁极区120为形状相同的多边形；球形转子100的任一磁极区与相邻的多个磁极区磁极相反。举例来说，正磁极区110、负磁极区120可以为正六边形、正五边形、等边三角形、弧三角形等，具体地，正磁极区110、负磁极区120的区域划分可根据实际应用需求设置。

基于上述示例，一种可行的实施方式中，如图2所示，本申请的万向电动机的球形转子100由永磁体拼接而成，相邻的永磁体的磁极相反。

基于上述示例，一种可行的实施方式中，球形转子100的正磁极区110设置有外凸起的正极永久磁铁，正极永久磁铁设置在正磁极区110的中心位置。球形转子100的负磁极区120设置有向外凸起的负极永久磁铁，负极永久磁铁设置在负磁极区120的中心位置。

基于上述示例，一种可行的实施方式中，球形转子100的正磁极区110的中心位置设置有转子线圈，正磁极区110的转子线圈通电产生正极磁极；球形转子100的负磁极区120的中心位置设置有转子线圈，负磁极区120的转子线圈通电产生负极磁极。

基于上述示例，一种可行的实施方式中，球形转子100的球体表面划分若干个磁极区，每个磁极区中设置有一个转子线圈；转子线圈与交流电源连接，转子线圈可交替产生正极磁极或负极磁极。转子线圈产生的磁极总是与相邻的转子线圈产生的磁极的极性相反。

基于以上示例，球形转子100上的正极磁极的数量和负极磁极的数量相同，球形转子100上的磁极数量为偶数。

作为本申请的一个优选示例，球形转子100上的磁极数为4的偶数倍；定子外壳200内侧的磁极数量为9的奇数倍。定子外壳200内侧的磁极数量大于球形转子100的磁极数量。举例来说，球形转子100的磁极数量为8或16，定子外壳200内侧的磁极数量27。

其中，本申请的定子外壳200可以为球形壳体或半球形壳体。定子外壳200为半球形壳体时，定子外壳200的空腔深度大于球形转子100的半径。

作为一种示例，本申请的定子外壳200为球形壳体时，定子外壳200可以为封闭式壳体。

作为一种示例，如图3～5所示，本申请的定子外壳200为半球形壳体，定子外壳200包括定子动力部210和承重部240，定子动力部210为罩在球形转子100上的弧面凹槽，定子线圈300设置在定子动力部内侧，定子动力部210与球形转子100的球体表面形成磁间隙；承重部220套设在球形转子100的圆周外侧与球形转子100表面接触。本申请的万向电动机通过设置承载部240提高了球形电动机的承载力，克服了现有球形电动机承载力较大的问题。

基于上述示例，一种可行的实时方式中，如图3～5所示，定子外壳还包括设置于定子动力部210和承重部240之间的自清洁润滑部220，自清洁润滑部220上设置有若干开口，本申请的万向电动机设置自清洁润滑部230，可通过自清洁润滑部220的开口向球形转子100表面吹入空气或喷淋其它清洁介质以清洁球形转子100与定子外壳200之间的磁间隙，也可以通过自清洁润滑部220的开口向球形转子100表面喷淋润滑介质以减小球形转子100与定子外壳200的摩擦阻力，保证球形转子200能够在定子外壳200中多角度自由无限制的顺畅转动。

基于上述示例，一种可行的实时方式中，如图3～5所示，定子外壳200还包括设置于定子动力部210和承重部240之间的检测部230，检测部230内侧设置有若干声传感器和若干光传感器，光传感器用于探测球形转子100表面的光线变化，声传感器用于探测球形转子100内部的回声，本申请的万向电动机通过设置检测部230检测电动机的运行状态。

基于以上两个示例，一种可行的实时方式中，自清洁润滑部220、检测部230、承重部的内侧也可以设置有定子线圈300。

作为本申请的一个实施例，本申请的定子外壳200为半球形壳体，包括沿圆周方向由上向下顺序设置的定子动力部210、自清洁润滑部220、检测部230和承重部250。

本申请的万向电动机的球形转子100的偏角、转动角度及转矩不受限，能够多角度自由万向转动。同时，本申请的定子外壳200设计为模块化定子，能够提高球形电动机的承载力，克服了现有球形电动机承载力较大的问题。适合应用于汽车、运输、卫星等领域。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种球形万向电动机，其特征在于，包括：球形转子(100)以及定子外壳(200)，所述球形转子(100)设置在所述定子外壳(100)中，所述定子外壳(200)与所述球形转子(100)通过磁性吸引连接且与所述球形转子(100)的球体表面形成磁间隙，所述球形转子(100)可在所述定子外壳(200)中万向转动；

所述球形转子(100)的球体表面划分为相间排列的正磁极区(110)和负磁极区(120)；

所述定子外壳(200)内侧设置有多个定子线圈(300)，多个所述定子线圈(300)通电条件下产生定子磁极；

同等弧度下，所述定子外壳(200)的定子磁极数量大于所述球形转子(100)的转子磁极数量。

2.如权利要求1所述的球形万向电动机，其特征在于，多个所述定子线圈(300)与控制电路连接，任意一个所述定子线圈(300)可被所述控制电路选择作为激励线圈或测量线圈；

所述测量线圈依次遍历全部所述激励线圈以获取所述球形转子(100)转动引起的所述激励线圈间的相位角度的变化并反馈给所述控制电路；

所述控制电路根据所述激励线圈间相位角度的变化切换所述激励线圈的激励电流的通电状态，所述激励线圈在所述激励电流的作用下产生定子磁极对所述球形转子(100)产生推力和吸力。

3.如权利要求1所述的球形万向电动机，其特征在于，所述球形转子(100)的所述正磁极区(110)为正极磁铁或产生正极磁极的线圈，所述负磁极区(120)为负极磁铁或产生负极磁极的线圈。

4.如权利要求3所述的球形万向电动机，其特征在于，所述正磁极区(110)、所述负磁极区(120)为形状相同的多边形；任一磁极区与相邻的多个磁极区的磁极不同相。

5.如权利要求1～4中任一项所述的球形万向电动机，其特征在于，所述定子外壳(200)为球形壳体或半球形壳体，所述定子外壳(200)为半球形壳体时，所述定子外壳(200)内腔的深度大于所述球形转子(100)的半径。

6.如权利要求5所述的球形万向电动机，其特征在于，所述定子外壳(200)包括定子动力部(210)和承重部(240)，所述定子动力部(210)为罩在所述球形转子(100)上的弧面凹槽，所述定子线圈(300)设置在所述定子动力部(210)内侧，所述定子动力部(210)与所述球形转子(100)的球体表面形成磁间隙；所述承重部(240)套设在所述球形转子(100)的圆周外侧与所述球形转子(210)表面接触。

7.如权利要求6所述的球形万向电动机，其特征在于，所述定子外壳(200)还包括设置于所述定子动力部(210)和所述承重部(240)之间的自清洁润滑部(220)，所述自清洁润滑部(220)上设置有若干开口。

8.如权利要求6所述的球形万向电动机，其特征在于，所述定子外壳(200)还包括设置于所述定子动力部(210)和所述承重部(240)之间的检测部(230)，所述检测部(230)内侧设置有若干声传感器和若干光传感器，所述光传感器用于探测所述球形转子(100)表面的光线变化，所述声传感器用于探测所述转子内部(100)的回声。

9.如权利要求7或8所述的球形万向电动机，其特征在于，所述自清洁润滑部(220)、检测部(230)、所述承重部(240)的内侧也设置有所述定子线圈(300)。

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