CN113206554A - 双自由度球形无刷直流电动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双自由度无刷直流电动机，该双自由度无刷直流电动机包括定子、转子、多个分布式定子绕组和定子音图绕组。该定子包括内定子结构和多个弧形定子极。该内定子结构包括主体和多个辐条，该多个辐条彼此间隔开以限定多个定子槽。每个弧形定子极连接到辐条中的不同辐条。该转子与定子间隔开，包括多个磁体并且被配置为围绕多条垂直轴线旋转。该分布式定子绕组围绕多个辐条卷绕并且延伸穿过定子槽。该定子音圈绕组围绕弧形定子极的外表面卷绕。该定子极的弧形形状和间距将定子限定为球形的。

Description

双自由度球形无刷直流电动机

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年1月31日提交的先前提交的印度临时专利申请号202011004357的权益，该临时专利申请据此全文以引用方式并入本文。

技术领域

本发明整体涉及球形电动机，并且更具体地涉及双自由度无刷直流(DC)电动机。

背景技术

随着UAV(无人驾驶飞行器)、空运用无人机、机器人技术、办公自动化、智能柔性制造装配系统等领域的发展，开发多自由度(DOF)精密致动系统成为一种必要。按照惯例，依赖于多自由度运动的应用通常是通过为各轴线而使用单独的电动机/致动器来完成，这导致复杂的传动系统和相对较重的结构。

随着球形电动机的问世，已有人多次尝试用单个球形电动机组件来替换复杂的多自由度组件。典型的球形电动机是由中心球体组成，将可彼此正交放置的线圈卷绕于该中心球体上。该球体被呈开口圆柱体形式的多极磁体包围。线圈组件被轴向保持并经由例如金属柱维持在竖直位置。外圆柱体经由轴承由轭架/框架保持，这允许圆柱体能够围绕其轴线旋转。轭架经由第二轴承进一步连接到线圈组件的金属柱，这允许轭架连同圆柱体能够围绕一条或两条附加轴线旋转。

遗憾的是，将球形电动机应用于诸如UAV和机器人技术之类的某些应用的当前尝试已产生了若干球形电动机设计概念。遗憾的是，这些设计概念中的许多设计概念都具有某些缺点。例如，许多设计概念表现出相对有限的转矩。这至少部分地是由于磁体与内部球形定子之间的相对大的气隙(部分地由于绕组)和相对较重的球形定子。当前概念还表现出相对较高的绕组温度、相对复杂和耗时的绕组图案。

因此，需要这样的球形电动机，与目前已知的球形电动机相比，该球形电动机至少表现出改善的生成转矩、改善的热处理能力、改善的速度范围和更简单的线圈绕组配置。本发明至少解决这个需要。

发明内容

提供本发明内容以便以简化形式描述所选概念，这些概念在具体实施方式中进一步描述。本发明内容不旨在识别要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用于帮助确定要求保护的主题的范围。

在一个实施方案中，双自由度无刷直流电动机包括定子、转子、多个分布式定子绕组和定子音圈绕组。定子包括内定子结构和多个弧形定子极。内定子结构包括主体和从主体径向向外延伸的多个辐条。辐条彼此间隔开以限定多个定子槽。每个弧形定子极具有内表面和外表面，并且每个弧形定子极连接到辐条中的不同辐条。转子与定子间隔开，并且至少部分地包围定子。转子包括多个磁体并且被配置为围绕多条垂直轴线旋转。分布式定子绕组围绕多个辐条卷绕并且延伸穿过定子槽。定子音圈绕组卷绕到弧形定子极的外表面上并且围绕该弧形定子极的外表面。定子极的弧形形状和间距将定子限定为球形的。

在另一个实施方案中，双自由度无刷直流电动机包括转子、定子、多个分布式定子绕组和定子音圈绕组。转子包括多个磁体并且被配置为围绕多条垂直轴线旋转。定子与转子间隔开，并且至少部分地包围转子。定子包括外定子结构和多个弧形定子极。外定子结构包括主体和从主体径向向内延伸的多个辐条。辐条彼此间隔开以限定多个定子槽。每个弧形定子极具有内表面和外表面，并且每个弧形定子极连接到辐条中的不同辐条。分布式定子绕组围绕多个辐条卷绕并且延伸穿过定子槽。定子音圈绕组卷绕到弧形定子极的外表面上并且围绕该弧形定子极的外表面。定子极的弧形形状和间距限定球形形状。

另外，结合附图说明和前述背景技术，双自由度无刷直流电动机的其他所需特征和特性将根据后续具体实施方式和所附权利要求书变得显而易见。

附图说明

下面将结合以下附图来描述本发明，其中相似数字表示相似元件，并且其中：

图1描绘了双自由度无刷直流(BLDC)的一个实施方案的平面图；

图2描绘了沿图1中的线2-2截取的图1的电动机的剖视图；

图3描绘了可用于图1和图2的电动机中的弧形定子极的实施方案；

图4描绘了双自由度无刷直流(BLDC)的另一个实施方案的平面图；

图5描绘了双自由度无刷直流(BLDC)的另一个实施方案的平面图；

图6描绘了可用于使图1、图2、图4和图5所描绘的电动机的一部分通电的三个交流电压的示例；

图7描绘了双自由度无刷直流(BLDC)的另一个实施方案的平面图；

图8描绘了沿图7中的线8-8截取的图7的电动机的剖视图；

图9描绘了双自由度控制系统的功能框图；并且

图10以图形方式描绘了由双自由度电动机的实施方案和当前已知的球形电动机生成的转矩的比较。

具体实施方式

以下具体实施方式本质上仅是示例性的，并且不旨在限制本发明或本发明的应用和使用。如本文所用，词语“示例性”是指“用作示例、实例或例证”。因此，本文中描述为“示例性”的任何实施方案不一定被理解为比其他实施方案优选或有利。本文描述的所有实施方案是为使得本领域的技术人员能够制作或使用本发明而提供的示例性实施方案，而不限制由权利要求书限定的本发明的范围。此外，不旨在受前述技术领域、背景技术、发明内容或以下具体实施方式中呈现的任何明示或暗示的理论的约束。

参见图1和图2，分别描绘了双自由度无刷直流(BLDC)球形电动机100的一个示例性实施方案的平面图和剖视图。所描绘的电动机100包括定子102、转子104、多个分布式定子绕组106和定子音圈绕组108。

如图1中最清楚地示出，定子102包括内定子结构112和多个弧形定子极114。内定子结构112包括主体116和多个辐条118。辐条118从主体116径向向外延伸并且彼此间隔开以限定多个定子槽122。弧形定子极114中的每个弧形定子极连接到辐条118中的不同辐条，并且各自具有内表面126和外表面128。如图1所描绘，定子极114的弧形形状和间距将定子102的形状限定为球形。在所描绘的实施方案中，可以看出定子102包括九个弧形定子极114，并且因此包括九个定子槽122。然而，应当理解，定子极114和定子槽122的数量可以变化，并且可大于或小于该数量。

每个弧形定子极114(其实施方案在图3中描绘)具有第一端部分302、第二端部分304和设置在第一端部分302和第二端部分304之间的中央端部分306，该中央端部分是辐条118连接的地方。第一端部分302和第二端部分304各自具有限定在内表面126和外表面128之间的第一厚度(T1)，并且中央部分306具有限定在内表面126和外表面128之间的第二厚度(T2)。在所描绘的实施方案中，第一厚度(T1)大于第二厚度(T2)。厚度的这种变化改善了转矩波动并且使启动转矩最小化。应当理解，在其他实施方案中，每个弧形定子极114可始终具有均匀的厚度。

定子102可被构造为一体结构或由两个或更多个结构构成。然而，在所描绘的实施方案中，定子102形成为一体结构。定子102也由导磁材料(magnetically permeablematerial)形成，该导磁材料为磁通量提供低磁阻路径，该磁通量在线圈(暂时描述)通电时生成。导磁材料可以是例如相对软的磁性固体材料、钢冲压件/层压件、以及由软铁粉末和/或复合材料构成的模具，仅举几例。

转子104与球形定子102间隔开，并且至少部分地包围该球形定子。转子104包括多个磁体132并且被安装成围绕多条垂直轴线旋转。在所描绘的实施方案中，并且如图1和图2所描绘，转子104被安装成围绕两条垂直轴线(第一旋转轴线110-1和第二旋转轴线110-2)旋转。然而，在其他实施方案中，转子104可被安装成围绕第三旋转轴线旋转。转子104优选地包括导磁材料，诸如例如相对软的磁性固体材料、钢冲压件/层压件、以及由软铁粉末和/或复合材料构成的模具，仅举几例。

磁体132可形成为转子104的整体部分，或者可与转子104分开形成。在图1和图2所描绘的实施方案中，磁体132与转子104分开形成。包括第一磁体132-1和第二磁体132-2的磁体132耦接到转子104的内表面134并从该内表面径向向内延伸。此外，每个磁体132被设置成使得其磁极中的至少一个磁极面向定子102。应当理解，磁体132可为不同形状和尺寸的，并且可不同地设置。例如，在所描绘的实施方案中，磁体132通常为弧形的，但是在其他实施方案中，磁体132可以为半球形的，或者如果需要或期望，可以为多个其他形状中的任一者。另外应当理解，磁体132的弧长可变化。此外，尽管出于效率需要，磁体132的面向定子102的部分优选地具有类似于定子102的轮廓，但这些部分不需要具有该轮廓。

每个磁体132都发出磁场，并且每个磁体优选地布置成使得第一磁体132-1相对于定子102的极性与第二磁体132-2的极性相反。例如，在所描绘的实施方案中，第一磁体132-1的北极(N)设置为更靠近定子102，而第二磁体132-2的南极(S)设置为更靠近定子102。磁体132被设置成使得面向定子102的磁极与该定子以预定间隙间隔开。间隙优选地小到足以使损耗最小化，这通过减小磁阻来提高磁效率。应当理解，磁体132可以不同地实现。例如，每个磁体132可被实现为两个或更多个分离磁体，如图4所描绘，或者被实现为海尔贝克阵列，如图5所描绘。

返回图1和图2，并且如上所述，电动机100另外包括两组绕组-分布式定子绕组106和定子音圈绕组108。分布式定子绕组106围绕辐条118卷绕并且延伸穿过定子槽122，并且可以以集中或分布式方式卷绕在这些槽122内。定子音圈绕组108卷绕到弧形定子极114的外表面128上并且围绕该弧形定子极的外表面。在所描绘的实施方案中，需注意，分布式定子绕组106被实现为三相绕组，并且因此包括第一定子绕组106-1、第二定子绕组106-2和第三定子绕组106-3。然而，在其他实施方案中，分布式定子绕组106可以以N个相位来实现，其中N是大于或小于三的整数。

无论相位数量如何，分布式定子绕组106在通电时用于使转子104相对于定子102旋转，并且定子音圈绕组108在通电时用于使转子104相对于定子102倾斜。即，当分布式定子绕组106用交流(AC)电压通电时，在分布式定子绕组106和磁体132之间产生洛伦兹力，这继而向转子104施加转矩，该转矩使转子相对于定子102围绕第一旋转轴线110-1(例如，自旋轴线)旋转。当定子音圈绕组106用交流电压通电时，在定子音圈绕组108和磁体132之间产生洛伦兹力，这向转子104施加转矩，该转矩使转子相对于定子102围绕第二旋转轴线110-2(例如，倾斜轴线)旋转。优选地，并且如图6所示，第一定子绕组106-1、第二定子绕组106-2和第三定子绕组106-3分别用第一交流电压602、第二交流电压604和第三交流电压606通电，并且第一交流电压602、第二交流电压604和第三交流电压606彼此异相120度(2π/3弧度)。

在上述实施方案中，电动机100被配置有转子104，该转子包围(或至少部分地包围)定子102。这样的配置可被称为“出流道”配置。在可被称为“入流道”配置的另一个实施方案中，定子包围(或至少部分地包围)转子。这样的实施方案在图7和图8中描绘，现在将描述对其的参考。

图7和图8中描绘的电动机700包括定子702、转子704、多个分布式定子绕组706和定子音圈绕组708。然而，在该实施方案中，定子702与转子704间隔开并且至少部分地包围该转子。在该实施方案中，定子704包括外定子结构712和多个弧形定子极714。外定子结构712包括主体716和多个辐条718。辐条718从主体716径向向内延伸并且彼此间隔开以限定多个定子槽722。弧形定子极714中的每个弧形定子极连接到辐条718中的不同辐条，并且各自具有内表面726和外表面728。如图7和图8所描绘，定子极714的弧形形状和间距将定子702的至少一部分的形状限定为球形。在所描绘的实施方案中，定子702包括九个弧形定子极714，并且因此包括九个定子槽722。然而，应当理解，定子极714和定子槽722的数量可以变化，并且可大于或小于该数量。

优选地，尽管当然不是必须的，但是弧形定子极714的形状类似于图1和图2所描绘的实施方案中的那些。即，第一端部分802和第二端部分804各自具有限定在内表面726和外表面728之间的第一厚度(T1)，并且中央部分806具有限定在内表面726和外表面728之间的第二厚度(T2)，并且第一厚度(T1)大于第二厚度(T2)。厚度的这种变化改善了转矩波动并且使启动转矩最小化。应当理解，在其他实施方案中，每个弧形定子极714可始终具有均匀的厚度。

定子702可被构造为一体结构或由两个或更多个结构构成。然而，在所描绘的实施方案中，定子702形成为一体结构。定子702也由导磁材料形成，该导磁材料为磁通量提供低磁阻路径，该磁通量在线圈(暂时描述)通电时生成。导磁材料可以是例如相对软的磁性固体材料、钢冲压件/层压件、以及由软铁粉末和/或复合材料构成的模具，仅举几例。

转子704包括多个磁体732并且被安装成围绕多条垂直轴线旋转。在所描绘的实施方案中，如图8中最清楚地示出，转子704被安装成围绕两条垂直轴线(第一旋转轴线810-1和第二旋转轴线810-2)旋转。然而，在其他实施方案中，转子704可被安装成围绕第三旋转轴线旋转。转子704优选地包括导磁材料，诸如例如相对软的磁性固体材料、钢冲压件/层压件、以及由软铁粉末和/或复合材料构成的模具，仅举几例。

磁体732可形成为转子104的整体部分，或者可与转子104分开形成。在图7和图8所描绘的实施方案中，磁体132形成为转子704的整体部分。包括第一磁体732-1和第二磁体732-2的磁体732耦接到轴734并从该轴径向向外延伸。此外，每个磁体732被设置成使得其磁极中的至少一个磁极面向定子704。应当理解，磁体732可为不同形状和尺寸的，并且可不同地设置。例如，在所描绘的实施方案中，磁体732通常为弧形的，但是在其他实施方案中，磁体732可以为半球形的，或者如果需要或期望，可以为多个其他形状中的任一者。另外应当理解，磁体732的弧长可变化。此外，尽管出于效率需要，磁体732的面向定子102的部分优选地具有类似于定子702的轮廓，但这些部分不需要具有该轮廓。

每个磁体732都发出磁场，并且每个磁体优选地布置成使得第一磁体732-1相对于定子702的极性与第二磁体732-2的极性相反。例如，在所描绘的实施方案中，第一磁体732-1的北极(N)设置为更靠近定子702，而第二磁体732-2的南极(S)设置为更靠近定子702。磁体732被设置成使得面向定子702的磁极与该定子以预定间隙间隔开。间隙优选地小到足以使损耗最小化，这通过减小磁阻来提高磁效率。应当理解，磁体132可以不同地实现。例如，每个磁体732可被实现为两个或更多个分离磁体，类似于图4所描绘的实施方案，或者被实现为海尔贝克阵列，类似于图5所描绘的实施方案。

与先前描述的实施方案一样，分布式定子绕组706围绕辐条718卷绕并且延伸穿过定子槽722，并且可以以集中或分布式方式卷绕在这些槽722内。定子音圈绕组708卷绕到弧形定子极714的外表面728上并且围绕该弧形定子极的外表面。在所描绘的实施方案中，需注意，分布式定子绕组706被实现为三相绕组，并且因此包括第一定子绕组706-1、第二定子绕组706-2和第三定子绕组706-3。然而，在其他实施方案中，分布式定子绕组706可以以N个相位来实现，其中N是大于或小于三的整数。

无论相位数量如何，分布式定子绕组706在通电时用于使转子704相对于定子702旋转，并且定子音圈绕组708在通电时用于使转子704相对于定子702倾斜。即，当分布式定子绕组706用交流(AC)电压通电时，在分布式定子绕组706和磁体732之间产生洛伦兹力，这继而向转子704施加转矩，该转矩使转子相对于定子702围绕第一旋转轴线710-1(例如，自旋轴线)旋转。当定子音圈绕组706用交流电压通电时，在定子音圈绕组708和磁体732之间产生洛伦兹力，这向转子704施加转矩，该转矩使转子相对于定子702围绕第二旋转轴线710-2(例如，倾斜轴线)旋转。优选地，与先前描述的实施方案一样，第一定子绕组706-1、第二定子绕组706-2和第三定子绕组706-3分别用第一交流电压602、第二交流电压604和第三交流电压606通电，并且第一交流电压602、第二交流电压604和第三交流电压606彼此异相120度(2π/3弧度)。

现在参见图9，描绘了包括图1和图2的电动机100或图7和图8的电动机的多自由度电动机控制系统900的功能框图。如图9所描绘，系统900包括控件902，该控件耦接到分布式定子绕组106、706(例如，第一定子绕组106-1、706-1，第二定子绕组106-2、706-2和第三定子绕组106-3、706-3)中的每一者并且耦接到定子音圈绕组108、708。控件902被配置为控制分布式定子绕组106、706和定子音圈绕组108、708中的电流量值和方向，从而控制转子104、704的旋转速度和方向。控件902可被配置为使用开环控制或闭环控制来实现该功能。开环控制提供相对较低的成本、较低的复杂度、相对简单的直流操作以及相对较低的尺寸和重量。闭环控制提供较高的准确性和精度、较高的带宽、以及自主控制。可在控件902中实现各种控制技术。合适控制技术的一些非限制性示例包括PWM控制和反EMF控制。

本文所公开的球形电动机实施方案表现出优于许多目前已知的球形电动机的若干优点。一个优点是体积优点，由此多级配置在相对小的空间包络中实现高功率密度球形电动机构造。多级球形电动机实施方案具有较少的部件，从而增加总体可靠性。多级球形电动机实施方案也表现出相对较高的转矩。例如，如图10所描绘，多级球形电动机实施方案1002可递送当前已知配置1004的转矩的大约2.0倍。

在本文件中，关系术语诸如第一和第二等，可以仅用于将一个实体或动作与另一个实体或动作区分开，而不一定要求或暗示此类实体或动作之间的任何实际的此类关系或顺序。除非明确地由权利要求书语言限定，否则数字序数诸如“第一”、“第二”、“第三”等仅表示多个中的不同个体，并且不暗示任何顺序或序列。除非明确地由权利要求书的语言限定，否则任何权利要求书中的文本的序列不暗示必须根据此类序列以时间或逻辑顺序执行处理步骤。在不脱离本发明的范围的情况下，方法步骤可以任何顺序互换，只要此类互换不与权利要求语言矛盾并且不是逻辑上荒谬的。

此外，取决于上下文，在描述不同元件之间的关系时使用的诸如“连接”或“耦接到”的词语不暗示必须在这些元件之间进行直接物理连接。例如，两个元件可以通过一个或多个附加元件物理地、磁性地、电子地、逻辑地或以任何其他方式彼此连接。

虽然在本发明的前述具体实施方式中已呈现了至少一个示例性实施方案，但是应当理解存在大量的变型形式。还应当理解，一个示例性实施方案或多个示例性实施方案仅是示例，并且不旨在以任何方式限制本发明的范围、适用性或配置。相反，前述具体实施方式将为本领域的技术人员提供一种用于实现本发明的示例性实施方案的便利路线图。应当理解，在不脱离如所附权利要求书中阐述的本发明的范围的情况下，可对示例性实施方案中描述的元件的功能和布置进行各种改变。

Claims (10)

1.一种双自由度无刷直流电动机，包括：

定子，所述定子包括内定子结构和多个弧形定子极，所述内定子结构包括主体和从所述主体径向向外延伸的多个辐条，所述辐条彼此间隔开以限定多个定子槽，每个弧形定子极具有内表面和外表面，每个弧形定子极连接到所述辐条中的不同辐条；

转子，所述转子与所述定子间隔开并且至少部分地包围所述定子，所述转子包括多个磁体并且被配置为围绕多条垂直轴线旋转；

多个分布式定子绕组，所述多个分布式定子绕组围绕所述多个辐条卷绕并且延伸穿过所述定子槽；和

定子音圈绕组，所述定子音圈绕组卷绕到所述弧形定子极的所述外表面上并且围绕所述弧形定子极的外表面，

其中所述定子极的弧形形状和间距将所述定子限定为球形的。

2.根据权利要求1所述的电动机，其中所述多个分布式定子绕组包括第一定子绕组、第二定子绕组和第三定子绕组。

3.根据权利要求1所述的电动机，其中：

所述多个分布式定子绕组在通电时在所述转子上施加转矩，所述转矩使得所述转子相对于所述定子围绕第一旋转轴线旋转；并且

所述定子音圈在通电时在所述转子上施加转矩，所述转矩使得所述转子相对于所述定子围绕垂直于所述第一旋转轴线的第二旋转轴线旋转。

4.根据权利要求1所述的电动机，其中所述定子包括九个弧形定子极和九个定子槽。

5.根据权利要求1所述的电动机，其中：

每个弧形定子极具有第一端部分、第二端部分以及设置在所述第一端部分和所述第二端部分之间的中央端部分；

每个弧形定子极的所述第一端部分和所述第二端部分具有限定在所述内表面和所述外表面之间的第一厚度；

每个弧形定子极的所述中央部分具有限定在所述内表面和所述外表面之间的第二厚度；并且

所述第一厚度大于所述第二厚度。

6.根据权利要求1所述的电动机，还包括：

控件，所述控件耦接到所述多个分布式定子绕组和所述定子音圈绕组，所述控件被配置为控制所述多个分布式定子绕组中和所述定子音圈绕组中的电流量值，从而控制所述转子的旋转。

7.根据权利要求6所述的电动机，其中所述控件被配置为向所述分布式定子绕组和所述定子音圈绕组供应交流(AC)电压。

8.根据权利要求7所述的电动机，其中：

所述分布式定子绕组包括第一定子绕组、第二定子绕组和第三定子绕组；

所述控件被配置为分别为所述第一定子绕组、所述第二定子绕组和所述第三定子绕组供应第一交流电压、第二交流电压和第三交流电压；并且

所述第一交流电压、所述第二交流电压和所述第三交流电压彼此异相120度(2π/3弧度)。

9.根据权利要求1所述的电动机，其中球形定子包含导磁材料。

10.根据权利要求1所述的电动机，其中所述转子包含导磁材料。

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