專利名稱：磁懸浮球形磁阻電動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及的是一種具有支承驅(qū)動功能的多自由度無軸承電動機系統(tǒng)，屬于
電機技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
多自由度球形電機指具有兩個或三個旋轉(zhuǎn)自由度，可以繞過定點的空間軸線旋轉(zhuǎn) 的電機。它具有機械集成度高、電機結(jié)構(gòu)材料和驅(qū)動控制系統(tǒng)元件利用率高等特點，在具 有多個運動自由度的機械系統(tǒng)中， 一臺多自由度電機可以代替兩臺或多臺單自由度電機， 大大簡化機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減小體積和重量，可以消除由于齒輪傳動帶來的齒隙和摩擦等 缺點，從而提高系統(tǒng)的精度和動態(tài)性能，提高性能價格比，并在控制和軌跡規(guī)劃方面占有優(yōu) 勢。因此多自由度球形電機在機器人的關(guān)節(jié)及機械手的關(guān)節(jié)、多坐標(biāo)機械加工中心、航大壇 行器、電動陀螺儀、全方位跟蹤天線、炮塔轉(zhuǎn)臺、人體假肢、醫(yī)療器械、攝像操作臺、全景攝影 操作臺、攪拌機、移動機構(gòu)的萬向輪、球形閥、球形泵等具有多個運動自由度的設(shè)備中具有 廣泛的應(yīng)用前景。但是，現(xiàn)有的球形電機的各轉(zhuǎn)子的支承結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)子俯仰、搖擺和偏轉(zhuǎn) 的角度小，受到應(yīng)用限制。在用于驅(qū)動高速、超高速的多自由度裝置時，還存在機械(軸承) 支承的磨損問題，機械摩擦不僅增加了轉(zhuǎn)子的摩擦阻力，而且會造成部件發(fā)熱，嚴(yán)重時會造 成電機氣隙不均勻，導(dǎo)致電機的動態(tài)特性變差，從而降低電機的效率，縮短電機及裝備的使 用壽命，嚴(yán)重制約著球形電動機向更高速度方向發(fā)展，軸承的性能大大影響了電機的可靠 性和裝備利用率。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是針對現(xiàn)有多自由度電動機存在的上述問題，基于磁懸浮技術(shù) 和電機技術(shù)，提供一種機械集成度高、結(jié)構(gòu)簡單、無摩擦、無磨損，精度高和動態(tài)性能好的具 有多自由度的磁懸浮球形磁阻電動機。 本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的，磁懸浮球形磁阻電動機，包括電動機的支承底 座、定子、球形轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)動主軸、檢測控制系統(tǒng)，其特征是底座與定子固定為一體，定子內(nèi)部 形狀為一開口的內(nèi)球表面，球形轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)動主軸固定為一體，轉(zhuǎn)動主軸通過定子開口處伸 向外部；定子內(nèi)球表面與轉(zhuǎn)子外球表面之間在二者同心時存在一定的氣隙(間隙)；在定子 上布置有至少兩個電磁鐵夾持機構(gòu)和若干檢測轉(zhuǎn)子位置運動速度的傳感器；檢測控制系統(tǒng) 設(shè)有控制電動機轉(zhuǎn)子懸浮及轉(zhuǎn)動姿態(tài)和速度的DSP數(shù)字控制器、驅(qū)動電路、逆變器、整流穩(wěn) 壓電路、傳感器、信號處理電路。 所述的電動機的定子由具有良好導(dǎo)磁性能的材料制成，其內(nèi)球表面為開有溝槽的 球形內(nèi)包絡(luò)面，溝槽將整個內(nèi)球表面分為幾何形狀相同的微小單元面的定子凸極，平行于 以球心為坐標(biāo)原點的各三維坐標(biāo)平面的溝槽內(nèi)，分別設(shè)有主繞組和副繞組。主繞組用于產(chǎn) 生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，副繞組形成的磁場與主繞組形成的磁場相互疊加產(chǎn)生作用于球形轉(zhuǎn)子上的徑 向力，使得轉(zhuǎn)子實現(xiàn)懸浮，以實現(xiàn)對球形轉(zhuǎn)子的徑向穩(wěn)定懸浮和三個旋轉(zhuǎn)自由度方向的驅(qū)動。 所述的電動機的球形轉(zhuǎn)子由具有良好導(dǎo)磁性能的材料制成，其外球表面開有相互 垂直且連續(xù)的溝槽，溝槽將整個外球表面分為幾何形狀相同的微小單元面的轉(zhuǎn)子凸極。 所述的電動機的電磁鐵夾持機構(gòu)由電磁鐵鐵芯、線圈繞組、夾持銜鐵和彈簧組成， 夾持銜鐵在彈簧力或電磁力作用下處于夾持狀態(tài)或松開狀態(tài)。電動機不工作時在彈簧力作 用下處于夾持狀態(tài)，電動機工作時在電磁力作用下處于松開狀態(tài)。 檢測控制系統(tǒng)的作用是以單片機DSP數(shù)字控制器為核心，用來完成對電動機球形 轉(zhuǎn)子姿態(tài)位置、速度的采樣及實時計算，對電動機球形轉(zhuǎn)子姿態(tài)位置和速度及電動機定子 繞組電流的控制，以及產(chǎn)生P麗控制波驅(qū)動控制逆變器的功率開關(guān)器件的關(guān)斷與導(dǎo)通，從 而使經(jīng)過穩(wěn)壓整流的電流通過逆變器向定子繞組提供電流，以產(chǎn)生磁場實現(xiàn)支承電動機轉(zhuǎn) 子懸浮并旋轉(zhuǎn)等功能；傳感器包括檢測轉(zhuǎn)子徑向位移的各傳感器、轉(zhuǎn)動速度傳感器以及繞 組電流傳感器等；信號處理電路實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速檢測，電流信號檢測及預(yù)處理等功能。 本實用新型綜合應(yīng)用磁懸浮技術(shù)和電機技術(shù)，實現(xiàn)無軸承的懸浮支承并驅(qū)動球形 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。電動機工作過程中，由傳感器不斷地檢測轉(zhuǎn)子的位置姿態(tài)(徑向位移和切向位 移)，并對所檢測信號進行調(diào)制、放大、解調(diào)、濾波等信號處理，將處理的轉(zhuǎn)子位置姿態(tài)信號 由DSP數(shù)字控制器進行A/D轉(zhuǎn)換并與指令信號比較，以及做控制算法的運算，轉(zhuǎn)換為控制懸 浮和控制旋轉(zhuǎn)的兩組P麗脈沖控制信號，去控制各自的逆變器，使經(jīng)過穩(wěn)壓整流的電源電 流隨P麗脈沖信號變化，分別調(diào)節(jié)電動機定子的主繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩以及副繞組產(chǎn)生的 電磁徑向懸浮磁力，以控制電動機球形轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮并按照所給定的角位移或角速度指令 旋轉(zhuǎn)。 本實用新型結(jié)構(gòu)簡單、合理、緊湊，綜合應(yīng)用磁懸浮技術(shù)和電機技術(shù)，實現(xiàn)無軸承 的懸浮支承并驅(qū)動球形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，電動機的球形轉(zhuǎn)子與電動機的定子之間實現(xiàn)無摩擦、無 磨損，動態(tài)性能好，響應(yīng)速度快。提高電機的效率，延長電機及裝備的使用壽命。在機器人 的關(guān)節(jié)及機械手的關(guān)節(jié)、多坐標(biāo)機械加工中心、航大壇行器、電動陀螺儀、全方位跟蹤天線、 炮塔轉(zhuǎn)臺、人體假肢、醫(yī)療器械、攝像操作臺、全景攝影操作臺、攪拌機、移動機構(gòu)的萬向輪、 球形閥、球形泵等具有多個運動自由度的設(shè)備中具有很好的應(yīng)用前景。

圖1是本實用新型的外形結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本實用新型的定子、轉(zhuǎn)子在某坐標(biāo)面的截面示意圖。 圖中1螺栓，2轉(zhuǎn)動主軸，3球形轉(zhuǎn)子，4氣隙，5定子，6傳感器，7傳感器支架，8電 磁鐵夾持機構(gòu)，9底座，10固定套，11溝槽，12傳感器，13螺釘，14轉(zhuǎn)子溝槽，15球形轉(zhuǎn)子托 架，16傳感器，17連接螺釘，18定子凸極，19副繞組，20主繞組，21轉(zhuǎn)子凸極。
具體實施方式如圖1、圖2、圖3、所示，磁懸浮球形磁阻電動機，由電動機的支承底座9、定子5、 球形轉(zhuǎn)子3、轉(zhuǎn)動主軸2、檢測控制系統(tǒng)等構(gòu)成，底座與定子固定為一體，定子內(nèi)部形狀為一 開口的內(nèi)球表面，球形轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)動主軸固定為一體，轉(zhuǎn)動主軸通過定子開口處伸向外部；定子內(nèi)球表面與轉(zhuǎn)子外球表面之間在二者同心時存在一定的氣隙(間隙)；在定子上布置有 至少兩個電磁鐵夾持機構(gòu)8和檢測控制系統(tǒng)中的檢測轉(zhuǎn)子位置運動速度的傳感器6、12、 16。檢測控制系統(tǒng)還設(shè)有控制電動機轉(zhuǎn)子懸浮及轉(zhuǎn)動姿態(tài)和速度的DSP數(shù)字控制器、驅(qū)動 電路、逆變器、整流穩(wěn)壓電路、信號處理電路。 球形電動機本體結(jié)構(gòu)由支承電動機的底座1、電動機的定子5、球形轉(zhuǎn)子3及轉(zhuǎn)動 主軸2等組成。底座1與磁懸浮(無軸承)電動機的定子5通過連接螺釘17固定為一體， 定子5內(nèi)部形狀為一開口的球形內(nèi)表面(內(nèi)球表面)，在內(nèi)表面開有溝槽ll，溝槽將整個球 形內(nèi)表面分為幾何形狀相同的微小單元面，以形成內(nèi)球表面凸極定子(定子凸極)，平行于 以球心為坐標(biāo)原點的各三維坐標(biāo)平面的溝槽內(nèi)，分別繞有主繞組20、副繞組19。在定子上 水平面內(nèi)的最大直徑截面處對稱布置4個電磁鐵夾持機構(gòu)8;在定子上布置有檢測轉(zhuǎn)子徑 向位移和旋轉(zhuǎn)角位移的傳感器6、 12、 16等。電動機的球形轉(zhuǎn)子3與轉(zhuǎn)動主軸2通過固定連 接套10固定為一體，轉(zhuǎn)動主軸2通過定子5開口處伸向外端(外部)。定子5內(nèi)球表面與 球形轉(zhuǎn)子3外球表面之間在二者同心時存在一定的氣隙(間隙)4。電動機球形轉(zhuǎn)子表面開 有相互垂直且連續(xù)的溝槽14，溝槽將整個外球表面分為幾何形狀相同的微小單元面的轉(zhuǎn)子 凸極，以形成球形磁懸浮球形磁阻電動機的凸極轉(zhuǎn)子。 定子采用集中繞組，每個定子凸極18上均有主繞組20和副繞組19，主繞組20隨 周向按定子凸極順序循環(huán)布置三相繞組，并將同相繞組串聯(lián)在一起。 磁懸浮球形磁阻電動機的工作過程電動機處于停機狀態(tài)時，由電磁鐵夾持機構(gòu) 8中在彈簧力的作用下，將電動機球形轉(zhuǎn)子3的姿態(tài)鎖定于平衡位置。電動機處于無轉(zhuǎn)懸 浮時，向磁懸浮球形磁阻電動機系統(tǒng)給定各方向的轉(zhuǎn)子在平衡位置時的徑向懸浮指令信號 和角位移指令信號，同時電磁鐵夾持機構(gòu)8銜鐵在電磁力的作用下，松開球形轉(zhuǎn)子3。指令 信號與傳感器6、 12、 16檢測的轉(zhuǎn)子姿態(tài)位置信號由DSP數(shù)字控制器進行比較和控制算法的 運算，并轉(zhuǎn)換為控制懸浮和控制旋轉(zhuǎn)的兩組P麗脈沖控制信號，P麗懸浮控制信號控制逆變 器使經(jīng)過穩(wěn)壓整流的電源提供給定子副繞組11的電流，隨P麗脈沖信號變化而調(diào)節(jié)支承轉(zhuǎn) 子3的懸浮磁力，P麗旋轉(zhuǎn)控制信號控制逆變器使經(jīng)過穩(wěn)壓整流的電源提供給定子主繞組 11的電流隨，P麗脈沖信號變化而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的磁力矩以平衡抵抗外界干擾力矩，在懸浮磁 力和磁力矩綜合作用下將球形轉(zhuǎn)子3控制在夾持狀態(tài)時的姿態(tài)，以達到球形轉(zhuǎn)子不旋轉(zhuǎn)的 穩(wěn)定懸浮；電動機球形轉(zhuǎn)子懸浮轉(zhuǎn)動時，電動機在不旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定懸浮基礎(chǔ)上，輸入沿某個轉(zhuǎn) 動自由度方向的角位移和轉(zhuǎn)速指令信號，經(jīng)數(shù)字控制器進行信號調(diào)節(jié)后輸出P麗旋轉(zhuǎn)控制 信號，去調(diào)節(jié)控制逆變器的各功率晶體管，使經(jīng)過穩(wěn)壓整流電路整流的直流電源由逆變器 按照P麗脈沖控制信號規(guī)律向電動機主繞組供電，以產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)子按所給指令要 求旋轉(zhuǎn)。
權(quán)利要求磁懸浮球形磁阻電動機，包括電動機的支承底座、定子、球形轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)動主軸、檢測控制系統(tǒng)，其特征是底座與定子固定為一體，定子內(nèi)部形狀為一開口的內(nèi)球表面，球形轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)動主軸固定為一體，轉(zhuǎn)動主軸通過定子開口處伸向外部，定子內(nèi)球表面與轉(zhuǎn)子外球表面之間在二者同心時存在一定的氣隙；在定子上布置有至少兩個電磁鐵夾持機構(gòu)和若干檢測轉(zhuǎn)子位置運動速度的傳感器；檢測控制系統(tǒng)設(shè)有控制電動機轉(zhuǎn)子懸浮及轉(zhuǎn)動姿態(tài)和速度的DSP數(shù)字控制器、驅(qū)動電路、逆變器、整流穩(wěn)壓電路、傳感器、信號處理電路。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁懸浮球形磁阻電動機，其特征是所述的電動機的定子由具 有良好導(dǎo)磁性能的材料制成，其內(nèi)球表面為開有溝槽的球形內(nèi)包絡(luò)面，溝槽將整個內(nèi)球表 面分為幾何形狀相同的微小單元面的定子凸極，平行于以球心為坐標(biāo)原點的各三維坐標(biāo)平 面的溝槽內(nèi)，分別設(shè)有主繞組和副繞組。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁懸浮球形磁阻電動機，其特征是所述的電動機的球形轉(zhuǎn)子 由具有良好導(dǎo)磁性能的材料制成，其外球表面開有相互垂直且連續(xù)的溝槽，溝槽將整個外 球表面分為幾何形狀相同的微小單元面的轉(zhuǎn)子凸極。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁懸浮球形磁阻電動機，其特征是所述的電動機的電磁鐵夾 持機構(gòu)由電磁鐵鐵芯、線圈繞組、夾持銜鐵和彈簧構(gòu)成。
專利摘要磁懸浮球形磁阻電動機，屬于電機技術(shù)領(lǐng)域。包括電動機的支承底座、定子、球形轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)動主軸、檢測控制系統(tǒng)，底座與定子固定為一體，定子內(nèi)部形狀為一開口的內(nèi)球表面，球形轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)動主軸固定為一體，轉(zhuǎn)動主軸通過定子開口處伸向外部；在定子上布置有至少兩個電磁鐵夾持機構(gòu)和若干檢測轉(zhuǎn)子位置運動速度的傳感器；檢測控制系統(tǒng)設(shè)有控制電動機轉(zhuǎn)子懸浮及轉(zhuǎn)動姿態(tài)和速度的DSP數(shù)字控制器、驅(qū)動電路、逆變器、整流穩(wěn)壓電路、傳感器、信號處理電路。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單、合理、緊湊，電動機的球形轉(zhuǎn)子與電動機的定子之間實現(xiàn)無摩擦、無磨損，動態(tài)性能好，響應(yīng)速度快。
文檔編號H02P6/16GK201536310SQ200920039030
公開日2010年7月28日 申請日期2009年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月5日
發(fā)明者劉靜, 張丹, 曾勵 申請人:揚州大學(xué)