CN114050697A - 一种复合式混合励磁多自由度球形电机 - Google Patents

一种复合式混合励磁多自由度球形电机 Download PDF

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CN114050697A CN202210034694.5A CN202210034694A CN114050697A CN 114050697 A CN114050697 A CN 114050697A CN 202210034694 A CN202210034694 A CN 202210034694A CN 114050697 A CN114050697 A CN 114050697A
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Abstract

本发明公开了一种复合式混合励磁多自由度球形电机，涉及电机技术领域，包括定子和转子，定子和转子参考于同一球心安装，定子与转子的间隙构成球面形气隙；其中，对各绕组的线圈通入复合电流，复合电流包含自转电流分量和偏转电流分量，通过调节复合电流中的各自转电流分量以及各偏转电流分量的大小和相位，以改变所述转子的转矩输出性能，从而实现对转子进行自转和各方向偏转的控制，使得复合式混合励磁多自由度球形电机具有仅自转状态、仅偏转状态以及复合运动状态。本发明利用了直流偏置型磁通反向电机的混合励磁特性，具有转矩密度高、运动范围大和转矩输出稳定等优点。

Description

一种复合式混合励磁多自由度球形电机
技术领域
本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种复合式混合励磁多自由度球形电机。
背景技术
随着现代科学技术的发展，对多自由度电动机在应用范围、集成度与灵活性上的要求正在逐步严格。采用各种新颖结构和不同电机原理的多自由度电动机层出不穷，不同程度上改善了多自由度电机的转矩性能、运动范围、控制精度与控制难易度等特性。
多自由度电机为提升输出转矩需大量使用铁芯，但会导致铁芯部位的磁路耦合严重，使得电机的输出性能不佳且难以控制，加之电机驱动力原理和结构的限制，导致当前多自由度电机的转矩性能和运动范围受到严重限制，无法应用于对这些性能要求较高的领域。因此，研发新结构、新颖电机原理的多功能复合式混合励磁多自由度球形电机具有重要的意义。
发明内容
本发明旨在至少一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明实施例提供一种复合式混合励磁多自由度球形电机，旨在提升多自由度电机转矩性能、运动范围与输出稳定性特性。
根据本发明实施例的复合式混合励磁多自由度球形电机，包括定子和转子，所述 定子和所述转子参考于同一球心安装，所述定子与所述转子的间隙构成球面形气隙，所述 转子的表面具有沿球坐标系中
Figure DEST_PATH_IMAGE001
向均匀分布的多个转子凹槽，用于放置转子永磁体，相邻 所述转子永磁体的极性相反，相邻两个所述转子凹槽之间设置有沿球坐标系中
Figure 953463DEST_PATH_IMAGE002
向均匀分 布的转子凸极，所述定子包括多个定子铁芯单元，相邻两个所述定子铁芯单元之间设置有 定子连接铁芯，所述定子铁芯单元设置有至少三个定子齿，三个所述定子齿缠绕有绕组，所 述定子齿设置有定子永磁体；其中，对各所述绕组的线圈通入复合电流，所述复合电流包含 自转电流分量和偏转电流分量，通过调节所述复合电流中的各自转电流分量以及各偏转电 流分量的大小和相位，以改变所述转子的转矩输出性能，从而实现对所述转子进行自转和 各方向偏转的控制，使得所述复合式混合励磁多自由度球形电机具有仅自转状态、仅偏转 状态以及复合运动状态。
在可选或优选的实施例中，所述复合式混合励磁多自由度球形电机包括偏转部分 和自转部分，单个所述定子铁芯单元的各所述绕组构成偏转绕组单元，分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 862644DEST_PATH_IMAGE004
及
Figure DEST_PATH_IMAGE005
三相；所述偏转部分中，偏转部分包括若干个偏转电机单元，所述偏转绕组单元配合相 应的所述定子永磁体以及相应的所述转子凸极，以构成所述偏转电机单元；所述自转部分 中，所有定子铁芯单元上的偏转绕组单元组合构成自转电机绕组，所述自转电机绕组配合 各所述转子永磁体以及各所述定子连接铁芯，以构成自转部分，所述自转电机绕组沿球坐 标系中
Figure 574249DEST_PATH_IMAGE001
向按极槽配合规律排列，分别为
Figure 767332DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure DEST_PATH_IMAGE007
及
Figure 906190DEST_PATH_IMAGE008
三相，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为某相的自转电机 绕组的线圈序号，满足关系公式1：
Figure 535623DEST_PATH_IMAGE010
Figure DEST_PATH_IMAGE011
；
关系公式2：
Figure 50918DEST_PATH_IMAGE012
；
关系公式3：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
Figure 98509DEST_PATH_IMAGE014
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为通入对应所述绕组序号线圈的复合电流，
Figure 221316DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure DEST_PATH_IMAGE017
及
Figure 26461DEST_PATH_IMAGE018
为自转电流分量，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 142185DEST_PATH_IMAGE020
及
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为偏转电流分量，
Figure 981965DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure DEST_PATH_IMAGE023
分别为偏转电流分量和 自转电流分量的有效值，
Figure 774209DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure DEST_PATH_IMAGE025
分别为偏转电流分量和自转电流分量的电频率，
Figure 332230DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure DEST_PATH_IMAGE027
分别为偏转电流分量和自转电流分量的初相位，
Figure 986065DEST_PATH_IMAGE028
为时间，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 945931DEST_PATH_IMAGE030
为相数，
Figure DEST_PATH_IMAGE031
为定子铁芯单元的总数。
在可选或优选的实施例中，所述复合式混合励磁多自由度球形电机处于仅偏转状 态时，偏转方向上的所述偏转绕组单元的线圈中，通入电流的偏转电流分量
Figure 410541DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure DEST_PATH_IMAGE033
及
Figure 252595DEST_PATH_IMAGE021
按 关系公式2的相位特性正弦变化，自转电流分量
Figure 647804DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure DEST_PATH_IMAGE035
及
Figure 462177DEST_PATH_IMAGE018
均为恒定值。
在可选或优选的实施例中，所述复合式混合励磁多自由度球形电机处于仅自转状 态时，单个所述偏转绕组单元的各线圈通入的电流相同，所述自转电机绕组的所有线圈中, 通入电流的偏转电流分量
Figure 596224DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure DEST_PATH_IMAGE037
及
Figure 863257DEST_PATH_IMAGE038
均为零，自转电流分量
Figure DEST_PATH_IMAGE039
、
Figure 124474DEST_PATH_IMAGE040
及
Figure DEST_PATH_IMAGE041
按关系公式 3的相位特性正弦变化。
在可选或优选的实施例中，所述复合式混合励磁多自由度球形电机处于复合运动 状态时，所有所述绕组的线圈通入的电流
Figure 793353DEST_PATH_IMAGE042
中，偏转电流分量
Figure DEST_PATH_IMAGE043
、
Figure 599766DEST_PATH_IMAGE020
及
Figure 354095DEST_PATH_IMAGE044
按关系公式2的相位特性正弦变化，自转电流分量
Figure 356686DEST_PATH_IMAGE039
、
Figure DEST_PATH_IMAGE045
及
Figure 942388DEST_PATH_IMAGE041
按关系公式3的相 位特性正弦变化。
在可选或优选的实施例中，所述定子和所述转子同球心套装在一起,所述复合式混合励磁多自由度球形电机采用外定子内转子结构或内定子外转子结构。
在可选或优选的实施例中，所述定子和所述转子同球心套装在一起,采用外定子内转子结构，所述复合式混合励磁多自由度球形电机还包括壳体，所述壳体用于固定所述定子，所述壳体圆底的中心部位设置有轴承支柱，所述转子包括转子连接铁芯以及与所述转子连接铁芯连接的转子中心轴，所述转子凹槽设置在所述转子连接铁芯上，所述转子中心轴与所述轴承支柱通过轴承润滑球面实现球面连接，从而使所述转子可相对所述定子进行自转与各方向的偏转运动。
在可选或优选的实施例中，偏转部分中，所述定子铁芯单元上的绕组均为集中绕组，每个所述绕组的电流独立控制，所述偏转绕组单元的某相基本绕组的线圈数为1，且满足
Figure 106654DEST_PATH_IMAGE046
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE047
为转子沿球坐标系中
Figure 659864DEST_PATH_IMAGE048
向排列的凸极齿的弧度形式齿距，
Figure DEST_PATH_IMAGE049
为定子铁芯 单元中沿球坐标系中
Figure 200566DEST_PATH_IMAGE050
向排列的定子齿的弧度形式齿距。
在可选或优选的实施例中，自转部分中，所述自转电机绕组产生的自转励磁磁场 等效极对数
Figure DEST_PATH_IMAGE051
与所述转子永磁体产生的等效磁场极对数
Figure 640775DEST_PATH_IMAGE052
相等。
在可选或优选的实施例中，所述转子永磁体采用表贴式、内置式或halbach阵列结构安装在所述转子中。
基于上述技术方案，本发明实施例至少具有以下有益效果：上述技术方案，通过对 各绕组的线圈通入包含自转电流分量和偏转电流分量的复合电流
Figure DEST_PATH_IMAGE053
: 仅偏转状态时，单个定子铁芯单元中的各绕组的自转电流分量为恒定值，通过控制偏转电 流分量的大小和相位，对转子各方向偏转的控制；仅自转状态时，所有绕组的线圈通入电流 的偏转电流分量为零，通过控制自转电流分量的大小和相位，对转子自转进行控制；利用直 流偏置型磁通反向电机的混合励磁特性，通过控制偏转用磁通反向电机中绕组电流的自转 电流分量，来产生自转用永磁同步电机所需的旋转励磁磁场，配合特定的电流控制策略，同 时调节
Figure 54570DEST_PATH_IMAGE015
中的自转电流分量和偏转电流分量，实现了电机自转与沿任 意方向偏转的多自由度运动。本发明提出了一款转矩密度高、偏转角度大且偏转转矩随偏 转角度变化不大的多自由度球形电机，产生自转转矩和偏转转矩所用的磁路在定子铁芯部 位中的耦合程度低，易于分析控制，且偏转角度仅受轴承结构和所述转子凸极覆盖纬度的 限制，具有电磁元件模块化、调整方便的优势。适用于轮毂驱动、机器人关节驱动、万向摄影 驱动和自动化生产等应用场合。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；
图1是本发明实施例一的剖视立体图，其中，出示的是外定子内转子结构；
图2是本发明实施例一中定子的立体图；
图3是本发明实施例一中转子的立体图；
图4是本发明实施例一中定子铁芯单元与定子连接铁芯的立体图；
图5是本发明实施例偏转状态截图的绕组标识和转子受力示意图；
图6是本发明实施例自转状态截图的绕组标识和转子受力示意图；
图7是本发明实施例仅偏转状态时，单个偏转绕组单元的通电特性分析图；
图8是本发明实施例仅自转状态时，单个偏转绕组单元的通电特性分析图；
图9是本发明实施例复合运动状态时，单个偏转绕组单元的通电特性分析图；
图10是本发明实施例二的剖视立体图，其中，出示的是外转子内定子结构。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
实施例一
参照图1至图4，出示了一种复合式混合励磁多自由度球形电机，包括定子10和转子20，定子10和转子20参考于同一球心安装，定子10与转子20的间隙构成球面形气隙，即定子10气隙侧的表面与转子20气隙侧的表面均为同心的等效球形弧面结构，两表面之间存在规律均匀的气隙。
如图2，定子10包括多个定子铁芯单元11，相邻两个定子铁芯单元11之间设置有定 子连接铁芯12。结合图4，定子铁芯单元11设置有至少三个定子齿13，三个定子齿13缠绕有 绕组16，定子齿13设置有定子永磁体15。定子铁芯单元11的轭部与定子连接铁芯12沿球坐 标系中的
Figure 517912DEST_PATH_IMAGE054
向连接，从而形成定子10。
如图3，转子20的表面具有多个沿球坐标系中
Figure 862306DEST_PATH_IMAGE054
向均匀分布的转子凹槽，用于放置 转子永磁体21，相邻转子永磁体21的极性相反，相邻两个转子凹槽之间设置有沿球坐标系 中
Figure 94704DEST_PATH_IMAGE048
向均匀分布的转子凸极23。进一步描述的，转子20还包括转子连接铁芯22以及与转子 连接铁芯22连接的转子中心轴24，转子凹槽设置在转子连接铁芯22上。
具体说明的是，本实施例复合式混合励磁多自由度球形电机，是采用外定子内转子结构，如图1所示，定子10和转子20同球心套装在一起。
复合式混合励磁多自由度球形电机还包括壳体31，壳体31用于固定定子10，壳体31圆底的中心部位设置有轴承支柱41，转子中心轴24与轴承支柱41通过轴承润滑球面42实现球面连接，从而使转子20可相对定子10进行自转与各方向的偏转运动。
本实施例复合式混合励磁多自由度球形电机是采用外定子内转子结构，因此，壳体31连接固定着定子10，转子20的转子中心轴24与轴承支柱41通过轴承润滑球面42实现球面连接，该实施例中的轴承润滑球面42设置在轴承支柱41端部上；定子10中，定子齿13上的定子永磁体15均设置在径向内侧，定子永磁体15的磁化方向皆为沿径向向内；转子20中，转子凹槽径向向外设置，朝向定子10气隙侧的表面。
本发明实施例，对各绕组16的线圈通入复合电流，复合电流包含自转电流分量和偏转电流分量，通过调节复合电流中的各自转电流分量以及各偏转电流分量的大小和相位，以改变转子20的转矩输出性能，从而实现对转子20进行自转和各方向偏转的控制，使得复合式混合励磁多自由度球形电机具有仅自转状态、仅偏转状态以及复合运动状态。
可以理解的是，仅偏转状态时，单个定子铁芯单元11中的各绕组16的自转电流分 量为恒定值，通过控制偏转电流分量的大小和相位，对转子20各方向偏转的控制。仅自转状 态时，所有绕组16的线圈通入电流的偏转电流分量为零，通过控制自转电流分量的大小和 相位，对转子20自转进行控制.利用直流偏置型磁通反向电机的混合励磁特性，通过控制偏 转用磁通反向电机中绕组电流的自转电流分量，来产生自转用永磁同步电机所需的旋转励 磁磁场，配合特定的电流控制策略，同时调节复合电流
Figure DEST_PATH_IMAGE055
中的自转电 流分量和偏转电流分量，实现了电机自转与沿任意方向偏转的多自由度运动。本实施例中，
Figure 928668DEST_PATH_IMAGE015
指的是包含自转电流分量和偏转电流分量的复合电流。
具体而言，复合式混合励磁多自由度球形电机包括偏转部分和自转部分。
其中，单个定子铁芯单元11的各绕组16构成偏转绕组单元，分别为
Figure 879306DEST_PATH_IMAGE056
、
Figure DEST_PATH_IMAGE057
及
Figure 73396DEST_PATH_IMAGE058
三相。
偏转部分中，偏转部分包括若干个偏转电机单元，偏转绕组单元配合相应的定子 永磁体15以及相应的转子凸极23构成偏转电机单元。如图5所示，具体的，偏转部分中，偏转 电机单元的偏转绕组单元，分别为
Figure 425880DEST_PATH_IMAGE059
、
Figure 368428DEST_PATH_IMAGE060
及
Figure 868680DEST_PATH_IMAGE061
三相。图5中，以偏转绕组单元
Figure 554876DEST_PATH_IMAGE062
为 例，来说明偏转绕组的电流特性。
自转部分中，所有定子铁芯单元11上的偏转绕组单元组合构成自转电机绕组，自 转电机绕组配合各转子永磁体21以及各定子连接铁芯12，以构成自转部分，自转电机绕组 沿球坐标系中
Figure 761867DEST_PATH_IMAGE054
向按极槽配合规律排列，分别为
Figure 688365DEST_PATH_IMAGE063
、
Figure 613596DEST_PATH_IMAGE064
及
Figure 837904DEST_PATH_IMAGE065
三相。如图6所示，具 体的，自转部分中，自转电机绕组共有12个偏转绕组单元，分别为
Figure 164980DEST_PATH_IMAGE066
、
Figure 246069DEST_PATH_IMAGE067
、
Figure 658595DEST_PATH_IMAGE068
、
Figure 686594DEST_PATH_IMAGE069
、
Figure 242078DEST_PATH_IMAGE070
、
Figure 697330DEST_PATH_IMAGE071
、
Figure 331574DEST_PATH_IMAGE072
、
Figure 710734DEST_PATH_IMAGE073
、
Figure 12402DEST_PATH_IMAGE074
、
Figure 638556DEST_PATH_IMAGE075
、
Figure 760095DEST_PATH_IMAGE076
、
Figure 192214DEST_PATH_IMAGE077
。上述
Figure 348389DEST_PATH_IMAGE078
满足
关系公式1：
Figure 145443DEST_PATH_IMAGE079
Figure 65864DEST_PATH_IMAGE080
；
关系公式2：
Figure 973777DEST_PATH_IMAGE081
；
关系公式3：
Figure 984458DEST_PATH_IMAGE082
Figure 952414DEST_PATH_IMAGE083
；
其中，
Figure 110863DEST_PATH_IMAGE015
为通入对应所述绕组序号线圈的复合电流，
Figure 822467DEST_PATH_IMAGE084
、
Figure 687655DEST_PATH_IMAGE085
及
Figure 639562DEST_PATH_IMAGE086
为自转电流分量，
Figure 222990DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 738285DEST_PATH_IMAGE020
及
Figure 457979DEST_PATH_IMAGE021
为偏转电流分量，
Figure 830054DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure 900779DEST_PATH_IMAGE023
分别为偏转电流分量和 自转电流分量的有效值，
Figure 954185DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure 793965DEST_PATH_IMAGE025
分别为偏转电流分量和自转电流分量的电频率，
Figure 586210DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure 144230DEST_PATH_IMAGE027
分别为偏转电流分量和自转电流分量的初相位，
Figure 735748DEST_PATH_IMAGE028
为时间，
Figure 492352DEST_PATH_IMAGE087
，
Figure 409492DEST_PATH_IMAGE030
为相数，
Figure 189229DEST_PATH_IMAGE031
为定子铁芯单元的总数。
复合式混合励磁多自由度球形电机处于仅偏转状态时，偏转方向上的偏转绕组单 元的线圈中，通入电流的偏转电流分量
Figure 584439DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 211860DEST_PATH_IMAGE020
及
Figure 34323DEST_PATH_IMAGE021
按关系公式2的相位特性正弦变化，自 转电流分量
Figure 301356DEST_PATH_IMAGE088
、
Figure 562573DEST_PATH_IMAGE017
及
Figure 231452DEST_PATH_IMAGE018
均为恒定值。参照图7，以偏转绕组单元
Figure 224815DEST_PATH_IMAGE089
为例，进行通电特 性分析，此时，该偏转绕组单元
Figure 979145DEST_PATH_IMAGE090
中，单个线圈通入的复合电流是恒定的自转电流分量 和交变的偏转电流分量的叠加值，形成了电流
Figure 27741DEST_PATH_IMAGE091
、
Figure 551126DEST_PATH_IMAGE092
及
Figure 980971DEST_PATH_IMAGE093
。
复合式混合励磁多自由度球形电机处于仅自转状态时，单个偏转绕组单元的各绕 组16通入的电流相同，自转电机绕组的所有线圈中,通入电流的偏转电流分量
Figure 222596DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure 560037DEST_PATH_IMAGE020
及
Figure 203508DEST_PATH_IMAGE021
均为零，通入的自转电流分量
Figure 538674DEST_PATH_IMAGE094
、
Figure 80645DEST_PATH_IMAGE095
及
Figure 159459DEST_PATH_IMAGE096
按关系公式3的相位特性正弦变化。参照图8， 以偏转绕组单元
Figure 657437DEST_PATH_IMAGE090
为例，进行通电特性分析，此时，该偏转绕组单元
Figure 429084DEST_PATH_IMAGE066
中，单个线圈 通入的复合电流仅包含交变的自转电流分量，形成了电流
Figure 442039DEST_PATH_IMAGE097
、
Figure 324544DEST_PATH_IMAGE098
及
Figure 677028DEST_PATH_IMAGE093
。
复合式混合励磁多自由度球形电机处于复合运动状态时，所有绕组16的线圈通入 的复合电流
Figure 931161DEST_PATH_IMAGE099
中，偏转电流分量
Figure 369096DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 789713DEST_PATH_IMAGE037
及
Figure 262282DEST_PATH_IMAGE038
按关系公式2的相位特 性正弦变化，自转电流分量
Figure 438049DEST_PATH_IMAGE039
、
Figure 363279DEST_PATH_IMAGE045
及
Figure 587587DEST_PATH_IMAGE100
按关系公式3的相位特性正弦变化。参照图9， 以偏转绕组单元
Figure 462134DEST_PATH_IMAGE101
为例，进行通电特性分析，此时，该偏转绕组单元
Figure 746484DEST_PATH_IMAGE062
中，单个线圈通 入的复合电流是交变的自转电流分量和交变的偏转电流分量的叠加值，形成了电流
Figure 159011DEST_PATH_IMAGE097
、
Figure 187010DEST_PATH_IMAGE102
及
Figure 430910DEST_PATH_IMAGE103
。
另外，定子铁芯单元11上的绕组16均为集中绕组，每个绕组16的电流独立控制。偏转部分中，所述偏转绕组单元的某相基本绕组的线圈数为1，且满足
Figure 620582DEST_PATH_IMAGE104
；
其中，
Figure 520405DEST_PATH_IMAGE047
为转子沿球坐标系中
Figure 86516DEST_PATH_IMAGE048
向排列的凸极齿的弧度形式齿距，
Figure 723206DEST_PATH_IMAGE049
为定子铁芯 单元中沿球坐标系中
Figure 83780DEST_PATH_IMAGE050
向排列的定子齿的弧度形式齿距。自转部分中，自转电机绕组产生 的自转励磁磁场等效极对数
Figure 470899DEST_PATH_IMAGE051
转子永磁体产生的等效磁场极对数
Figure 903018DEST_PATH_IMAGE052
相等。
本实施例中的复合式混合励磁多自由度球形电机，参照图1至图4，转子沿球坐标 系中
Figure 793613DEST_PATH_IMAGE048
向排列的凸极齿的弧度形式齿距
Figure 590668DEST_PATH_IMAGE105
为
Figure 199504DEST_PATH_IMAGE106
，定子铁芯单元中沿球坐标系中
Figure 186046DEST_PATH_IMAGE048
向排列 的定子齿的弧度形式齿距
Figure 196727DEST_PATH_IMAGE107
为
Figure 164683DEST_PATH_IMAGE108
，相数
Figure 323132DEST_PATH_IMAGE030
为3。自转部分中，自转电机绕组产生的自转励磁 磁场等效极对数
Figure 34736DEST_PATH_IMAGE051
为5，转子永磁体产生的等效磁场极对数
Figure 899924DEST_PATH_IMAGE052
为5。
复合式混合励磁多自由度球形电机，当该电机仅偏转时，单个偏转绕组单元上各个线圈的磁通虽然在三相交变，但合成磁通为恒定值，即该定子铁芯单元所有径向齿面的合成磁通是恒定的，因此不会产生自转转矩，只会影响电机自转方向上的齿槽转矩。当该电机仅自转时，由于通入电流只存在自转电流分量，偏转绕组单元中的线圈电流变化规律遵循同一正弦波形，因此不会产生偏转转矩，只会影响该偏转绕组单元方向上的偏转齿槽转矩。
上述复合式混合励磁多自由度球形电机的偏转部分具有和混合励磁电机同样的磁场调节能力，偏转绕组单元上的励磁磁场与定子永磁磁场并联，可令通入的自转分量为直流分量，使电机可在较宽的范围内调节其偏转输出性能。
本发明针对于目前多自由度电机的转矩性能、运动范围和磁路耦合问题，提出了一种复合式混合励磁多自由度球形电机，在大量使用铁芯的情况下，保证了单磁场多用、磁场耦合程度低和规律性强的特点，选用了特定的极槽配合，使得电机具有转矩输出高、运动范围广和控制原理简单的优点，为多自由度电机的应用提供储备，适用于轮毂驱动、机器人关节驱动、万向摄影驱动和自动化生产等应用场合。
优选的，定子铁芯单元11设置的三个定子齿13，均为完整齿，另外定子铁芯单元11还设置了一个定子部分齿14，定子部分齿14用于优化偏转转矩输出，可显著减少偏转转矩脉动，其齿宽根据转矩脉动优化最小原则确定。
实施例二
参照图10，该实施例的复合式混合励磁多自由度球形电机，与实施例一不同之处在于采用内定子外转子结构。具体而言，壳体31连接固定着定子10，转子20的转子中心轴24与轴承支柱41通过轴承润滑球面42实现球面连接。定子10中，定子齿13上的定子永磁体15均设置在径向外侧，定子永磁体15的磁化方向皆为沿径向向外；转子20中，转子凹槽径向向内设置，朝向定子10气隙侧的表面。该实施例中的轴承润滑球面42设置在转子中心轴24端部上。
上述两个实施例，转子永磁体21采用表贴式、内置式或halbach阵列结构安装在转子20中。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种复合式混合励磁多自由度球形电机，其特征在于：包括
定子和转子，所述定子和所述转子参考于同一球心安装，所述定子与所述转子的间隙 构成球面形气隙，所述转子的表面具有沿球坐标系中
Figure 824947DEST_PATH_IMAGE001
向均匀分布的多个转子凹槽，用于 放置转子永磁体，相邻所述转子永磁体的极性相反，相邻两个所述转子凹槽之间设置有沿 球坐标系中
Figure 810220DEST_PATH_IMAGE002
向均匀分布的多个转子凸极，所述定子包括多个定子铁芯单元，相邻两个所 述定子铁芯单元之间设置有定子连接铁芯，所述定子铁芯单元设置有至少三个定子齿，三 个所述定子齿缠绕有绕组，所述定子齿设置有定子永磁体；其中，
对各所述绕组的线圈通入复合电流，所述复合电流包含自转电流分量和偏转电流分量，通过调节所述复合电流中的各自转电流分量以及各偏转电流分量的大小和相位，以改变所述转子的转矩输出性能，从而实现对所述转子进行自转和各方向偏转的控制，使得所述复合式混合励磁多自由度球形电机具有仅自转状态、仅偏转状态以及复合运动状态。
2.根据权利要求1所述的复合式混合励磁多自由度球形电机，其特征在于，所述复合式 混合励磁多自由度球形电机包括偏转部分和自转部分，单个所述定子铁芯单元的各所述绕 组构成偏转绕组单元，分别为
Figure 697143DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 767867DEST_PATH_IMAGE004
及
Figure 821274DEST_PATH_IMAGE005
三相；
所述偏转部分中，偏转部分包括若干个偏转电机单元，所述偏转绕组单元配合相应的所述定子永磁体以及相应的所述转子凸极，以构成所述偏转电机单元；
所述自转部分中，所有定子铁芯单元上的偏转绕组单元组合构成自转电机绕组，所述 自转电机绕组配合各所述转子永磁体以及各所述定子连接铁芯，以构成自转部分，所述自 转电机绕组沿球坐标系中
Figure 661054DEST_PATH_IMAGE001
向按极槽配合规律排列，分别为
Figure 938451DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 230892DEST_PATH_IMAGE007
及
Figure 87990DEST_PATH_IMAGE008
三相，
Figure 595326DEST_PATH_IMAGE009
为 某相的自转电机绕组的线圈序号，满足
关系公式1：
Figure 246887DEST_PATH_IMAGE010
Figure 292203DEST_PATH_IMAGE011
；
关系公式2：
Figure 687413DEST_PATH_IMAGE012
；
关系公式3：
Figure 564102DEST_PATH_IMAGE013
Figure 652143DEST_PATH_IMAGE014
；
其中，
Figure 919177DEST_PATH_IMAGE015
为通入对应所述绕组序号线圈的复合电流，
Figure 852498DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 567382DEST_PATH_IMAGE017
及
Figure 826325DEST_PATH_IMAGE018
为自转电流分量，
Figure 315075DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 379983DEST_PATH_IMAGE020
及
Figure 903368DEST_PATH_IMAGE021
为偏转电流分量，
Figure 67633DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure 309259DEST_PATH_IMAGE023
分别为偏转电流分量和自转 电流分量的有效值，
Figure 928590DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure 306482DEST_PATH_IMAGE025
分别为偏转电流分量和自转电流分量的电频率，
Figure 907227DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure 370570DEST_PATH_IMAGE027
分 别为偏转电流分量和自转电流分量的初相位，
Figure 511701DEST_PATH_IMAGE028
为时间，
Figure 9678DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 515746DEST_PATH_IMAGE030
为相数，
Figure 309127DEST_PATH_IMAGE031
为定 子铁芯单元的总数。
3.根据权利要求2所述的复合式混合励磁多自由度球形电机，其特征在于：所述复合式 混合励磁多自由度球形电机处于仅偏转状态时，偏转方向上的所述偏转绕组单元的线圈 中，通入电流的偏转电流分量
Figure 191633DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure 544117DEST_PATH_IMAGE020
及
Figure 221086DEST_PATH_IMAGE033
按关系公式2的相位特性正弦变化，自转电流分 量
Figure 455758DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 141954DEST_PATH_IMAGE035
及
Figure 348945DEST_PATH_IMAGE036
均为恒定值。
4.根据权利要求2所述的复合式混合励磁多自由度球形电机，其特征在于：所述复合式 混合励磁多自由度球形电机处于仅自转状态时，单个所述偏转绕组单元的各线圈通入的电 流相同，所述自转电机绕组的所有线圈中,通入电流的偏转电流分量
Figure 462394DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure 200674DEST_PATH_IMAGE020
及
Figure 424982DEST_PATH_IMAGE033
均为零， 自转电流分量
Figure 752058DEST_PATH_IMAGE037
、
Figure 364305DEST_PATH_IMAGE035
及
Figure 511253DEST_PATH_IMAGE036
按关系公式3的相位特性正弦变化。
5.根据权利要求2所述的复合式混合励磁多自由度球形电机，其特征在于：所述复合式 混合励磁多自由度球形电机处于复合运动状态时，所有所述绕组的线圈通入的电流
Figure 539252DEST_PATH_IMAGE038
中，偏转电流分量
Figure 720834DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 222092DEST_PATH_IMAGE020
及
Figure 121914DEST_PATH_IMAGE033
按关系公式2的相位特性正弦变 化，自转电流分量
Figure 688025DEST_PATH_IMAGE039
、
Figure 724114DEST_PATH_IMAGE040
及
Figure 412584DEST_PATH_IMAGE041
按关系公式3的相位特性正弦变化。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的复合式混合励磁多自由度球形电机，其特征在于：所述定子和所述转子同球心套装在一起,所述复合式混合励磁多自由度球形电机采用外定子内转子结构或内定子外转子结构。
7.根据权利要求6所述的复合式混合励磁多自由度球形电机，其特征在于：所述定子和所述转子同球心套装在一起,采用外定子内转子结构，所述复合式混合励磁多自由度球形电机还包括壳体，所述壳体用于固定所述定子，所述壳体圆底的中心部位设置有轴承支柱，所述转子包括转子连接铁芯以及与所述转子连接铁芯连接的转子中心轴，所述转子凹槽设置在所述转子连接铁芯上，所述转子中心轴与所述轴承支柱通过轴承润滑球面实现球面连接，从而使所述转子可相对所述定子进行自转与各方向的偏转运动。
8.根据权利要求2所述的复合式混合励磁多自由度球形电机，其特征在于，偏转部分中，所述定子铁芯单元上的绕组均为集中绕组，每个所述绕组的电流独立控制，所述偏转绕组单元的某相基本绕组的线圈数为1，且满足
Figure 534124DEST_PATH_IMAGE042
；
其中，
Figure 903926DEST_PATH_IMAGE043
为转子沿球坐标系中
Figure 138729DEST_PATH_IMAGE044
向排列的凸极齿的弧度形式齿距，
Figure 935784DEST_PATH_IMAGE045
为定子铁芯单元 中沿球坐标系中
Figure 544620DEST_PATH_IMAGE046
向排列的定子齿的弧度形式齿距。
9.根据权利要求2所述的复合式混合励磁多自由度球形电机，其特征在于：自转部分 中，所述自转电机绕组产生的自转励磁磁场等效极对数
Figure 452533DEST_PATH_IMAGE047
与所述转子永磁体产生的等效 磁场极对数
Figure 259952DEST_PATH_IMAGE048
相等。
10.根据权利要求2所述的复合式混合励磁多自由度球形电机，其特征在于：所述转子永磁体采用表贴式、内置式或halbach阵列结构安装在所述转子中。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101277054A (zh) * 2007-03-28 2008-10-01 株式会社东芝 驱动机构、使用该驱动机构的摄像装置及全息记录装置
US20130154397A1 (en) * 2011-12-19 2013-06-20 John T. Sullivan High efficiency magnetic core electrical machines
CN104753285A (zh) * 2015-04-03 2015-07-01 哈尔滨工业大学 弧面二自由度永磁轮毂电机
CN111293841A (zh) * 2020-03-13 2020-06-16 河北科技大学 双转子电机

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101277054A (zh) * 2007-03-28 2008-10-01 株式会社东芝 驱动机构、使用该驱动机构的摄像装置及全息记录装置
US20130154397A1 (en) * 2011-12-19 2013-06-20 John T. Sullivan High efficiency magnetic core electrical machines
CN104753285A (zh) * 2015-04-03 2015-07-01 哈尔滨工业大学 弧面二自由度永磁轮毂电机
CN111293841A (zh) * 2020-03-13 2020-06-16 河北科技大学 双转子电机

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
李争等: "多自由度电机的发展及关键技术综述", 《电机与控制》 *

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