CN204993115U - 磁悬浮球形感应电机 - Google Patents

Abstract

磁悬浮球形感应电机，属于机电一体化领域，主要包括转动臂、球形转子、定子、电磁铁铁芯、尼龙缓冲圈、壳体、检测控制系统和其他辅助零件。球形转子包括两个部分，是由两个半球形转子构成。定子部分是由五个单独的定子共同构成，定子由定子铁芯和定子绕组构成，定子所构成的内球面与转子的外球面之间存在一定气隙。转动臂连接转子从未放置电磁铁的相反一侧伸向外端，尼龙缓冲圈、电磁铁铁芯构成夹持机构。基座上设有DSP数字控制器、驱动电路、逆变器、整流稳压电路、传感器、信号处理电路的控制系统，在球形转子中心空隙中设有由蓝牙MPU6050组成的检测系统。本结构合理简单，紧凑，实现无摩擦，无磨损，无线发射接收数据，动态性能好，响应速度快。

Description

磁悬浮球形感应电机

技术领域

本实用新型涉及的是一种工程中广泛应用的具有多自由度的磁悬浮球形感应电机，属于机电一体化电机技术领域。

背景技术

目前，电机驱动技术中所研究的基本都是一维或者二维的运动，比如：一维直线电机，一维的旋转电机，二维的平面直线电机等，很多时候电机的运动不能直接运用于机器零件，以实现特定的运动。当将电机产生的动力传输给其他执行机构的时候需要加入一些传动机构，传动机构的加入降低了机器整体的可靠性，增加了能量损耗，不利于机器的运转。同时，一维或二维运动的电机不能单独实现复杂的运动。在一些机器人的关节上使用的电机往往只能实现一个自由度的运动，如果要实现复杂的运动，那么则需要多个电机，这样是机器人重量加大，结构臃肿，大大降低了机器人的灵活性。

球形电机具有广泛的应用前景，主要的应用领域有机器人及机械手，多坐标机械加工中心，航天飞行器，电动陀螺仪，全方位跟踪天线，医疗器械，摄像操作台，全景摄像操作台，搅拌机，移动机构的万向轮，球形阀，球形泵等具有多个运动自由度的设备中。电机系统包括驱动器，传动器和控制器，属于机器人的基础部件，是整个机器人伺服系统中的一个重要环节，其结构，重量和尺寸对机器人性能有直接的影响。大多数机器人关节为多自由度关节，而多自由度关节的运动是通过几个关节通过连杆连接利用平移和旋转运动协调运动发生的，往往需要采用多套单自由度的驱动机构以及复杂的机械传动机构来完成。这样导致结构复杂，体积庞大，关节摩擦面磨损严重，效率低下，制造安装困难，运动空间范围小，响应迟缓，动态性能较差。而且机械传动系统误差的累积导致整个控制系统的精度下降，甚至影响系统的稳定性。有鉴于此，需要设计一种新型的球形电机，以缓解现有技术的上述缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的在于基于磁悬浮技术和电机技术，提供一种机械集成度高，结构简单，精度和动态性能好，没有摩擦、磨损，能够实现绕过定点空间轴旋转的多自由度的磁悬浮球形感应电机。

本实用新型为解决其技术问题所采用的技术方案如下：磁悬浮球形感应电机，包括支撑电机的基座、置于基座上的壳体、转动臂、置于壳体内的转子和定子，其特征是，所述转子是由两个半球形转子连接而成的空心的球形转子，球形转子的空心内部中心设有检测模块，球形转子的顶部开有一个放置转动臂的通孔，转动臂与球形转子固定为一体，并通过该通孔伸向外端；所述基座上设有控制模块，检测模块与控制模块之间数据传输采用的是蓝牙无线发射和接收；

所述球形转子的外表面开设有若干连续并交叉的转子沟槽，转子沟槽的交叉点处设有通向球形转子球心的转子通孔，在转子沟槽和转子通孔内放置有导线构成的转子绕组或电枢绕组，转子绕组通路为封闭回路，并在球形转子的空心内球面交汇短接；

所述定子由五个分开的独立定子组成，分别置于球形转子的前、后、左、右和下侧，并构成内球面，该内球面与球形转子外球面之间同心且存在气隙；每个独立定子通过轴套与壳体连接，独立定子安装在相应的轴套中，该独立定子包括定子铁芯、定子绕组，定子铁芯内圆周壁上开有均匀分布的槽，用于放置定子绕组，定子绕组由若干线圈连接而成，每个线圈的两个有效边分别放在两个槽内；所述定子设有三相四极绕组或是多相通电线圈电阻，以实现对球形转子的径向稳定悬浮和三个旋转自由度方向的驱动；

所述壳体的前、后、左、右和下侧面上都设有一组夹持机构，夹持机构由尼龙缓冲圈、弹簧、电磁铁铁芯构成；尼龙缓冲圈置于定子铁芯的中心，并在定子铁芯的内侧一端用弹簧卡固，电磁铁铁芯伸入尼龙缓冲圈中心；电机不工作时，夹持机构在弹簧力的作用下处于夹持状态，电机工作时，夹持机构在电磁力作用下处于松开状态。

所述基座上的控制模块由DSP数字控制器、驱动电路、逆变器、整流稳压电路、传感器、信号处理电路构成。

所述球心转子是由具有良好导磁性能的材料制成，两个半球形转子之间通过三个圆柱销连接成一个完整的球形转子。

所述定子是采用具有良好导磁性能的材料组成。

所述检测模块采用的是MPU6050传感器集成的模块，MPU6050模块可以检测运载体的姿态角，角速度和加速度，并且集成了三轴陀螺仪和三轴加速度计，节省了大量空间，降低成本。将MPU6050采集到的数据经过蓝牙模块无线发射出去，省去了大量布线，同时提高了运算速度和精度。其中的控制模块是接受无线发射的数据，经过信号处理电路后由DSP数字控制器进行A/D转换和控制算法的运算，并转换为控制悬浮和控制旋转的两组PWM脉冲控制信号，PWM控制信号控制开关功率放大器和逆变器，使经过稳压整流的电源提供给电机定子绕组的电流，随PWM脉冲信号变化而调节支撑转子的悬浮磁力和驱动球形管子转动的电磁力矩，以支撑球形转子稳定悬浮并驱动转子按给定指令转动。

所述壳体是长方体，六个面各打有一个螺纹孔，四周面的四个螺纹孔的轴线在同一个平面上且相交于一点，上下两端面的螺纹孔轴线重合，且与上述四轴线所构成的平面垂直并相交于同一个点；螺纹孔与定子的轴套的外圆柱面进行螺纹配合，定子与转子球心的距离通过定子轴套与壳体的螺纹连接来进行微调。

所述定子铁芯在与球形转子对应的一面为球形凹面。

所述定子铁芯（定子）用轴套固定于壳体上，并用端盖、圆螺母加螺栓固定，所述电磁铁铁芯用螺母固定在端盖上。

电磁铁与尼龙缓冲圈、电磁铁铁芯分别同时连接，尼龙缓冲圈在与球形转子对应的一面为球面，其与转子球面的距离通过电磁铁的螺纹连接进行调节，尼龙缓冲圈的动作取决于电磁铁的得电与失电；当球形电机未启动时，电磁铁处于得电状态，五个电磁铁的推杆伸长，使得五个尼龙缓冲圈夹持住球形转子，使转子处于悬浮中心；当球形电机得电启动时，电磁铁失电，电磁铁推杆收缩，此时转子被松开，转子处于工作时的悬浮状态。

本实用新型所提出的磁悬浮球形感应电机包括基座，电机定子，电机转子，转动臂，壳体，夹持机构，检测控制系统。基座与壳体固定为一体，定子部分与电机壳体固定，转子与转动臂固定为一体，转动臂通过与基座安装的反向伸向外端（转动臂连接转子从未放置电磁铁的相反一侧伸向外端），定子的内表面与转子的球形外表面之间同心且存在一定的气隙，在定子的各个部分上布置有电磁铁夹持机构，在基座上布置有控制系统模块，在球形转子的空心原点处布置有检测系统模块，检测系统模块主要是采用蓝牙MPU6050进行检测的，控制系统模块主要是由DSP数字控制器，驱动电路，逆变器，整流稳压电路，传感器和信号处理电路组成。

定子是圆柱体在中心开有相互垂直且连续的沟槽，在沟槽内设有定子绕组。

球形转子是由两个半球形转子通过圆柱销连接在一起构成球形转子，在球形转子的外表面开设有连续并交叉的转子沟槽，该转子沟槽的交叉点处设有通向球形转子球心的转子通孔，在转子沟槽和转子通孔内放置有导线体构成转子绕组或电枢绕组，转子绕组通路为封闭回路，并在球形转子的空心内球面交汇短接。在半球形转子的顶部开有一个通孔，为放置转动轴。由五个定子组成的内球面与转子外球面之间相互同心且存在气隙。

夹持机构由尼龙缓冲圈、弹簧、圆螺母、轴套和电磁铁铁芯构成。电机不工作时在弹簧力的作用下处于夹持状态，电机工作时在电磁力作用下处于松开状态。定子绕组用于产生旋转转矩和产生作用于球形转子上的径向力，使得转子实现悬浮，以实现对球形转子的径向稳定悬浮和三个旋转自由度方向上的驱动。

电机定子内球面的球心为原点，转动主轴为Z轴的三轴坐标系内，其中两个电磁铁夹持机构在圆心处的法线（即定子在圆心处的法线）与X轴同轴并相对于Y轴对称，两个电磁铁夹持机构在圆心处的法线与Y轴同轴并相对于X轴对称，一个电磁铁夹持机构的圆心处的法线与Z轴同轴，和转动臂的方向正好反向。

结合磁悬浮技术和电机技术，实现球形感应电机的悬浮支撑并驱动转动。在电机工作过程中，由蓝牙MPU6050不断检测并发射转子的位置姿态数据，并对所检测的信号进行调制、放大、解调、滤波等信号处理，将处理的转子位置姿态信号由DSP数字控制器进行A/D转换并与指令信号比较，以及做控制算法的运算，转换为控制悬浮和控制旋转的两组PWM脉冲控制信号，去控制各自的逆变器，使经过稳压整流的电源电流随PWM脉冲信号变化，分别调节电机绕组产生的电磁转矩和电磁径向悬浮力，以控制电机转子稳定悬浮并按照所给定的位移或角速度指令旋转。

本实用新型结构简单，紧凑，电机的转子与定子之间实现无摩擦，无磨损，无线发射接收数据，动态性能好，响应速度快。

附图说明

图1为本实用新型磁悬浮感应电机的主视图；

图2为本实用新型磁悬浮感应电机的俯视图；

图3为图1中C-C向剖面图；

图中：1电磁铁铁芯、2圆螺母、3端盖、4M4×25六角头螺栓、5特扁细牙螺母、6壳体、7上端盖、8基座、9球形转子上半球、10转动臂、11螺母、12定子绕组、13弹簧、14尼龙缓冲圈、15轴套、16球形转子下半球、17定子铁芯、18MPU6050检测模块、19DSP控制单元。

具体实施方式

磁悬浮球形感应电机，包括支撑电机的基座8、置于基座上的壳体6、转动臂10、置于壳体内的转子和定子。

转子是由两个半球形转子连接而成的空心的球形转子，球心转子是由具有良好导磁性能的材料制成，两个半球形转子（即球形转子上半球9、球形转子下半球16）之间通过三个圆柱销连接成一个完整的球形转子。球形转子的空心内部中心设有检测模块18，检测模块采用的是MPU6050传感器集成的模块，MPU6050模块可以检测运载体的姿态角，角速度和加速度，球形转子的顶部开有一个放置转动臂的通孔。

基座上设有控制模块，控制模块由DSP数字控制器19、驱动电路、逆变器、整流稳压电路、传感器、信号处理电路构成。检测模块与控制模块之间数据传输采用的是蓝牙无线发射和接收。

球形转子的外表面开设有若干连续并交叉的转子沟槽，转子沟槽的交叉点处设有通向球形转子球心的转子通孔，在转子沟槽和转子通孔内放置有导线构成转子绕组或电枢绕组，转子绕组通路为封闭回路，并在球形转子的空心内球面交汇短接。

定子是采用具有良好导磁性能的材料组成，由五个分开的独立定子组成，分别置于球形转子的前、后、左、右和下侧，并构成内球面，且与球形转子外球面之间相互同心且存在气隙；每个独立定子包括定子铁芯17、定子绕组12，定子铁芯内圆周壁上开有均匀分布的槽，用于放置定子绕组，定子绕组由若干线圈连接而成，每个线圈的两个有效边分别放在两个槽内。定子铁芯在与球形转子对应的一面为球形凹面，定子设有三相四极绕组或是多相通电线圈电阻，以实现对球形转子的径向稳定悬浮和三个旋转自由度方向的驱动。

壳体的前、后、左、右和下侧面上都设有一组夹持机构，夹持机构由尼龙缓冲圈14、弹簧13、电磁铁铁芯1构成；尼龙缓冲圈置于定子铁芯的中心，并在定子铁芯的内侧一端用弹簧卡固，电磁铁铁芯伸入尼龙缓冲圈中心；电磁铁与尼龙缓冲圈、电磁铁铁芯分别同时连接，尼龙缓冲圈在与球形转子对应的一面为球面，其与转子球面的距离通过电磁铁的螺纹连接进行调节，尼龙缓冲圈的动作取决于电磁铁的得电与失电；当球形电机未启动时，电磁铁处于得电状态，五个电磁铁的推杆伸长，使得五个尼龙缓冲圈夹持住球形转子，使转子处于悬浮中心；当球形电机得电启动时，电磁铁失电，电磁铁推杆收缩，此时转子被松开，转子处于工作时的悬浮状态。

定子铁芯用轴套15固定于壳体上，并用端盖3、圆螺母2加螺栓固定，电磁铁铁芯用螺母固定在端盖上。壳体是长方体，六个面各打有一个螺纹孔，四周面的四个螺纹孔的轴线在同一个平面上且相交于一点，上下两端面的螺纹孔轴线重合，且与上述四轴线所构成的平面垂直并相交于同一个点；螺纹孔与定子的轴套的外圆柱面进行螺纹配合，定子与转子球心的距离通过定子轴套与壳体的螺纹连接来进行微调。

基座和磁悬浮球形电机的定子通过连接螺钉固定为一体，电机定子是由五个独立的定子绕组和定子铁芯组成，其内部形状是一球形内表面，定子铁芯上圆柱体内表面开有沟槽，分别布置三相或多相通电线圈绕组。在电机定子的外侧上对称布置有电磁铁夹持机构。夹持机构由电磁铁铁芯、尼龙缓冲圈、弹簧、轴套（定子安装在轴套中）等部件组成，电机不工作时在弹簧力作用下处于夹持状态，电机工作时在电磁力作用下处于松开状态。在电机空心转子内部布置检测转子径向位移和旋转角位移的MPU6050检测系统。转子外表面呈球形，球形电机转子与转动臂通过螺母等连接固定为一体，球形电机转子设置在定子内表面构成的空间内，转动臂通过方向上只有一个定子的反向伸向外端，定子与转子之间存在一定的气隙。在外表面开设有连续并交叉的转子沟槽，该转子沟槽的交叉点处设有通向球形转子球心的转子通孔，在转子沟槽和转子通孔内放置有导线体构成转子绕组或电枢绕组。

磁悬浮球形感应电机的工作过程：

磁悬浮球形感应电机，对X轴方向的2个区域的三相定子绕组同时通入三相电流，在检测控制系统作用下，各自产生绕X轴的旋转磁场，同时在转子绕组中产生感应电流，具有感应电流流动的转子绕组切割磁力线，便产生驱动转子绕X轴旋转的合成电磁转矩；同时，2个区域的绕组产生磁拉力，在检测控制系统作用下，使球形转子沿X轴方向稳定悬浮；对Y轴方向的2个区域的三相定子绕组同时通入三相电流，在检测控制系统作用下，各自将产生绕Y轴的旋转磁场，同时在转子绕组中产生感应电流，具有感应电流流动的转子绕组切割磁力线，便产生驱动转子绕Y轴旋转的合成电磁转矩。同时，2个区域的绕组产生磁拉力，在控制系统下，使球形转子沿Y轴方向稳定悬浮；对Z轴方向的1个区域的三相定子绕组通入三相电流，在检测控制系统作用下，各自将产生绕Z轴的旋转磁场，同时在转子绕组中产生感应电流，具有感应电流流动的转子绕组切割磁力线，便产生驱动转子绕Z轴旋转的合成电磁转矩；同时，该区域的绕组产生磁拉力，在检测控制系统控制下，使球形后簪子沿Z轴方向稳定悬浮，即与重力相平衡。主动关节表示的是该球形关节通过控制各个三相绕组通电状态来控制各个方向的磁拉力，即能够容易地实现多自由度运动，其无需通过多套单自由度的驱动机构以及复杂的机械传动机构来完成运动。

电机处于停机状态时，由电磁铁夹持机构在弹簧力的作用下，将电机球形转子的姿态锁定于平衡位置。电机无转悬浮时，向磁悬浮球形电机系统给定各方向的转子在平衡位置时的径向悬浮指令信号和角位移指令信号，同时电磁铁夹持机构在电磁力作用下，松开球形电机转子。指令信号与姿态检测系统的转子姿态位置信号由DSP数字控制器进行比较和控制算法的运算，并转换为控制悬浮和控制旋转的两组PWM脉冲控制信号，PWM悬浮控制信号控制开关功率放大器，使经过稳压整流的电源提供给定子沟槽中的绕组的电流，随PWM脉冲信号变化而调节支撑转子的悬浮磁力，PWM旋转控制信号控制逆变器，使经过稳压整流的电源提供给电机定子绕组的电流随PWM脉冲信号变化而调节转子的磁力矩，在悬浮磁力和磁力矩综合作用下将球形转子控制在夹持状态时的姿态，以达到球形转子不旋转的稳定悬浮。电机悬浮转动时，电机在不旋转的稳定悬浮基础上，输入沿某个转动自由度方向的角位移和转速指令信号，经数字控制器信号调节后输出PWM旋转控制信号，去调节控制逆变器的歌功率晶体管，使经过稳压整流电路整流的直流电源由逆变器按照PWM脉冲控制信号规律向电机绕组供电，以产生电磁转矩驱动转子按所给指令要求旋转。

Claims (6)

1.一种磁悬浮球形感应电机，包括支撑电机的基座(8)、置于基座上的壳体(6)、转动臂(10)、置于壳体内的转子和定子，其特征是，所述转子是由两个半球形转子连接而成的空心的球形转子，球形转子的空心内部中心设有检测模块(18)，球形转子的顶部开有一个放置转动臂的通孔，转动臂与球形转子固定为一体，并通过该通孔伸向外端；所述基座上设有控制模块，检测模块与控制模块之间数据传输采用的是蓝牙无线发射和接收；

所述球形转子的外表面开设有若干连续并交叉的转子沟槽，转子沟槽的交叉点处设有通向球形转子球心的转子通孔，在转子沟槽和转子通孔内放置有导线构成的转子绕组或电枢绕组，转子绕组通路为封闭回路，并在球形转子的空心内球面交汇短接；

所述定子由五个分开的独立定子组成，分别置于球形转子的前、后、左、右和下侧，并构成内球面，该内球面与球形转子外球面之间同心且存在气隙；每个独立定子通过轴套与壳体连接，独立定子安装在相应的轴套中，该独立定子包括定子铁芯(17)、定子绕组(12)，定子铁芯内圆周壁上开有均匀分布的槽，用于放置定子绕组，定子绕组由若干线圈连接而成，每个线圈的两个有效边分别放在两个槽内；所述定子设有三相四极绕组或是多相通电线圈电阻，以实现对球形转子的径向稳定悬浮和三个旋转自由度方向的驱动；

所述壳体的前、后、左、右和下侧面上都设有一组夹持机构，夹持机构由尼龙缓冲圈(14)、弹簧(13)、电磁铁铁芯(1)构成；尼龙缓冲圈置于定子铁芯的中心，并在定子铁芯的内侧一端用弹簧卡固，电磁铁铁芯伸入尼龙缓冲圈中心；电机不工作时，夹持机构在弹簧力的作用下处于夹持状态，电机工作时，夹持机构在电磁力作用下处于松开状态。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮球形感应电机，其特征是，所述基座上的控制模块由DSP数字控制器(19)、驱动电路、逆变器、整流稳压电路、传感器、信号处理电路构成。

3.根据权利要求1所述的磁悬浮球形感应电机，其特征是，两个半球形转子之间通过三个圆柱销连接成一个完整的球形转子。

4.根据权利要求1所述的磁悬浮球形感应电机，其特征是，所述检测模块采用的是MPU6050传感器集成的模块，MPU6050模块可以检测运载体的姿态角，角速度和加速度。

5.根据权利要求1所述的磁悬浮球形感应电机，其特征是，所述壳体是长方体，六个面各打有一个螺纹孔，四周面的四个螺纹孔的轴线在同一个平面上且相交于一点，上下两端面的螺纹孔轴线重合，且与上述四轴线所构成的平面垂直并相交于同一个点；螺纹孔与定子的轴套的外圆柱面进行螺纹配合，定子与转子球心的距离通过定子轴套与壳体的螺纹连接来进行微调。

6.根据权利要求1所述的磁悬浮球形感应电机，其特征是，所述定子铁芯在与球形转子对应的一面为球形凹面。