專利名稱：多自由度磁懸浮電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種多自由度磁懸浮電機，屬于電機領域。
背景技術：
長期以來，人們對作單自由度運動的伺服電動機及其控制系統(tǒng)進行了廣泛深入的研究，使得以伺服電動機為核心元件的電驅動系統(tǒng)性能不斷提高。但隨著機械系統(tǒng)日益復雜化，尤其是對機器人、機械手等作復雜運動的精密裝置，單自由度電動機構成的伺服系統(tǒng)往往顯得過于復雜。例如，工程中使用的機械手的運動自由度一般在三個以上，至少需要采用三臺單自由度電動機及復雜的機械傳動機構，才能完成手關節(jié)的轉動功能。這不僅造成機械手體積大、笨重、動態(tài)性能差，而且傳動機構的間隙誤差將直接影響機械手的定位精度，甚至破壞系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。這些問題的出現推動了多自由度電動機研究的發(fā)展，同時計算機技術、電力電子技術的飛速發(fā)展和控制理論、電機理論研究的不斷深入以及各種新材料的出現和電機制造工藝水平的提高，為多自由度電動機的制造技術和控制技術的發(fā)展提供了堅實的基礎。而多自由度電動機的機械集成度高，電機的有效材料和控制系統(tǒng)的元件利用率高，特別是由于轉動的自由度多，可以大大簡化機械系統(tǒng)的結構，縮小體積，減輕重量，提高系統(tǒng)的控制功能、靜態(tài)及動態(tài)性能和經濟效益。因此在半導體制造、飛行器姿態(tài)控制、機器人、機械手、 人體假肢以及各種金屬切削機床、錐形攪拌機、火炮炮塔轉臺、全景攝影操縱臺、球形閥、電動陀螺儀等一系列需作多自由度運動的設備、儀器中，多自由度電動機可望得到廣泛應用。

發(fā)明內容
本發(fā)明將磁懸浮技術與多自由電機技術相結合，設計了一種多自由度磁懸浮電機。本發(fā)明所述的多自由度磁懸浮電機是一種球形電機，該球形電機包括旋轉電機單元以及偏轉、懸浮電機單元，旋轉電機單元由定子和轉子構成，定子包括電樞鐵心和多相電樞繞組，轉子包括轉子軛和轉子永磁體，所述旋轉電機單元為外轉子結構；偏轉、懸浮電機單元包括初級和次級，初級包括偏轉控制繞組、懸浮控制繞組和初級鐵心，次級軛次級包括次級軛和次級永磁體，所述偏轉、懸浮電機單元為外次級結構，旋轉電機單元的電樞鐵心與偏轉、懸浮電機單元的初級鐵心固定、連接在一起，構成整個電機的球殼形鐵心，其外表面是球面；電機軸線垂直于上、下端面，所述球殼形鐵心的中間段為旋轉電機單元的電樞鐵心，在電樞鐵心表面沿所述球殼形鐵心的緯線均勻分布固定有多個旋轉電樞線圈，所述多個旋轉電樞線圈組成旋轉電樞繞組多相旋轉電樞繞組， 所述旋轉電樞線圈為矩形線圈，每個旋轉電樞線圈的一對有效邊平行于球殼形鐵心的經線.
一入 ，偏轉控制繞組是由多個偏轉線圈組成的多相偏轉電樞繞組，多個偏轉線圈分成兩組，對稱分布在旋轉電樞繞組的上下兩側，并固定于偏轉、懸浮電機單元的初級鐵心固定鐵心上，位于同一側的多個偏轉線圈位于同一個緯度上，并且均勻分布，每個偏轉線圈中的一對有效邊與緯線平行；懸浮控制繞組是由多對磁懸浮控制線圈組成的，所述多對磁懸浮控制線圈分成兩組對稱分布在旋轉電樞繞組的上下兩側，并固定于偏轉、懸浮電機單元的初級鐵心固定鐵心上，每對磁懸浮控制線圈中的兩個磁懸浮控制線圈沿經線方向排列，并且所述兩個磁懸浮控制線圈串聯聯結，位于同一側的多對磁懸浮控制線圈沿緯線方向均勻分布，并且與多個偏轉線圈相間排列，每個磁懸浮控制線圈中的一對有效邊與緯線平行；旋轉電機單元的轉子軛與偏轉、懸浮電機單元的次級軛固定連接在一起，構成整個電機的球形轉子軛，旋轉電機單元的多個轉子永磁體沿轉子軛最大直徑的緯線均勻分布固定在轉子軛的內表面，所述多個轉子永磁體徑向充磁，并且相鄰的兩個永磁體的極性相反；在轉子永磁體的上、下側的轉子軛的內表面上固定有偏轉、懸浮電機單元的次級永磁體，所述偏轉、懸浮電機單元的次級永磁體由四個球面環(huán)狀永磁體組成，該四個球面環(huán)狀永磁體分成兩組，對稱分布在轉子永磁體的上下兩側，所有球面環(huán)狀永磁體徑向充磁，位于同一側的兩個球面環(huán)狀永磁體充磁方向相反，并且靠近所述轉子永磁體的球面環(huán)狀永磁體的充磁方向為由內向外。本發(fā)明還提供另一種多自由度磁懸浮電機，該種多自由度磁懸浮電機是一種圓柱形電機，該圓柱形電機由旋轉電機單元以及軸向推力、懸浮電機單元構成，旋轉電機單元由定子和轉子構成，定子包括電樞鐵心和多相電樞繞組，轉子包括轉子軛和轉子永磁體，軸向推力、懸浮電機單元由初級和次級構成，初級包括軸向推力控制繞組、懸浮控制繞組和初級鐵心，次級軛次級包括次級軛和次級永磁體，旋轉電機單元為外轉子結構，軸向推力、懸浮電機單元為外次級結構，旋轉電機單元的電樞鐵心與軸向推力、懸浮電機單元的初級鐵心固定連接在一起，構成整個電機的圓柱形鐵心，其中所述軸向推力、懸浮電機單元的初級鐵心由兩部分組成，所述兩部分鏡像對稱位于電樞鐵心的軸向兩側，電機軸線為圓柱形鐵心的中軸線；多相電樞繞組、軸向推力控制繞組和懸浮控制繞組均固定在電機鐵心的圓柱形外表面上，其中多相電樞繞組，位于所述圓柱形外表面的軸向中間位置，組成多相電樞繞組的多個旋轉電樞線圈沿圓周均勻分布；組成軸向推力控制繞組的多個單線圈均勻分成兩組，所述兩組單線圈鏡像對稱分布于多相電樞繞組的軸向兩側，位于同一側的多個單線圈沿圓周方向均勻分布；組成懸浮控制繞組的多個雙線圈均勻分成兩組，所述兩組雙線圈鏡像對稱分布于多相電樞繞組的軸向兩側，位于同一側的多個雙線圈與軸向推力控制繞組的單線圈相間排列，組成每個雙線圈的兩個單線圈沿軸向排列，并且串聯連接；旋轉電機單元的轉子軛與軸向推力、懸浮電機單元的次級軛固定連接在一起，構成整個電機的圓筒形轉子軛，所述軸向推力、懸浮電機單元的次級由兩部分組成，該兩部分鏡像對稱分布在轉子軛的軸向兩側；所述圓筒形轉子軛的內表面上固定有旋轉電機單元的轉子永磁體和軸向推力、懸浮電機單元的永磁體，所述旋轉電機單元的轉子永磁體由多個永磁體組成，所述多個永磁體位于圓筒形轉子軛的軸向中間位置，并且多個永磁體沿圓周方向均勻分布，每個永磁體均沿徑向充磁， 并且周向相鄰的兩個永磁體的充磁方向相反；軸向推力、懸浮電機單元的永磁體由四個環(huán)形永磁體組成，所述四個環(huán)形永磁體兩兩一組，鏡像對稱分布在轉子永磁體的軸向兩側，所述四個環(huán)形永磁體均沿徑向充磁，位于同一側的兩個環(huán)形永磁體的充磁方向相反，并且與轉子永磁體相鄰的兩個環(huán)形永磁體的充磁方向也相反。本發(fā)明還提供另一種多自由度磁懸浮電機，該種多自由度磁懸浮電機一種平板形雙邊結構的電機，該電機由直線電機單元以及導向、懸浮電機單元構成；直線電機單元包括電樞和次級，并且為U形次級結構，電樞包括電樞繞組構成，次級包括次級軛和次級永磁體；導向、懸浮電機單元包括初級和次級，并且為導向、懸浮電機單元為U形次級結構，初級包括導向控制繞組和懸浮控制繞組，次級包括次級軛和次級條形永磁體；直線電機單元的電樞繞組與導向、懸浮電機單元的導向控制繞組、懸浮控制繞組由環(huán)氧樹脂固定并連接在一起，構成整個電機電樞；電樞繞組的線圈沿運動方向排列，其有效邊與運動方向垂直，導向控制繞組的多個雙線圈鏡像對稱分布在電樞繞組的上側與下側，位于同一側的多個雙線圈沿運動方向均勻分布排列，其有效邊為水平方向，每個雙線圈中的兩個單線圈上下并列擺布，并且所述兩個單線圈串聯連接；懸浮控制繞組的多個單線圈鏡像對稱分布在電樞繞組的上側與下側，位于同一側的多個單線圈沿運動方向均勻分布排列，并且與導向控制繞組的多個雙線圈相間排列；直線電機單元的次級軛與導向、懸浮電機單元的次級軛固定、連接在一起，構成整個電機的次級軛；所述直線電機單元的次級軛位于中間位置，導向、懸浮電機單元的次級軛由兩部分組成，并且所述兩部分鏡像對稱分別于直線電機單元的次級軛的上下兩側；直線電機單元的次級永磁體N、S依次相間排列在次級軛的內表面，并且與直線電機單元的電樞繞組相對應，導向、懸浮電機單元共有四個次級條形永磁體，所述四個次級條形永磁體兩兩一組對稱分布位于直線電機單元的次級永磁體的上下兩側，并固定在導向、 懸浮電機單元的次級軛的內表面上，所述條形永磁體的充磁方向垂直于直線電機單元的次級軛，位于同一側的兩個次級條形永磁體的充磁方向相反，并且與直線電機單元的次級永磁體相鄰的兩個次級條形永磁體的充磁方向也相反。本發(fā)明所述的多自由度磁懸浮電機的優(yōu)點有1)、各個自由度控制繞組相互獨立、無耦合。2)、懸浮控制與偏轉控制為直流控制、不需要換相，因此，控制簡單，精度高，動態(tài)特性好。3)、懸浮控制與偏轉控制共用一個次級，電機結構簡單、體積小、重量輕。4)、轉子采用磁懸浮方式支撐，無摩擦、無磨損、無污染，不需要潤滑和密封、高速度、壽命長。


圖1是具體實施方式
一所述的一種球形多自由度磁懸浮電機的結構示意圖，圖2 是圖1中的次級的剖視圖。圖3是具體實施方式
八所述的一種球形多自由度磁懸浮電機的結構示意圖，該種結構是在懸浮控制繞組線圈所包圍的鐵心表面上，粘貼有永磁體16。圖4 是具體實施方式
九所述的一種圓柱形多自由度磁懸浮球形電機的結構示意圖。圖5是具體實施方式
十一所述的圓柱形多自由度磁懸浮球形電機的結構示意圖，圖6是圖5中所示的轉子和初級的結構示意圖，圖7是圖6的展開示意圖，圖8是具體實施方式
十一所述結構的圖7對應的A-A剖面圖。圖9是具體實施方式
十三所述電機結構的圖7對應的B-B剖面圖。 圖10是具體實施方式
十二、十四所述電機結構的圖7對應的B-B剖面圖。圖11是圖5中所示的定子和次級的結構示意圖。圖12是圖11的展開圖。圖13是圖12的C-C剖面圖。 圖14是具體實施方式
十八所述的多自由度磁懸浮電機結構，圖6對應的展開圖。圖1具體實施方式
十九所述的多自由度磁懸浮電機結構，圖11對應的展開圖。圖16是具體實施方式
二十一所述的平板形雙邊結構的多自由度磁懸浮電機的結構示意圖，圖17是圖16中的電樞的結構示意圖，圖18是圖17的D-D剖面圖，圖19是具體實施方式
二十三所述的次級上的永磁體排布示意圖，圖20是圖16的次級的結構示意圖，圖21是圖20的側視圖。
具體實施例方式具體實施方式
一、參見圖1、2說明本實施方式。本實施方式所述的多自由度磁懸浮電機是一種球形電機，該電機包括旋轉電機單元以及偏轉、懸浮電機單元，旋轉電機單元由定子和轉子構成，定子包括電樞鐵心15和多相電樞繞組，轉子包括轉子軛23和轉子永磁體M，所述旋轉電機單元為外轉子結構；偏轉、懸浮電機單元包括初級和次級，初級包括偏轉控制繞組、懸浮控制繞組和初級鐵心13，次級軛21次級包括次級軛21和次級永磁體22，所述偏轉、懸浮電機單元為外次級結構，旋轉電機單元的電樞鐵心15與偏轉、懸浮電機單元的初級鐵心13固定、連接在一起，構成整個電機的球殼形鐵心，其外表面是球面；電機軸線垂直于上、下端面，所述球殼形鐵心的中間段為旋轉電機單元的電樞鐵心15，在電樞鐵心15表面沿所述球殼形鐵心的緯線均勻分布固定有多個旋轉電樞線圈14，所述多個旋轉電樞線圈14組成旋轉電樞繞組多相旋轉電樞繞組，所述旋轉電樞線圈14為矩形線圈，每個旋轉電樞線圈14的一對有效邊平行于球殼形鐵心的經線；偏轉控制繞組是由多個偏轉線圈12組成的多相偏轉電樞繞組，多個偏轉線圈12 分成兩組，對稱分布在旋轉電樞繞組的上下兩側，并固定于偏轉、懸浮電機單元的初級鐵心 13固定鐵心上，位于同一側的多個偏轉線圈12位于同一個緯度上，并且均勻分布，每個偏轉線圈12中的一對有效邊與緯線平行；懸浮控制繞組是由多對磁懸浮控制線圈組成的，所述多對磁懸浮控制線圈分成兩組對稱分布在旋轉電樞繞組的上下兩側，并固定于偏轉、懸浮電機單元的初級鐵心13固定鐵心上，每對磁懸浮控制線圈中的兩個磁懸浮控制線圈11沿經線方向排列，并且所述兩個磁懸浮控制線圈11串聯聯結，位于同一側的多對磁懸浮控制線圈沿緯線方向均勻分布，并且與多個偏轉線圈12相間排列，每個磁懸浮控制線圈11中的一對有效邊與緯線平行；
旋轉電機單元的轉子軛23與偏轉、懸浮電機單元的次級軛21固定連接在一起，構成整個電機的球形轉子軛23，旋轉電機單元的多個轉子永磁體M沿轉子軛23最大直徑的緯線均勻分布固定在轉子軛23的內表面，所述多個轉子永磁體M徑向充磁，并且相鄰的兩個永磁體的極性相反；在轉子永磁體M的上、下側的轉子軛23的內表面上固定有偏轉、懸浮電機單元的次級永磁體22，所述偏轉、懸浮電機單元的次級永磁體22由四個球面環(huán)狀永磁體22組成， 該四個球面環(huán)狀永磁體22分成兩組，對稱分布在轉子永磁體M的上下兩側，所有球面環(huán)狀永磁體22徑向充磁，位于同一側的兩個球面環(huán)狀永磁體22充磁方向相反，并且靠近所述轉子永磁體M的球面環(huán)狀永磁體22的充磁方向為由內向外。
具體實施方式
二、本實施方式是對具體實施方式
一所述的多自由度磁懸浮電機的進一步限定，本實施方式中的每個旋轉電樞線圈14的有效邊嵌入電樞鐵心15內。將旋轉電樞線圈14嵌入到鐵心內，能夠增加線圈所產生的磁場強度，即在線圈內通有相同電流的情況下，嵌入鐵心內部之后，該線圈所產生的磁場強度更大。
具體實施方式
三、本實施方式是對具體實施方式
一所述的多自由度磁懸浮電機的進一步限定，本實施方式中的每個旋轉電樞線圈14的嵌入電樞鐵心15內。
具體實施方式
四、本實施方式是對具體實施方式
一所述的多自由度磁懸浮電機的進一步限定，本實施方式中的偏轉線圈12的有效邊嵌入偏轉、懸浮電機單元的初級鐵心13 固定鐵心內。
具體實施方式
五、本實施方式是對具體實施方式
一所述的多自由度磁懸浮電機的進一步限定，本實施方式中的偏轉線圈12的嵌入偏轉、懸浮電機單元的初級鐵心13固定鐵心內。
具體實施方式
六、本實施方式是對具體實施方式
一所述的多自由度磁懸浮電機的進一步限定，本實施方式中的磁懸浮控制線圈11的有效邊嵌入偏轉、懸浮電機單元的初級鐵心13固定鐵心內。
具體實施方式
七、本實施方式是對具體實施方式
一所述的多自由度磁懸浮電機的進一步限定，本實施方式中的磁懸浮控制線圈11嵌入偏轉、懸浮電機單元的初級鐵心13固定鐵心內。
具體實施方式
八、參見圖3說明本實施方式。本實施方式與具體實施方式
一所述的多自由度磁懸浮電機的區(qū)別在于，懸浮控制繞組線圈所包圍的部分鐵心表面上，粘貼有永磁體16，所述永磁體16的充磁方向與其相對的次級永磁體22的充磁方向相反。本實施方式所述的永磁體6的外形與懸浮控制繞組線圈的所圍成的空間相配合。
具體實施方式
九、參見圖4說明本實施方式。本實施方式與具體實施方式
一所述的多自由度磁懸浮電機的區(qū)別在于，在旋轉電機單元的相鄰的兩個轉子永磁體M之間，還固定有永磁體26，該永磁體沈的充磁方向為周向充磁，并且該永磁體的磁力線與其相鄰的永磁體的磁力線方向相同。
具體實施方式
十、本實施方式與具體實施方式
一所述的多自由度磁懸浮電機的區(qū)別在于，旋轉電機單元的轉子永磁體M采用內嵌式布置方式或Halbach布置方式。
具體實施方式
十一、參見圖5-8、圖11-13說明本實施方式。本實施方式所述的多自由度磁懸浮電機是一種圓柱形電機，該電機由旋轉電機單元以及軸向推力、懸浮電機單元構成，旋轉電機單元由定子和轉子構成，定子包括電樞鐵心15和多相電樞繞組，轉子包括轉子軛23和轉子永磁體M，軸向推力、懸浮電機單元由初級和次級構成，初級包括軸向推力控制繞組、懸浮控制繞組和初級鐵心13，次級軛21次級包括次級軛21和次級永磁體22，旋轉電機單元為外轉子結構，軸向推力、懸浮電機單元為外次級結構，旋轉電機單元的電樞鐵心15與軸向推力、懸浮電機單元的初級鐵心13固定連接在一起，構成整個電機的圓柱形鐵心，其中所述軸向推力、懸浮電機單元的初級鐵心13由兩部分組成，所述兩部分鏡像對稱位于電樞鐵心15的軸向兩側，電機軸線為圓柱形鐵心的中軸線；多相電樞繞組、軸向推力控制繞組和懸浮控制繞組均固定在電機鐵心的圓柱形外表面上，其中多相電樞繞組，位于所述圓柱形外表面的軸向中間位置，組成多相電樞繞組的多個旋轉電樞線圈14沿圓周均勻分布；組成軸向推力控制繞組的多個單線圈19均勻分成兩組，所述兩組單線圈19鏡像對稱分布于多相電樞繞組的軸向兩側，位于同一側的多個單線圈19沿圓周方向均勻分布；組成懸浮控制繞組的多個雙線圈20均勻分成兩組，所述兩組雙線圈20鏡像對稱分布于多相電樞繞組的軸向兩側，位于同一側的多個雙線圈20與軸向推力控制繞組的單線圈19相間排列，組成每個雙線圈20的兩個單線圈沿軸向排列，并且串聯連接；旋轉電機單元的轉子軛23與軸向推力、懸浮電機單元的次級軛21固定連接在一起，構成整個電機的圓筒形轉子軛23，所述軸向推力、懸浮電機單元的次級由兩部分組成， 該兩部分鏡像對稱分布在轉子軛23的軸向兩側；所述圓筒形轉子軛23的內表面上固定有旋轉電機單元的轉子永磁體M和軸向推力、懸浮電機單元的永磁體，所述旋轉電機單元的轉子永磁體M由多個永磁體組成，所述多個永磁體位于圓筒形轉子軛23的軸向中間位置，并且多個永磁體沿圓周方向均勻分布，每個永磁體均沿徑向充磁，并且周向相鄰的兩個永磁體的充磁方向相反；軸向推力、懸浮電機單元的永磁體由四個環(huán)形永磁體25組成，所述四個環(huán)形永磁體25兩兩一組，鏡像對稱分布在轉子永磁體M的軸向兩側，所述四個環(huán)形永磁體25均沿徑向充磁，位于同一側的兩個環(huán)形永磁體25的充磁方向相反，并且與轉子永磁體M相鄰的兩個環(huán)形永磁體25的充磁方向也相反。
具體實施方式
十二、參見圖7和10說明本實施方式。本實施方式與具體實施方式
十一所述的多自由度磁懸浮電機的區(qū)別在于，組成多相電樞繞組中的每個旋轉電樞線圈14 的有效邊均嵌入電樞鐵心15內。所述電樞繞組中的每個線圈的有效邊與軸向平行，因此本實施方式所述的多自由度磁懸浮電機的電樞鐵芯上與線圈的有效邊對應的位置開有軸向槽，以便于嵌入線圈的有效邊。
具體實施方式
十三、參見圖7和9說明本實施方式。本實施方式與具體實施方式
十一所述的多自由度磁懸浮電機的區(qū)別在于，組成多相電樞繞組的每個線圈均嵌入電樞鐵心15內。
具體實施方式
十四、參見圖7和10說明本實施方式。本實施方式與具體實施方式
十一所述的多自由度磁懸浮電機的區(qū)別在于，軸向推力控制繞組中的每個線圈的有效邊均嵌入初級鐵心13內。軸向推力控制繞組中的每個線圈的有效邊與軸向垂直，因此本實施方式所述的多自由度磁懸浮電機的軸向推力控制繞組中的線圈的有效邊對應的位置開有沿圓周方向的槽，以便于嵌入線圈的有效邊。
具體實施方式
十五、本實施方式與具體實施方式
十一所述的多自由度磁懸浮電機的區(qū)別在于，軸向推力控制繞組中的每個線圈均嵌入初級鐵心13內。
具體實施方式
十六、參見圖7和9說明本實施方式。本實施方式與具體實施方式
十一所述的多自由度磁懸浮電機的區(qū)別在于，懸浮控制繞組中的每個線圈的有效邊均嵌入初級鐵心13內。懸浮控制繞組中的每個線圈的有效邊與軸向垂直，因此本實施方式所述的多自由度磁懸浮電機的懸浮控制繞組中的線圈的有效邊對應的位置開有沿圓周方向的槽，以便于嵌入線圈的有效邊。
具體實施方式
十七、本實施方式與具體實施方式
十一所述的多自由度磁懸浮電機的區(qū)別在于，懸浮控制繞組中的每個線圈均嵌入初級鐵心13內。
具體實施方式
十八、參見圖14說明本實施方式。本實施方式與具體實施方式
十一所述的多自由度磁懸浮電機的區(qū)別在于，懸浮控制繞組的線圈11所包圍的部分鐵心表面上，粘貼有永磁體16，所述永磁體16的充磁方向與其相對的次級永磁體22的充磁方向相反。
具體實施方式
十九、參見圖15說明本實施方式。本實施方式與具體實施方式
十一所述的多自由度磁懸浮電機的區(qū)別在于，在旋轉電機單元的相鄰的兩個轉子永磁體M之間，還固定有永磁體，該永磁體的充磁方向為周向充磁，并且該永磁體的磁力線與其相鄰的永磁體的磁力線方向相同。
具體實施方式
二十、本實施方式與具體實施方式
十一所述的多自由度磁懸浮電機的區(qū)別在于，旋轉電機單元的轉子永磁體M采用內嵌式布置方式或Halbach布置方式。
具體實施方式
二i^一、參見圖16-18、圖20和21說明本實施方式。本實施方式所述的多自由度磁懸浮電機是一種平板形雙邊結構的電機，該電機由直線電機單元以及導向、懸浮電機單元構成；直線電機單元包括電樞和次級，并且為U形次級結構，電樞包括電樞繞組構成，次級包括次級軛33和次級永磁體34 ；導向、懸浮電機單元包括初級和次級，并且為導向、懸浮電機單元為U形次級結構，初級包括導向控制繞組和懸浮控制繞組，次級包括次級軛31和次級條形永磁體32 ；直線電機單元的電樞繞組與導向、懸浮電機單元的導向控制繞組、懸浮控制繞組由環(huán)氧樹脂固定并連接在一起，構成整個電機電樞；電樞繞組的線圈沿運動方向排列，其有效邊與運動方向垂直，導向控制繞組的多個雙線圈41鏡像對稱分布在電樞繞組的上側與下側，位于同一側的多個雙線圈41沿運動方向均勻分布排列，其有效邊為水平方向，每個雙線圈41中的兩個單線圈上下并列擺布，并且所述兩個單線圈串聯連接；
懸浮控制繞組的多個單線圈42鏡像對稱分布在電樞繞組的上側與下側，位于同一側的多個單線圈42沿運動方向均勻分布排列，并且與導向控制繞組的多個雙線圈41相間排列；直線電機單元的次級軛33與導向、懸浮電機單元的次級軛31固定、連接在一起， 構成整個電機的次級軛；所述直線電機單元的次級軛33位于中間位置，導向、懸浮電機單元的次級軛31由兩部分組成，并且所述兩部分鏡像對稱分別于直線電機單元的次級軛33 的上下兩側；直線電機單元的次級永磁體34N、S依次相間排列在次級軛33的內表面，并且與直線電機單元的電樞繞組相對應，導向、懸浮電機單元共有四個次級條形永磁體32，所述四個次級條形永磁體32兩兩一組對稱分布位于直線電機單元的次級永磁體34的上下兩側，并固定在導向、懸浮電機單元的次級軛31的內表面上，所述條形永磁體的充磁方向垂直于直線電機單元的次級軛33，位于同一側的兩個次級條形永磁體32的充磁方向相反，并且與直線電機單元的次級永磁體；34相鄰的兩個次級條形永磁體32的充磁方向也相反。
具體實施方式
二十二、本實施方式與具體實施方式
二十一所述的多自由度磁懸浮電機的區(qū)別在于，直線電機單元的次級上永磁體內嵌式布置方式或Halbach布置方式。
具體實施方式
二十三、本實施方式與具體實施方式
二十一所述的多自由度磁懸浮電機的區(qū)別在于，直線電機單元的次級上每相鄰兩個次級永磁體34之間還固定有永磁體 36，該永磁體36的磁力線與其相鄰的次級永磁體34的磁力線方向相同。例如，直線電機單元的次級上的多個次級永磁體34均為垂直于運動方向，并且垂直于初級線圈所在平面，相鄰次級永磁體；34的充磁方向相反，參見圖19所示，四塊次級永磁體分別為N、S、N、S，則每相鄰兩個次級永磁體之間的永磁體36的充磁方向為平行于運動方向，并且該永磁體36所產生的磁力線與相鄰兩塊次級永磁體34產生的磁力線方向相同，即充磁方向為從N極指向S極。
具體實施方式
二十四、本實施方式與具體實施方式
一至二十三所述的多自由度磁懸浮電機的區(qū)別在于，所述永磁體為分段拼接結構。所述永磁體包括旋轉電機單元的轉子永磁體M、直線電機單元次級上的永磁體等等，多自由度磁懸浮電機中的永磁體。本發(fā)明所述的多自由度懸浮電機的結構不局限于上述各實施例所描述的具體結構，還可以是各個實施方式所述的具體技術特征的合理組合。
權利要求
1.多自由度磁懸浮電機，其特征在于所述多自由度磁懸浮電機是一種球形電機，該球形電機包括旋轉電機單元以及偏轉、懸浮電機單元，旋轉電機單元由定子和轉子構成，定子包括電樞鐵心(1 和多相電樞繞組，轉子包括轉子軛和轉子永磁體(M)，所述旋轉電機單元為外轉子結構；偏轉、懸浮電機單元包括初級和次級，初級包括偏轉控制繞組、懸浮控制繞組和初級鐵心(13)，次級軛次級包括次級軛和次級永磁體(22)，所述偏轉、懸浮電機單元為外次級結構，旋轉電機單元的電樞鐵心(1 與偏轉、懸浮電機單元的初級鐵心(1 固定、連接在一起，構成整個電機的球殼形鐵心，其外表面是球面；電機軸線垂直于上、下端面，所述球殼形鐵心的中間段為旋轉電機單元的電樞鐵心(15)，在電樞鐵心(1 表面沿所述球殼形鐵心的緯線均勻分布固定有多個旋轉電樞線圈(14)，所述多個旋轉電樞線圈(14)組成旋轉電樞繞組多相旋轉電樞繞組，所述旋轉電樞線圈(14)為矩形線圈，每個旋轉電樞線圈(14)的一對有效邊平行于球殼形鐵心的經線；偏轉控制繞組是由多個偏轉線圈(1 組成的多相偏轉電樞繞組，多個偏轉線圈(12) 分成兩組，對稱分布在旋轉電樞繞組的上下兩側，并固定于偏轉、懸浮電機單元的初級鐵心 (13)固定鐵心上，位于同一側的多個偏轉線圈(12)位于同一個緯度上，并且均勻分布，每個偏轉線圈(12)中的一對有效邊與緯線平行；懸浮控制繞組是由多對磁懸浮控制線圈組成的，所述多對磁懸浮控制線圈分成兩組對稱分布在旋轉電樞繞組的上下兩側，并固定于偏轉、懸浮電機單元的初級鐵心(1 固定鐵心上，每對磁懸浮控制線圈中的兩個磁懸浮控制線圈(11)沿經線方向排列，并且所述兩個磁懸浮控制線圈(11)串聯聯結，位于同一側的多對磁懸浮控制線圈沿緯線方向均勻分布， 并且與多個偏轉線圈(12)相間排列，每個磁懸浮控制線圈(11)中的一對有效邊與緯線平行；旋轉電機單元的轉子軛與偏轉、懸浮電機單元的次級軛固定連接在一起，構成整個電機的球形轉子軛(23)，旋轉電機單元的多個轉子永磁體04)沿轉子軛最大直徑的緯線均勻分布固定在轉子軛03)的內表面，所述多個轉子永磁體04)徑向充磁，并且相鄰的兩個永磁體的極性相反；在轉子永磁體04)的上、下側的轉子軛的內表面上固定有偏轉、懸浮電機單元的次級永磁體(22)，所述偏轉、懸浮電機單元的次級永磁體0 由四個球面環(huán)狀永磁體02) 組成，該四個球面環(huán)狀永磁體0 分成兩組，對稱分布在轉子永磁體04)的上下兩側，所有球面環(huán)狀永磁體0 徑向充磁，位于同一側的兩個球面環(huán)狀永磁體0 充磁方向相反， 并且靠近所述轉子永磁體04)的球面環(huán)狀永磁體0 的充磁方向為由內向外。
2.根據權利要求1所述的多自由度磁懸浮電機，其特征在于，偏轉線圈(12)的有效邊嵌入偏轉、懸浮電機單元的初級鐵心(1 固定鐵心內；組成多相電樞繞組中的每個線圈的有效邊均嵌入電樞鐵心(1 內；懸浮控制繞組中的每個線圈的有效邊均嵌入初級鐵心 (13)內。
3.多自由度磁懸浮電機，其特征在于該多自由度磁懸浮電機是一種圓柱形電機，該圓柱形電機由旋轉電機單元以及軸向推力、懸浮電機單元構成，旋轉電機單元由定子和轉子構成，定子包括電樞鐵心(1 和多相電樞繞組，轉子包括轉子軛和轉子永磁體04)，軸向推力、懸浮電機單元由初級和次級構成，初級包括軸向推力控制繞組、懸浮控制繞組和初級鐵心(13)，次級軛次級包括次級軛和次級永磁體02)， 旋轉電機單元為外轉子結構，軸向推力、懸浮電機單元為外次級結構， 旋轉電機單元的電樞鐵心(1 與軸向推力、懸浮電機單元的初級鐵心(1 固定連接在一起，構成整個電機的圓柱形鐵心，其中所述軸向推力、懸浮電機單元的初級鐵心(13) 由兩部分組成，所述兩部分鏡像對稱位于電樞鐵心(1 的軸向兩側，電機軸線為圓柱形鐵心的中軸線；多相電樞繞組、軸向推力控制繞組和懸浮控制繞組均固定在電機鐵心的圓柱形外表面上，其中多相電樞繞組，位于所述圓柱形外表面的軸向中間位置，組成多相電樞繞組的多個旋轉電樞線圈(14)沿圓周均勻分布；組成軸向推力控制繞組的多個單線圈(19)均勻分成兩組，所述兩組單線圈(19)鏡像對稱分布于多相電樞繞組的軸向兩側，位于同一側的多個單線圈(19)沿圓周方向均勻分布；組成懸浮控制繞組的多個雙線圈00)均勻分成兩組，所述兩組雙線圈00)鏡像對稱分布于多相電樞繞組的軸向兩側，位于同一側的多個雙線圈00)與軸向推力控制繞組的單線圈(19)相間排列，組成每個雙線圈OO)的兩個單線圈沿軸向排列，并且串聯連接；旋轉電機單元的轉子軛與軸向推力、懸浮電機單元的次級軛固定連接在一起，構成整個電機的圓筒形轉子軛(23)，所述軸向推力、懸浮電機單元的次級由兩部分組成，該兩部分鏡像對稱分布在轉子軛的軸向兩側；所述圓筒形轉子軛的內表面上固定有旋轉電機單元的轉子永磁體04)和軸向推力、懸浮電機單元的永磁體，所述旋轉電機單元的轉子永磁體04)由多個永磁體組成，所述多個永磁體位于圓筒形轉子軛的軸向中間位置，并且多個永磁體沿圓周方向均勻分布，每個永磁體均沿徑向充磁，并且周向相鄰的兩個永磁體的充磁方向相反；軸向推力、懸浮電機單元的永磁體由四個環(huán)形永磁體0 組成，所述四個環(huán)形永磁體 (25)兩兩一組，鏡像對稱分布在轉子永磁體04)的軸向兩側，所述四個環(huán)形永磁體05)均沿徑向充磁，位于同一側的兩個環(huán)形永磁體05)的充磁方向相反，并且與轉子永磁體04) 相鄰的兩個環(huán)形永磁體05)的充磁方向也相反。
4.根據權利要求3所述的多自由度磁懸浮電機，其特征在于，軸向推力控制繞組中的每個線圈的有效邊均嵌入初級鐵心(1 內；組成多相電樞繞組中的每個線圈的有效邊均嵌入電樞鐵心(1 內；懸浮控制繞組中的每個線圈的有效邊均嵌入初級鐵心(1 內。
5.根據權利要求1或3所述的多自由度磁懸浮電機，其特征在于，旋轉電機單元的轉子永磁體04)采用內嵌式布置方式或Halbach布置方式。
6.根據權利要求1或3所述的多自由度磁懸浮電機，其特征在于，在旋轉電機單元的相鄰的兩個轉子永磁體04)之間，還固定有永磁體，該永磁體的充磁方向為周向充磁，并且該永磁體的磁力線與其相鄰的永磁體的磁力線方向相同。
7.多自由度磁懸浮電機，其特征在于多自由度磁懸浮電機是一種平板形雙邊結構的電機，該電機由直線電機單元以及導向、懸浮電機單元構成；3直線電機單元包括電樞和次級，并且為U形次級結構，電樞包括電樞繞組構成，次級包括次級軛(3 和次級永磁體(34)；導向、懸浮電機單元包括初級和次級，并且為導向、懸浮電機單元為U形次級結構，初級包括導向控制繞組和懸浮控制繞組，次級包括次級軛(31)和次級條形永磁體(32)；直線電機單元的電樞繞組與導向、懸浮電機單元的導向控制繞組、懸浮控制繞組由環(huán)氧樹脂固定并連接在一起，構成整個電機電樞；電樞繞組的線圈沿運動方向排列，其有效邊與運動方向垂直，導向控制繞組的多個雙線圈Gl)鏡像對稱分布在電樞繞組的上側與下側，位于同一側的多個雙線圈Gl)沿運動方向均勻分布排列，其有效邊為水平方向，每個雙線圈Gl)中的兩個單線圈上下并列擺布，并且所述兩個單線圈串聯連接；懸浮控制繞組的多個單線圈0 鏡像對稱分布在電樞繞組的上側與下側，位于同一側的多個單線圈G2)沿運動方向均勻分布排列，并且與導向控制繞組的多個雙線圈Gl) 相間排列；直線電機單元的次級軛(3 與導向、懸浮電機單元的次級軛(31)固定、連接在一起， 構成整個電機的次級軛；所述直線電機單元的次級軛(33)位于中間位置，導向、懸浮電機單元的次級軛(31)由兩部分組成，并且所述兩部分鏡像對稱分別于直線電機單元的次級軛(33)的上下兩側；直線電機單元的次級永磁體(34)N、S依次相間排列在次級軛(33)的內表面，并且與直線電機單元的電樞繞組相對應，導向、懸浮電機單元共有四個次級條形永磁體(3 ，所述四個次級條形永磁體(3 兩兩一組對稱分布位于直線電機單元的次級永磁體(34)的上下兩側，并固定在導向、懸浮電機單元的次級軛(31)的內表面上，所述條形永磁體的充磁方向垂直于直線電機單元的次級軛(33)，位于同一側的兩個次級條形永磁體(3 的充磁方向相反，并且與直線電機單元的次級永磁體(34)相鄰的兩個次級條形永磁體(3 的充磁方向也相反。
8.根據權利要求7所述的多自由度磁懸浮電機，其特征在于，直線電機單元的次級上每相鄰兩個次級永磁體(34)之間還固定有永磁體(35)，該永磁體(3 的磁力線與其相鄰的次級永磁體(34)的磁力線方向相同。
9.根據權利要求7所述的多自由度磁懸浮電機，其特征在于，直線電機單元的次級上永磁體內嵌式布置方式或Halbach布置方式。
10.根據權利要求1、3或7所述的多自由度磁懸浮電機，其特征在于，所述永磁體為分段拼接結構。
全文摘要
多自由度磁懸浮電機，屬于電機技術領域。本發(fā)明將磁懸浮技術與多自由電機技術相結合，設計了一種多自由度磁懸浮電機。本發(fā)明提供了球型、圓柱型和平板型三種結構的多自由度磁懸浮電機，其中球型電機的旋轉電機單元的定子、轉子分別和偏轉、懸浮電機單元主要由初級、次級固定連接在一起。圓柱型電機的旋轉電機單元的定子、轉子分別和軸向推力、懸浮電機單元的初級、次級固定連接在一起。平板型電機的雙邊直線電機單元的初級、次級分別和導向、懸浮電機單元的初級、次級固定連接在一起。本發(fā)明所述電機的各個自由度控制繞組相互獨立、無耦合；懸浮控制與偏轉控制共用一個次級，結構簡單；轉子采用磁懸浮方式支撐，無摩擦，高速度、壽命長。
文檔編號H02N15/00GK102237834SQ201110074179
公開日2011年11月9日 申請日期2011年3月25日 優(yōu)先權日2011年3月25日
發(fā)明者寇寶泉, 張赫, 張魯 申請人:哈爾濱工業(yè)大學