CN113381527A - 一种三自由度球形电机 - Google Patents

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王家栋
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Abstract

一种三自由度球形电机，包括底座、定子组件和球形转子，球形转子转动安装在定子组件内，定子组件与底座转动连接，球形转子包括多个正多边形永磁体转子，正多边形永磁体转子以N级和S级交错拼接而成的球形转子，通过球形转子的设置，便于其在底座上转动，从而改善了传统电机只能在单自由度上输出动力的局限性，该电机可运用在多自由度机械臂的关节处，简化了机械结构，减小了多个机械臂之间控制系统的累计误差。

Description

一种三自由度球形电机
技术领域
本发明属于机器人关节球形电机技术领域，具体涉及一种三自由度球形电机。
背景技术
随着现代化工业时代的到来，工业机器人以及机械臂在现代化生产中发挥着越来越重要的作用，对驱动机构的精度也日益提高。传统上为了实现一个多自由度的运动控制往往是由多个单自由度运动关节组成，多个单自由度电机构成的累计系统误差将导致整个控制系统的精度下降。多自由度球形电机极大地简化的机械结构，提高了控制系统的精度，成为现代电机学研究领域的前沿课题。
球形转子(2)的关键材料稀土永磁材料是现在已知的综合性能最高的一种永磁材料，随着近年来稀土永磁材料的发展，不仅推动了永磁材料零件向小型化发展，提高了永磁材料的整体性能，而且也促进了某些特殊零件行业的发展，稀土永磁材料的研究目前在世界范围内是一个热门的课题。
传统球形电机只能在单自由度上输出动力，无法运用在多自由度机械臂的关节处，不利于简化机械臂的机械机构，容易在传统的机械臂控制系统之间形成累积误差，影响机械臂精度。
发明内容
针对以上不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种三自由度球形电机，该电机结合了传统球形电机的球形转子结构简单，体积小，动能转化率高等优点，并利用三自由度支撑架来控制球形转子输出轴的角度，结构可靠，控制方式简单且精确，改善了传统电机只能在单自由度上输出动力的局限性，该电机可运用在多自由度机械臂的关节处，简化了机械结构，减小了多个机械臂之间控制系统的累计误差。
为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是，
一种三自由度球形电机，包括底座、定子组件和球形转子，球形转子转动安装在定子组件内，定子组件与底座转动连接，球形转子包括多个正多边形永磁体转子，正多边形永磁体转子以N级和S级交错拼接而成的球形转子。
进一步的，球形转子上固定连接有输出轴，对应的，定子组件包括轴承盖，输出轴转动安装在轴承盖内。
进一步的，定子组件包括定子绕组和定子壳体，轴承盖固定安装在定子壳体上，定子绕组固定安装在定子壳体内，定子绕组与球形转子相适配。
进一步的，定子壳体上成形有连接轴孔和定子绕组槽，轴承盖固定安装在连接轴孔内，定子绕组固定安装在定子绕组槽内。
进一步的，定子壳体的45°、90°和135°的圆周上分别均匀分布有4个、6个、4个定子绕组槽，定子绕组放置在定子绕组槽中。
进一步的，定子壳体的侧壁上固定连接有定子键轴，定子键轴与底座转动连接。
进一步的，定子绕组为空心结构。
进一步的，底座包括定子连接环和底座固定环，底座固定环固定连接在定子连接环上，定子组件转动安装在定子连接环上。
进一步的，定子连接环上固定连接有连接圈，连接圈关于定子连接环圆心中心对称，连接圈内开设有轴孔，底座固定环固定连接在连接圈上。
进一步的，底座固定环的中部固定连接有固定盘，固定盘上开设有固定孔。
本发明的有益效果是，该电机结合了传统球形电机的球形转子结构简单，体积小，动能转化率高等优点，并利用三自由度支撑架来控制球形转子输出轴的角度，结构可靠，控制方式简单且精确，改善了传统电机只能在单自由度上输出动力的局限性，该电机可运用在多自由度机械臂的关节处，简化了机械结构，减小了多个机械臂之间控制系统的累计误差。
附图说明
图1是本发明的展开结构示意图。
图2是本定子绕组示意图。
图3是定子壳体示意图。
图4三自由度支撑架示意图。
图5是本发明的半剖结构示意图。
附图标记：输出轴1，球形转子2，轴承盖3，定子绕组4，定子壳体5，底座6，定子绕组槽5.1，定子键轴5.2，连接轴孔5.3，固定盘6.1，轴孔6.2，定子连接环6.3，底座固定环6.4，连接圈6.5。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步描述。
一种三自由度球形电机，包括底座6、定子组件和球形转子2，球形转子2转动安装在定子组件内，定子组件与底座6转动连接，球形转子2包括多个正多边形永磁体转子，正多边形永磁体转子以N级和S级交错拼接而成的球形转子2，通过球形转子2的设置，便于其在底座6上转动，从而改善了传统电机只能在单自由度上输出动力的局限性，该电机可运用在多自由度机械臂的关节处，简化了机械结构，减小了多个机械臂之间控制系统的累计误差。
球形转子2上固定连接有输出轴1，对应的，定子组件包括轴承盖3，输出轴1转动安装在轴承盖3内，输出轴1的直径与轴承盖3内滚珠轴承的内径相同，并与滚珠轴承3固定连接，起到固定球形转子和定位作用，滚珠轴承盖上设置有固定螺纹孔，通过螺钉固定在定子壳体5上。
在一些优选的方式中，对球形电机的球形转子进行定位时，是通过滚珠轴承盖3夹紧球形转子的输出轴1进行定位的，球形转子和定子壳体应保持同心，使用这种定位方法比传统的定位方法在结构上更加可靠，球形转子的输出轴角度由三自由度支撑架来调节，转动角度由外接电机控制，在控制精度上更加精确。
定子组件包括定子绕组4和定子壳体5，轴承盖3固定安装在定子壳体5上，定子绕组4固定安装在定子壳体5内，定子绕组4与球形转子2相适配，定子绕组4为空心结构。
定子壳体5上成形有连接轴孔5.3和定子绕组槽5.1，轴承盖3固定安装在连接轴孔5.3内，定子绕组4固定安装在定子绕组槽5.1内，优选的，定子绕组的末端与球形转子表面不接触，存在一定的缝隙。
定子壳体5的45°、90°和135°的圆周上分别均匀分布有4个、6个、4个定子绕组槽5.1，定子绕组4放置在定子绕组槽5.1中。
定子壳体5的侧壁上固定连接有定子键轴5.2，定子键轴5.2与底座6转动连接。
底座6包括定子连接环6.3和底座固定环6.4，底座固定环6.4固定连接在定子连接环6.3上，定子组件转动安装在定子连接环6.3上，定子连接环6.3用于安装定子壳体5，底座固定环6.4用于固定本球形电机。
定子连接环6.3上固定连接有连接圈6.5，连接圈6.5关于定子连接环6.3圆心中心对称，连接圈6.5内开设有轴孔6.2，定子键轴5.2安装在轴孔6.2内，底座固定环6.4固定连接在连接圈6.5上。
底座固定环6.4的中部固定连接有固定盘6.1，固定盘6.1上开设有固定孔，通过固定孔对本球形电机进行固定。
定子壳体上的定子键轴5.2与三自由度支撑架上的轴孔6.2配合后，定子壳体不仅可以围绕定子键轴5.2旋转，也可围绕三自由度支撑架的固定盘6.1旋转，从而实现了在三个自由度上的运动。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
尽管本文较多地使用了图中附图标记对应的术语，但并不排除使用其它术语的可能性；使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种三自由度球形电机，其特征在于，包括底座(6)、定子组件和球形转子(2)，球形转子(2)转动安装在定子组件内，定子组件与底座(6)转动连接，球形转子(2)包括多个正多边形永磁体转子，正多边形永磁体转子以N级和S级交错拼接而成的球形转子(2)。
2.根据权利要求1所述的一种三自由度球形电机，其特征在于，球形转子(2)上固定连接有输出轴(1)，对应的，定子组件包括轴承盖(3)，输出轴(1)转动安装在轴承盖(3)内。
3.根据权利要求2所述的一种三自由度球形电机，其特征在于，定子组件包括定子绕组(4)和定子壳体(5)，轴承盖(3)固定安装在定子壳体(5)上，定子绕组(4)固定安装在定子壳体(5)内，定子绕组(4)与球形转子(2)相适配。
4.根据权利要求3所述的一种三自由度球形电机，其特征在于，定子壳体(5)上成形有连接轴孔(5.3)和定子绕组槽(5.1)，轴承盖(3)固定安装在连接轴孔(5.3)内，定子绕组(4)固定安装在定子绕组槽(5.1)内。
5.根据权利要求4所述的一种三自由度球形电机，其特征在于，定子壳体(5)的45°、90°和135°的圆周上分别均匀分布有4个、6个、4个定子绕组槽(5.1)，定子绕组(4)放置在定子绕组槽(5.1)中。
6.根据权利要求3所述的一种三自由度球形电机，其特征在于，定子壳体(5)的侧壁上固定连接有定子键轴(5.2)，定子键轴(5.2)与底座(6)转动连接。
7.根据权利要求3所述的一种三自由度球形电机，其特征在于，定子绕组(4)为空心结构。
8.根据权利要求1所述的一种三自由度球形电机，其特征在于，底座(6)包括定子连接环(6.3)和底座固定环(6.4)，底座固定环(6.4)固定连接在定子连接环(6.3)上，定子组件转动安装在定子连接环(6.3)上。
9.根据权利要求8所述的一种三自由度球形电机，其特征在于，定子连接环(6.3)上固定连接有连接圈(6.5)，连接圈(6.5)关于定子连接环(6.3)圆心中心对称，连接圈(6.5)内开设有轴孔(6.2)，底座固定环(6.4)固定连接在连接圈(6.5)上。
10.根据权利要求9所述的一种三自由度球形电机，其特征在于，底座固定环(6.4)的中部固定连接有固定盘(6.1)，固定盘(6.1)上开设有固定孔。
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