CN113346639B - 一种基于磁通切换的定子永磁式球形电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于磁通切换的定子永磁式球形电机，包括定子体，转子体，输出轴，基座，万向滚珠轴承和螺栓。定子体包括两个半球形定子外壳，其内表面按照一定的排布方式固定着若干个由一个永磁体与两个定子磁极齿组成的磁极对，每个磁极对上绕制集中式绕组线圈；转子体包括导磁的转子磁极齿以及镶嵌转子的转子外壳；定子外壳通过螺栓固定在基座上；万向滚珠轴承固定在基座上，与转子体接触，支撑转子体；输出轴固定在转子外壳上。本发明电机结构稳定，散热效果较好，不存在永磁体退磁风险。同时基于磁通切换原理，通过改变线圈通电方向与安匝数，获得较大范围转矩输出。基于球形电机本体和通电控制的一体化设计使其具有较强的实际应用价值。

Description

一种基于磁通切换的定子永磁式球形电机

技术领域

本发明涉及多自由度电机技术领域，具体涉及一种基于磁通切换的定子永磁式球形电机。

背景技术

多自由度运动执行机构在工业生产中十分常见，由于其通常是由多个单自由度电机与复杂的传动装置组合而成，因此具有体积大，控制精度低，系统刚度不强等缺点。随着科技与高端制造业的持续进步与发展，运用场合不断改变，对执行机构的要求也越来越高，例如机器人关节用电机，期望电机输出转矩要大，精度要高。卫星姿态用电机，期望电机体积要小，便于多自由度的位姿检测与控制。球形电机因其特殊的转子结构，能够较好地完成多自由度运动，且体积小，具有较高的控制精度，在多维运动场合具有较大的应用潜力。

但是，自提出发展至今，球形电机由于结构设计相对复杂，制造困难，电磁分析、位置检测等仍然有待进一步的发展，总体来说仍然处于实验研究阶段。其中，永磁球形电机大多是将永磁体镶嵌在转子上，线圈固定在定子球壳上，通过通电线圈与永磁体的相互作用实现多自由度运动。该设计方案的缺陷在于将永磁体放在转子上，高速运行时磁钢易受离心力的作用被甩落，故需在转子上安装不锈钢或非金属纤维材料制成的固定装置，进而导致散热困难和制造工艺复杂等问题。同时，温升可能会导致永磁体发生不可逆退磁、电机输出转矩受限和功率密度减小等问题。由于磁通切换电机的定转子均固定在定子中，因此，本发明提出了一种基于磁通切换的定子永磁式球形电机，通过改变通电线圈的安匝数，扩大输出转矩的范围。同时，由于在一定的转矩范围内，其输出转矩与安匝数的大小成线性关系，控制相对简单。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于磁通切换的定子永磁式球形电机，该电机是由上下端部各截去一定大小的球形结构构成。通过改变定子线圈通电大小和通电方向从而改变磁极出现的位置，能够使得球形电机实现多自由度运动。所述球形电机结构稳定，散热效果好，输出转矩较大，原理简单，控制简单。

本发明采用的技术方案为：一种基于磁通切换的定子永磁式球形电机，包括定子体，转子体，输出轴，基座，万向滚珠轴承和螺栓；所述定子体包括定子外壳、由两个导磁的定子磁极齿与永磁体共同组成的磁极对以及磁极对上的绕组，所述定子外壳由两个半球形球壳组合而成，通过螺栓固定；所述磁极对是由一块永磁体与两个导磁的定子磁极齿组成一对磁极对，均匀的分布在定子外壳的内表面上，磁极对分别按照同纬度与同经度均匀分布，磁极分三层排布，0°纬线、30°纬线与-30°纬线圆周各排布六对磁极，每对磁极之间间隔60°，纬线圆周方向排布主要用于实现球形电机的自旋运动，将磁极均匀分三层排布，排布在同一经度下的磁极，用于实现球形电机的倾斜运动；所述绕组为绕制在每个磁极对上的绕组线圈；所述磁极对上的定子磁极齿底部与定子球壳固连，共同起导磁作用；

所述转子体包括转子磁极齿和转子外壳；所述转子磁极齿是由导磁材料构成的凸起磁极齿，磁极齿根部连接在一起，磁极齿表面为弧面；转子磁极齿分三层排布在0°度纬线45°纬线以及-45°纬线；每层排布8个磁极齿，均匀间隔45°共三层；所述转子外壳为中空球体，转子磁极齿镶嵌填充在转子外壳内并与内表面对齐，两者共同构成转子体；

所述输出轴为球形电机负载输出位置，输出轴穿过转子外壳顶端并且固定在转子外壳上端，输出轴具有一定长度，向外部延伸；

所述基座为定子外壳支撑结构，基座与定子外壳相连，对整个电机起支撑作用，万向滚珠轴承一端与基座相连并且固定在基座上，另一端与转子体接触，对整个转子体起支撑作用；

进一步地，所述电机转子仅为按照经纬度均匀排布的转子磁极齿，没有任何绕组与磁极齿；所述定子每个磁极对上均绕有集中式绕组，每个磁极对包括两个定子磁极齿以及一块永磁体，永磁体充磁方向为永磁体与定子磁极齿公共接触面垂直方向；转子在实现自旋与倾斜运动时具有一定的对称性。

本发明与现有技术相比的优势在于：

(1)本发明提供了一种基于磁通切换的定子永磁式球形电机。相较于传统的多自由度运动装置，本发明体积小，减少了繁冗的传动机构。且输出转矩较大，控制简单，在航空航天、机器人关节、仿生眼、工业监控以及农业灌溉等领域具有广泛的应用前景。

(2)本发明所述球形电机由定子体、转子体、输出轴、基座、万向滚珠和螺栓等部分组成，永磁体与定子磁极齿、绕组线圈均固定在定子上，转子上没有任何绕组与永磁体，电机制造简单，成本较低。

(3)本发明所述球形电机转子球壳采用空心结构，一方面可以节约材料，降低成本，另一方面可以有效减小转子体本身的转动惯量，效率更高，响应速度更快。本发明所述万向滚珠可以通过螺栓来调整高度，进而对转子的位置进行微调。由于转子体在装配过程中的工艺问题，转子体球心与定子球壳的球心会出现不在同一点的情况，这时可以通过调整万向滚珠的高度来让转子体球心与定子球壳的球心保持在同一点上。

(4)本发明所述球形电机将永磁体与绕组同时放置在定子上，避免了因传统永磁球形电机转子在高速运行时永磁体磁钢受离心力的作用被甩落，需在转子上安装不锈钢或非金属纤维材料制成的固定装置，进而导致散热困难和制造工艺复杂等问题。

(5)本发明所述球形电机基于磁通切换原理进行设计与控制，通过改变绕组电流的方向来切换磁极的位置。在未通电时，每个磁极对上的两个定子磁极齿处于临界饱和状态。通入电流后，对应一侧磁极齿的气隙磁密增强，对转子齿产生电磁力作用，可以使转子在某一位置上自锁。同时，在一定的通电安匝数范围内，转子磁极齿在同一位置下的转矩呈线性变化，且输出转矩较大，为球形电机的实际应用提供了基础。

附图说明

图1为本发明一种基于磁通切换的定子永磁式球形电机结构图；

图2为转子体与输出轴结构图；

图3为定子磁极对结构图；

图4为自旋运动时转子与定子磁极对示意图；

图5为倾斜运动时转子与定子磁极对示意图。

图中：1为定子外壳，2为永磁体，3为磁极对上的两个定子磁极齿，4为磁极对上的绕组线圈，5为输出轴，6为转子磁极齿，7为转子外壳，8为万向滚珠轴承，9为基座，10为磁极对一，11为磁极对二，12为磁极对三，13为磁极对四。

具体实施方式

结合附图进一步对本发明进行说明。

参见图1，本发明一种基于磁通切换的定子永磁式球形电机，主要结构为定子外壳1，永磁体2，磁极对上的两个定子磁极齿3，磁极对上的绕组线圈4，输出轴5，转子磁极齿6，转子外壳7，万向滚珠轴承8，基座9等，本发明所述球形电机是外定子内转子型电机，定子磁极对与转子磁极齿按照一定方式在圆周上均匀分布，定子球壳，转子磁极齿均采用导磁材料进行加工制作。

参见图1、图3、图4、图5，本发明所述电机的定子体形状近似为球体，定子体包括定子外壳1、永磁体2、磁极对上的两个定子磁极齿3、磁极对上的绕组线圈4。参见图1定子外壳1两个半球形球壳组合而成，通过螺栓固定。参见图3结构为定子体上的磁极对，固定在定子外壳1上，定子磁极齿的底部与定子球壳1固连，共同起导磁的作用。参见图4为在纬度为0°的赤道平面上的排布方式，沿赤道分布的磁极对用于实现球形电机的自旋运动，磁极对在圆周上均匀间隔60°，每个磁极对两侧的磁极齿端部为弯曲一定角度，此设计是为了定子磁极齿能够正对球心。正对球心的优势：参见图4，当转子磁极齿运动到定子磁极齿下方时，定子磁极齿能正对转子磁极齿，这样可以使得气隙磁场分布更加均匀，更具对称性，且定子磁极齿3端部表面为内凹弧面。弧面每个磁极对上的两个磁极齿间隔为30°，圆周上6个磁极对，共有12个磁极齿，每个磁极齿之间为30°均匀间隔。参见图5沿同一经度分上、中、下三层排布的定子磁极对实现转子的倾斜运动，上层所在纬度为30°位置，中层为赤道0°位置，下层所在纬度为-30°位置。每两层定子磁极齿之间均匀间隔30°，前文所述用于实现自旋运动的赤道圆周排布定子磁极齿间隔30°一致，因此转子在自旋和倾斜运动上保持对称性。定子磁极对每层6个，分三层均匀排布，共18个磁极对，36个定子磁极齿。参见图1，定子球壳1不同纬度上的圆周的长度不同，上下层定子磁极对所在圆周长度与赤道圆周不同，所以上下层磁极对中的永磁体在尺寸上需要稍加修改，所有定子磁极齿保持一致，即可保证上下层的定子磁极齿在同一经度上。参见图4，相邻永磁体极性相反，N-S交替排布，永磁体充磁方向为一侧磁极齿指向另一侧磁极齿，即永磁体与定子磁极齿公共接触面垂直方向，其相邻磁极对中的永磁体充磁方向则相反。相邻磁极对是指与当前磁极对同纬度和同经度紧邻位置的磁极对。参见图4图5，磁极对一10与磁极对二11为相邻磁极对，磁极对三12与磁极对四13为相邻磁极对。参见图3中磁极对上的绕组线圈4每个磁极对均需缠绕集中式绕组，线圈采用漆包线绕制，共18的磁极对总需18相绕组。本发明所述球形电机的永磁体与线圈均位于定子体中，能有效的提高电机结构的稳定性与散热效果，避免永磁体不牢固或散热效果不佳导致永磁体退磁的风险。

参见图2本发明所述转子体，转子体包括转子磁极齿6、转子外壳7。转子磁极齿6为凸极结构，每个转子磁极齿上表面为弧面，当转子磁极齿与定子磁极齿重合时，任一位置空气隙长度一致。转子磁极齿绕圆周均匀分布，分上中下三层，上层位于45°纬度位置，中层位于赤道0°位置，下层位于-45°纬度位置。参见图3每层均匀分布8个转子磁极齿且之间均匀间隔45°，三层转子磁极齿6总共24个。转子磁极齿6采用导磁材料制作，当定子磁极对绕组通电时，定子磁极齿3下产生磁场与导磁转子齿相互作用产生电磁力，驱动转子转动。参见图2转子外壳7为非导磁材料，具有一定厚度，转子磁极齿填充在转子外壳中，转子磁极齿顶端弧面与转子球壳表面重合。转子外壳7采用中空设计，这样不仅可以节约材料，降低成本，还能有效减小转子体本身的转动惯量，效率更高，响应速度更快。所述转子磁极齿6与转子外壳7共同构成转子体。转子上没有任何绕组以及其他附加零部件，结构稳定。

参见图2输出轴5的顶端是球形电机的负载装载位置，输出轴一端穿过转子球壳，经过转子球壳并且固定在转子球壳上端，输出轴具有一定长度，向外部延。转子体运动同时带动输出轴运动，起到驱动负载的目的。参见图2球形电机基座9为整台电机支撑结构，对电机起支撑与固定作用，基座9上端与定子外壳1固连。基座中间设有螺孔，万向滚珠轴承8安装在螺孔中，万向滚珠轴承上端为球形万向滚珠，且摩擦力较小可以向任意方向转动，保证转子体可以实现三自由度运动。下端为带螺纹的螺杆，可以安装在基座的螺孔中，并且可以自由调节安装高度。万象滚珠轴承8的作用是支撑转子让其保持在固定位置上。因为转子的位置会因为制造工艺以及后期运行过程中结构不稳定等原因出现位置偏移，转子体的球心与定子体的球心不在同一点上的情况，这时候就可以通过旋转万向滚珠轴承8的螺杆来调整其高度，使转子体球心的位置重新定位到与定子体球心的同一位置上，这就是可调整高度的万向滚珠轴承的好处与作用。

本发明所述球形电机的运动是由定转子之间相互作用的电磁力产生转矩实现，当定子磁极对上的绕组不通入电流时，永磁体2与磁极对上的两个定子磁极齿3以及导磁定子球壳1形成闭合磁回路，此时转子体无电磁转矩。当定子磁极对上的绕组通入某一方向电流时，此时就会出现磁通切换，一侧定子磁极齿端部就会产生气隙磁场，对处于附近的转子产生电磁力的作用，从而带动转子运动。当定子磁极对上的绕组通入相反方向电流时，同理则另外一侧定子磁极齿端部产生气隙磁场产生电磁力。当定子磁极齿与转子磁极齿重合时转矩最小，当两者在偏差一定角度时，产生的电磁转矩会时转子磁极齿向两者重合位置运动，当到达重合位置时继续通电，则转子会在当前位置自锁。因为转子体与定子体结构的对称性，因此自旋与倾斜运动时具有一定的对称性。

参见图4为自旋运动时转子与定子磁极对示意图，便于分析已将定子球壳隐去。通过仿真发现，在定子磁极齿22°范围内存在有效转矩，且在15°时达到最大转矩。定子磁极齿之间均匀间隔30°，转子磁极齿之间均匀间隔45°，因此步进角为15°。这样可以保证转子处于任意位置时，某一定子磁极齿15°范围内均有至少一个转子齿存在，在其有效转矩范围内，且是最大转矩范围内，防止运动奇点的存在。首先当转子处于图中所示位置时，A相通电，因为通电方向不同，气隙磁场出现的位置也不同。若A相磁极对中下方磁极齿产生气隙磁场，则转子中与其距离最近的磁极齿会受到电磁力的作用，运动至其下方，转子顺时针自旋，若绕组继续保持通电状态不变，则转子就会在当前位置保持自锁状态，转子保持稳定。然后B相绕组通电，则转子磁极齿对应会转动到B相下，同理A-B-C-D-E-F循环通电，转子相应的完成完整的顺时针自旋转动。若A相磁极对中上方磁极齿产生气隙磁场，则转子会逆时针转动至其下方，同理A-F-E-D-C-B-A循环通电，则转子实现逆时针自旋。通电方式包括但不限于上述方法。因为转子与定子磁极齿分布对称，所以对称位置上的线圈可同时通电，若想要实现更大转矩输出，可采用两组及两组以上磁极对同时通电的通电方法。

参见图5为倾斜运动时转子与定子磁极对示意图，转子实现倾斜运动也是利用磁通切换原理。实现球形电机倾斜运动的定子磁极齿上中下三层均匀分布间隔30°，转子磁极齿上下层均匀分布间隔45°，因此与自旋运动步进角一致也为15°。参见图4转子所在位置，A相绕组通电，转子会在当前位置自锁。A’相绕组通电，A’相附近转子磁极齿受到电磁力作用，逆时针转动到对应位置自锁。然后继续给A”相绕组通电，转子继续逆时针转动。同理，若首先给A”绕组通电，则转子会顺时针作倾斜转动。再给A’相通电，转子继续顺时针转动。通过控制电流的通断与大小来控制球形电机的运动状态。与自旋运动类似，电机倾斜运动的通电方式也存在其他方式。例如在完成逆时针转动时，也可将处于对称位置上的A’与D”同时也通电，可达到同样的转动效果，可产生更大的电磁转矩。

在球形电机自旋和倾斜的运动时，可以结合一定的通电策略，通过对不同定子磁极对绕组电流的通断与大小调整，使转子在一定输出范围内完成任意方向的自旋和倾斜的步进式运动。转子体转动带动输出轴运动，使负载按照球形电机设计的运动方式运动。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种基于磁通切换的定子永磁式球形电机，其特征在于：包括定子体，转子体，输出轴（5），基座（9），万向滚珠轴承（8）和螺栓；所述定子体包括定子外壳（1）、由两个导磁的定子磁极齿与永磁体（2）共同组成的磁极组以及磁极组上的绕组，所述定子外壳（1）由两个半球形球壳组合而成，通过螺栓固定；所述磁极组是由一块永磁体（2）与两个导磁的定子磁极齿组成一组磁极组，均匀的分布在定子外壳（1）的内表面上，磁极组分别按照同纬度与同经度均匀分布，磁极分三层排布，0°纬线、30°纬线与-30°纬线圆周各排布六组磁极组，每组磁极组之间间隔60°，纬线圆周方向排布主要用于实现球形电机的自旋运动，将磁极组均匀分三层排布，排布在同一经度下的磁极组，用于实现球形电机的倾斜运动；所述绕组为绕制在每个磁极组上的绕组线圈（4）；所述磁极组上的定子磁极齿底部与定子球壳固连，共同起导磁作用；

所述转子体包括转子磁极齿（6）和转子外壳（7）；所述转子磁极齿（6）是由导磁材料构成的凸起磁极齿，磁极齿根部连接在一起，磁极齿表面为弧面；转子磁极齿分三层排布在0°度纬线45°纬线以及-45°纬线；每层排布8个磁极齿，均匀间隔45°共三层；所述转子外壳（7）为中空球体，转子磁极齿（6）镶嵌填充在转子外壳（7）内并与内表面对齐，两者共同构成转子体；

所述输出轴（5）为球形电机负载输出位置，输出轴（5）穿过转子外壳（7）顶端并且固定在转子外壳（7）上端，输出轴（5）具有一定长度，向外部延伸；

所述基座（9）为定子外壳（1）支撑结构，基座（9）与定子外壳（1）相连，对整个电机起支撑作用，万向滚珠轴承（8）一端与基座（9）相连并且固定在基座（9）上，另一端与转子体接触，对整个转子体起支撑作用；

所述电机转子仅为按照经纬度均匀排布的转子磁极齿，没有任何绕组与磁极齿；所述定子每组磁极组上均绕有集中式绕组，每组磁极组包括两个定子磁极齿以及一块永磁体，永磁体充磁方向为永磁体与定子磁极齿公共接触面垂直方向；转子在实现自旋与倾斜运动时具有一定的对称性。

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