CN112910316A - 一种磁悬浮球形电驱动执行装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁悬浮球形电驱动执行装置，包括三个定子对、球形转子及控制器。每一定子对均包括两个定子，两个定子分别固定设置于球形转子的两侧，两个定子的形心的连线为定子对的虚拟轴线，定子对的虚拟轴线通过球形转子的球心，且三个定子对的虚拟轴线互相垂直。球形转子利用磁力作用在三个定子对构成的空间内悬浮。每一定子均包括定子绕组，控制器通过控制定子绕组的通电过程，驱动球形转子沿定子对的虚拟轴线做悬浮运动，并驱动球形转子绕定子对的虚拟轴线做旋转运动，实现球形转子的悬浮运动和旋转运动，结构简单，空间占有量小，能够减少多自由度运动执行机构的重量、体积、功耗及成本，利于仿生人及航天器的小型化及低成本运行。

Description

一种磁悬浮球形电驱动执行装置

技术领域

本发明涉及多自由度运动执行机构技术领域，特别是涉及一种磁悬浮球形电驱动执行装置。

背景技术

传统空间多自由度运动执行机构一般由多个单自由度运动电机及一套机械传动装置构成，结构复杂，功率密度较低，空间占有量大。与单个电机相比，大大增加了系统的重量、体积及功耗，不利于多自由度运动执行机构的小型化及其在高功率密度场合的应用。

基于此，亟需一种结构简单、空间占有量小、高功率密度的新型运动执行机构。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁悬浮球形电驱动执行装置，结构简单、空间占有量小、功率密度高，利于多自由度运动执行机构的小型化及低成本运行，可应用于人工智能相关领域及航天器姿态控制系统等对多自由度执行机构有需求的场合及领域。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种磁悬浮球形电驱动执行装置，所述装置包括三个定子对、球形转子及控制器；

每一所述定子对均包括两个定子；两个所述定子分别固定设置于所述球形转子的两侧，且每一所述定子与所述球形转子之间均存在间隙；两个所述定子的形心的连线为所述定子对的虚拟轴线；所述定子对的虚拟轴线通过所述球形转子的球心；三个所述定子对的虚拟轴线互相垂直；

所述球形转子利用磁力作用在三个所述定子对构成的空间内悬浮；

每一所述定子均包括定子绕组；每一所述定子绕组均与所述控制器相连接；所述控制器用于通过控制所述定子绕组的通电过程，驱动所述球形转子沿所述定子对的虚拟轴线做悬浮运动，并驱动所述球形转子绕所述定子对的虚拟轴线做旋转运动。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明所提供的一种磁悬浮球形电驱动执行装置，包括三个定子对、球形转子及控制器。每一定子对均包括两个定子，两个定子分别固定设置于球形转子的两侧，且每一定子与球形转子之间均存在间隙。两个定子的形心的连线为定子对的虚拟轴线，定子对的虚拟轴线通过球形转子的球心，且三个定子对的虚拟轴线互相垂直。球形转子利用磁力作用在三个定子对构成的空间内悬浮。每一定子均包括定子绕组，控制器通过控制定子绕组的通电过程，驱动球形转子沿定子对的虚拟轴线做悬浮运动，并驱动球形转子绕定子对的虚拟轴线做旋转运动，实现球形转子的悬浮运动和旋转运动，结构简单，空间占有量小，作为一种新型球形运动执行机构，可仅通过一个球形电机便实现球形转子的多自由度旋转运动，减少多自由度运动执行机构的功耗，实现球形转子绕任意轴的自由旋转运动，利于多自由度运动执行机构的伺服控制及低成本运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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1所提供的磁悬浮球形电驱动执行装置的整体结构示意图。

图2为本发明实施例1所提供的定子的剖面示意图。

图3为本发明实施例1所提供的定子的整体结构示意图。

图4为本发明实施例1所提供的球形转子的整体结构示意图。

图5为本发明实施例1所提供的球形转子的剖面示意图。

符号说明：

1-定子；2-定子铁芯；3-定子支架；4-旋转绕组铁芯；5-悬浮绕组铁芯；6-隔磁筒；7-旋转绕组；8-悬浮绕组；9-球形转子；10-转子沟槽；11-转子光滑球面；12-转子外层；13-转子内层；14-转子位置检测传感器，15-定子槽。

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，显然，所描述的实施例仅仅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。

本发明的目的是提供一种磁悬浮球形电驱动执行装置，应用于人工智能相关领域及航天器姿态控制系统中，结构简单、空间占有量小，利于多自由度运动执行机构的伺服控制及低成本运行。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

本实施例用于提供一种磁悬浮球形电驱动执行装置，如图1所示，所述装置包括三个定子对、球形转子9及控制器；

每一定子对均包括两个定子1，两个定子1分别固定设置于球形转子9的两侧，且每一定子1与球形转子9之间均存在间隙。优选的，每一定子对中的两个定子1的形心到球形转子9球心的距离相等，且定子1与球形转子9的相对面为球面。

每一定子对中的两个定子1的形心的连线为定子对的虚拟轴线，定子对的虚拟轴线通过球形转子9的球心，且三个定子对的虚拟轴线互相垂直。即若以球形转子9的球心作为直角坐标系的原点，则三个定子对的虚拟轴线分别与X、Y、Z坐标轴重合，从而构成一个虚拟的三维直角坐标系。

球形转子9利用磁力作用在三个定子对构成的空间内悬浮。

每一定子1均包括定子绕组，每一定子绕组均与控制器相连接。具体的，控制器可以连接电源，电源连接定子绕组，通过电源给定子绕组通电，进而控制器通过控制电源的输出，控制定子绕组的通电过程。控制器通过控制定子绕组的通电过程，驱动球形转子9沿定子对的虚拟轴线做悬浮运动，并驱动球形转子9绕定子对的虚拟轴线做旋转运动。具体的，若控制器给一个定子对中的两个定子绕组通电，则可以驱动球形转子9沿该被通电的定子对的虚拟轴线做悬浮运动，并驱动球形转子9绕该被通电的定子对的虚拟轴线做旋转运动，即每个定子对控制球形转子9绕该定子对的虚拟轴线做旋转运动和沿该定子对的虚拟轴线做悬浮运动。三个定子对同时通电，可在保持球形转子9在三个定子对构成的空间内稳定悬浮的基础上，实现球形转子9绕任意虚拟轴线的旋转运动。与传统空间多自由度运动执行机构相比，该磁悬浮球形电驱动执行装置可实现球形转子9在稳定悬浮的基础上绕任意虚拟轴线的旋转运动，结构简单、空间占有量小，功率密度高，利于多自由度运动执行机构的小型化及低成本运行。

需要说明的是，本实施例所提供的磁悬浮球形电驱动执行装置采用了三个定子对，且三个定子对的虚拟轴线相互垂直，这种布置方式是基于该磁悬浮球形电驱动执行装置应用人工智能及航天器姿控相关领域，这是一种最优的布置方式。但该磁悬浮球形电驱动执行装置也可以采用多个定子对，且定子对之间的位置关系不一定为垂直关系，同样可以实现球形转子9沿定子对的虚拟轴线做悬浮运动和绕定子对的虚拟轴线做旋转运动。

作为一种可选的实施方式，任意两个相邻定子1之间均设置有定子支架3，定子支架3与定子1固定连接，进而设置12个定子支架3，12个定子支架3通过与6个定子1固定连接的方式支撑定子1，定子支架3可以为圆弧形，定子支架3所用材料可以选用导磁性能差、导热性能较好的高强度金属材料，进而既保证了结构的稳定性，又有利于球形转子9的散热。

为了解决磁场耦合效应明显、转子涡流损耗较大的问题，本实施例中对定子1和球形转子9的结构做出了改进。具体的，如图2所示，本实施例中的定子绕组包括旋转绕组7和悬浮绕组8。旋转绕组7和悬浮绕组8均与控制器相连接，控制器可以连接电源，电源连接旋转绕组7和悬浮绕组8，通过电源给旋转绕组7和悬浮绕组8通电，进而控制器通过控制电源的输出，控制旋转绕组7和悬浮绕组8的通电过程。

控制器用于通过控制旋转绕组7的通电过程，驱动球形转子9绕定子对的虚拟轴线做旋转运动，通过控制悬浮绕组8的通电过程，驱动球形转子9沿定子对的虚拟轴线做悬浮运动，进而通过采用悬浮运动和旋转运动分开控制的拓扑结构及通电策略，有利于在本体结构层面实现悬浮运动与旋转运动的解耦控制，从而解决磁场耦合效应明显，性能不够稳定的问题。

作为一种可选的实施方式，如图2和图3所示，本实施例所用的定子1可以采用盘式结构，且定子1还包括定子铁芯2和隔磁筒6，定子铁芯2的材料可以选用电工钢或其他导磁材料，隔磁筒6的材料选用导磁材料。定子铁芯2包括旋转绕组铁芯4和悬浮绕组铁芯5。旋转绕组铁芯4上设置有定子槽15，旋转绕组7安装于定子槽15内，旋转绕组7为单层或双层分布式绕组。悬浮绕组8套设在悬浮绕组铁芯5外侧，悬浮绕组8可以采用集中线圈。旋转绕组7和悬浮绕组8之间设置有隔磁筒6，进而利用隔磁筒6将两套绕组分开，在结构上起到将悬浮磁场和旋转磁场解耦的效果。本实施例中的定子1采用感应盘式电机拓扑结构，有利于在本体结构层面实现多个自由度磁场的解耦，进而实现球形转子9多自由度旋转运动的解耦控制。本实施例中的悬浮绕组铁芯5内还安装有转子位置检测传感器14，转子位置检测传感器14用于检测球形转子9的三维位置，并将三维位置传输至控制器。控制器用于比较三维位置与球形转子9的预设位置，得到偏差量，控制器还用于根据偏差量分别控制三个定子对中的悬浮绕组8的通电过程，进而实现球形转子9在预设位置的稳定悬浮。

如图4和图5所示，本实施例所用的球形转子9可以为表面光滑的双层球壳结构，即球形转子9具有转子光滑球面11。球形转子9包括转子外层12和转子内层13，转子内层13贴合设置于转子外层12的内侧。转子外层12的材料可以为导电材料，可以使用铝或铜等导电材料，还可以在转子外层12的表面均匀喷涂一层抗氧化材料，提高球形转子9的使用寿命。转子内层13的材料可以为导磁材料，比如铁磁材料或软磁复合材料，此时转子内层13起到闭合磁路同时支撑固定转子外层12的作用。转子内层13的材料也可以为导磁导电性能差的高强度耐热材料，此时转子内层13仅起支撑固定转子外层12的作用。另外，球形转子9的表面设置有具有一定宽度的多条转子沟槽10，多条转子沟槽10将球形转子9的表面均匀分为多块，进而通过转子沟槽10对转子外层12的分割，极大的降低了球形转子9的涡流损耗，提高了效率，解决了转子涡流损耗较大所导致的能耗大、转子温度高等一系列相关问题。转子沟槽10内可以填充导电导磁性能较差的耐高温材料，比如环氧树脂，也可以不做填充处理，本实施例对此不做任何限制。

为了使本领域技术人员更加了解本实施例所提供的磁悬浮球形电驱动执行装置，本实施例在此介绍磁悬浮球形电驱动执行装置的工作原理，但本领域技术人员可以理解的是，这一工作原理并不应当被视为对本发明保护范围的限制，任何能够实现球形转子9受通电定子1的控制做悬浮运动和旋转运动的工作原理都应当在本发明的保护范围内。

当转子内层13所用材料为导磁材料时，此时控制器控制电源向悬浮绕组8所通的电流为直流电。当磁悬浮球形电驱动执行装置工作时，控制器控制电源给悬浮绕组8通电，此时悬浮绕组8配合悬浮绕组铁芯5工作，相当于电磁铁，对球形转子9产生径向拉力，即麦克斯韦力，并通过转子位置检测传感器14对转子位置进行检测，并动态反馈给控制器，控制器根据转子位置控制电源调整输出给悬浮绕组8的电流大小，以形成控制闭环，使球形转子9运动至预设位置，即平衡位置，平衡位置可以为三个定子对所构成空间的中心位置。

当转子内层13所用材料为导磁导电性能较差的高强度耐热材料时，此时球形转子9不受麦克斯韦力的作用，此时控制器控制电源向悬浮绕组8所通电流为交流电，以产生脉振磁场，进而在转子外层12中会产生感应涡流场，根据楞次定律，该涡流场所激发的磁场会阻碍脉振磁场磁通量变化，从而产生与球形转子9偏心方向相反的径向磁推力，将球形转子9推回平衡位置，从而实现球形转子9的稳定悬浮。

具体的，当球形转子9沿着一个定子对的虚拟轴线发生动态偏心时，可使用差动控制的控制策略，实时检测球形转子9的偏心方向及径向位移，并调整该定子对中悬浮绕组8的电流。差动控制的控制策略表述如下：设该定子对中的定子1编号分别为A，B，当球形转子9朝定子A方向发生偏心时，减小定子A中悬浮绕组8电流，增大定子B中悬浮绕组8电流，从而减小定子A对球形转子9的磁拉力，增大定子B对球形转子9的磁拉力，以改变球形转子9所受合力的方向，从而将球形转子9从偏心位置拉回平衡位置。当球形转子9受到外力扰动发生动态偏心时，实时检测球形转子9的偏心方向及径向位移，并将转子偏心位移分解为沿多个定子对的虚拟轴线方向的位移，从而使用差动控制的控制策略，同时给多个定子对内悬浮绕组8通电，改变球形转子9所受合力方向，将球形转子9从偏心位置拉回平衡位置。

无论转子内层13选用何种材料，本实施例中实现球形转子9旋转运动的原理都是相同的。具体的，给一个定子对的旋转绕组7通以相同的交流电，产生行波磁场，该行波磁场在转子外层12中感应出转子涡流，转子涡流所激发的转子磁场与行波磁场相互作用，可实现球形转子9绕该定子对的虚拟轴线做旋转运动，这种旋转运动的控制策略与盘式感应电机相似。给多个定子对的旋转绕组7同时通电，可实现球形转子9绕任意轴的旋转运动，此时，每个定子对包含的2个定子1所通电流完全相同，不同定子对之间所通电流幅值可相同，可不同，但频率需相同。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种磁悬浮球形电驱动执行装置，其特征在于，所述装置包括三个定子对、球形转子及控制器；

每一所述定子对均包括两个定子；两个所述定子分别固定设置于所述球形转子的两侧，且每一所述定子与所述球形转子之间均存在间隙；两个所述定子的形心的连线为所述定子对的虚拟轴线；所述定子对的虚拟轴线通过所述球形转子的球心；三个所述定子对的虚拟轴线互相垂直；

所述球形转子利用磁力作用在三个所述定子对构成的空间内悬浮；

每一所述定子均包括定子绕组；每一所述定子绕组均与所述控制器相连接；所述控制器用于通过控制所述定子绕组的通电过程，驱动所述球形转子沿所述定子对的虚拟轴线做悬浮运动，并驱动所述球形转子绕所述定子对的虚拟轴线做旋转运动。

2.如权利要求1所述的一种磁悬浮球形电驱动执行装置，其特征在于，任意两个相邻定子之间均设置有定子支架；所述定子支架与所述定子固定连接。

3.如权利要求1所述的一种磁悬浮球形电驱动执行装置，其特征在于，每一所述定子对中的两个定子的形心到所述球形转子球心的距离相等；所述定子与所述球形转子的相对面为球面。

4.如权利要求1所述的一种磁悬浮球形电驱动执行装置，其特征在于，所述定子绕组包括旋转绕组和悬浮绕组；所述旋转绕组和所述悬浮绕组均与所述控制器相连接；

所述控制器用于通过控制所述旋转绕组的通电过程，驱动所述球形转子绕所述定子对的虚拟轴线做旋转运动，通过控制所述悬浮绕组的通电过程，驱动所述球形转子沿所述定子对的虚拟轴线做悬浮运动。

5.如权利要求4所述的一种磁悬浮球形电驱动执行装置，其特征在于，所述定子还包括旋转绕组铁芯和悬浮绕组铁芯；所述旋转绕组铁芯上设置有定子槽，所述旋转绕组安装于所述定子槽内；所述悬浮绕组套设在所述悬浮绕组铁芯上。

6.如权利要求5所述的一种磁悬浮球形电驱动执行装置，其特征在于，所述旋转绕组和所述悬浮绕组之间设置有隔磁筒。

7.如权利要求5所述的一种磁悬浮球形电驱动执行装置，其特征在于，所述悬浮绕组铁芯内安装有转子位置检测传感器；所述转子位置检测传感器用于检测所述球形转子的三维位置，并将所述三维位置传输至所述控制器；所述控制器用于比较所述三维位置与所述球形转子的预设位置，得到偏差量；

所述控制器还用于根据所述偏差量分别控制三个所述定子对中的悬浮绕组的通电过程。

8.如权利要求1所述的一种磁悬浮球形电驱动执行装置，其特征在于，所述球形转子为双层球壳结构；所述球形转子包括转子外层和转子内层；所述转子内层贴合设置于所述转子外层的内侧；所述球形转子的表面均匀喷涂一层抗氧化材料。

9.如权利要求8所述的一种磁悬浮球形电驱动执行装置，其特征在于，所述转子外层的材料为导电材料。

10.如权利要求1所述的一种磁悬浮球形电驱动执行装置，其特征在于，所述球形转子的表面设置有多条转子沟槽；多条所述转子沟槽将所述球形转子的表面均匀分为多块。

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