專利名稱：感應式磁懸浮球形主動關節的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種球形關節，具體地，涉及一種感應式磁懸浮球形主動關節，其屬于一種在工程中廣泛使用的具有支承驅動功能的關節系統，屬于機電一體化技術領域。
背景技術：
球形關節在具有多個運動自由度的設備中具有廣泛的應用前景，例如在機器人及機械手，乃至多坐標機械加工中心、航天飛行器、電動陀螺儀、全方位跟蹤天線、炮塔轉臺、 醫療器械、攝像操作臺、全景攝影操作臺、攪拌機、移動機構的萬向輪、球形閥、球形泵等設備。球形關節系統包括驅動器、傳動器和控制器，屬于機器人的基礎部件，是整個機器人伺服系統中的一個重要環節，其結構、重量、尺寸對機器人性能有直接影響。關節的驅動方式主要有第一，由液動機、伺服閥、油泵及油箱等組成的液壓伺服驅動系統；第二，由氣缸、 氣閥、氣罐和空壓機組成的氣壓伺服驅動系統；第三，采用伺服電機、減速傳動裝置等組成的電氣伺服驅動系統。從機器人關節的應用現狀可知，目前機器人關節通常采用電機加減速機構驅動方式。大多數關節為多自由度關節，而多自由度關節的運動是通過連桿連接的幾個關節利用平移和旋轉運動協調運動產生的，往往需要采用多套單自由度的驅動機構以及復雜的機械傳動機構來完成。這樣將導致結構復雜，體積龐大，關節摩擦面磨損嚴重，效率低下，制造安裝非常困難，運動空間范圍小，響應遲緩，動態性能較差，而且機械傳動系統誤差的累計導致整個控制系統的精度下降，甚至影響系統的穩定性。有鑒于此，需要設計一種新型的球形關節，以緩解現有技術的上述缺陷。
發明內容
本發明的目的是針對現有球形關節存在的上述問題，基于磁懸浮技術和電機技術，提供一種機械集成度高、結構簡單、基本無摩擦磨損、精度高和動態性能好，具有能夠繞定點空間軸旋轉的多自由度磁懸浮球形主動關節。上述目的通過如下技術方案實現感應式磁懸浮球形主動關節，包括導磁的關節定子、導磁的球形轉子及其轉動主軸、以及用于控制所述關節定子上各個三相繞組通斷電狀態的檢測控制系統，其中，所述關節定子的內表面形狀為一帶有開口的內球面，所述球形轉子與所述轉動主軸固定為一體，所述轉動主軸通過所述開口伸向外部，所述關節定子的內球面與所述球形轉子的外球面之間相互同心且存在氣隙；所述關節定子的內球面上分布有繞組放置溝槽，該繞組放置溝槽內設有分別呈環形的五個三相繞組，該五個三相繞組布置為在以所述關節定子內球面的球心為原點、所述轉動主軸為Z軸的三維坐標系內，所述五個三相繞組中的兩個三相繞組相對于Y軸對稱并且各自圓心處的法線與X軸同軸，兩個三相繞組相對于X軸對稱并且各自圓心處的法線與Y軸同軸，一個三相繞組圓心處的法線與Z軸同軸；所述球形轉子的外球面開設有連續并交叉的轉子溝槽，該轉子溝槽的交叉點處設有通向所述球形轉子球心的轉子通孔，所述轉子溝槽和轉子通孔內放置有轉子繞組，CN 102259342 A
說明書
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該轉子繞組通路為封閉回路，并在所述球形轉子的球心處交匯短接。選擇地，所述關節定子內球面上的開口為圓形開口。本發明結構簡單、合理、緊湊，綜合應用磁懸浮技術和電機技術，實現無軸承的懸浮支承并驅動球形轉子轉動，其中球形轉子與關節定子之間實現基本無摩擦、無磨損，動態性能好，響應速度快，提高關節的效率，延長關節及裝備的使用壽命。
圖1為本發明具體實施方式
的關節定子內球面圓形區域凸極的布置示意圖。圖2為本發明具體實施方式
的球形轉子及其繞組的結構示意圖。圖3和圖4分別為從不同方向觀察的本發明具體實施方式
的關節定子繞組結構及產生的電磁力、電磁轉矩分析示意圖。圖中1第一圓周層凸極；2第二圓周層凸極；3第三圓周層凸極；4繞組置放溝槽； 5,6 X方向區域繞組；7，8 Y方向區域繞組；9 Z方向區域繞組；10球形轉子；11轉子繞組； 12轉子溝槽；13轉子通孔。
具體實施例方式以下結合附圖描述本發明感應式磁懸浮球形主動關節的具體實施方式
。參見圖1至圖4，本發明的感應式磁懸浮球形主動關節，包括關節定子、球形轉子 10及其轉動主軸、以及用于控制所述關節定子上各個三相繞組通斷電狀態的檢測控制系統，其中，所述關節定子的內表面形狀為一帶有開口的內球面，所述球形轉子與轉動主軸固定為一體，所述轉動主軸通過所述開口伸向外部；所述關節定子的內球面與所述球形轉子的外球面之間相互同心且存在氣隙(間隙)。其中，所述關節定子的內球面上布置有繞組放置溝槽4，該繞組放置溝槽內設有分別呈環形的五個三相繞組，該五個三相繞組布置為在以所述關節定子內球面的球心為原點、所述轉動主軸為Z軸的三維坐標系內，所述五個三相繞組中的兩個三相繞組在圓心處的法線與X軸同軸(即X軸通過該兩個三相繞組的圓心并垂直三相繞組所處的平面)并相對于Y軸對稱，兩個三相繞組的圓心處的法線與Y軸同軸(即Y軸通過該兩個三相繞組的圓心并垂直三相繞組所處的平面)并相對于X軸對稱，一個三相繞組的圓心處的法線與Z軸同軸 (即Z軸通過該三相繞組的圓心并垂直三相繞組所處的平面)。具體地，參見圖1、圖3和圖4，所述感應式磁懸浮球形主動關節的關節定子由具有良好導磁性能的高硅鋼材料制成，其內球面包含五個區域。以內球面球心為坐標原點，穿過上述開口中心的坐標軸為Z軸構成三維坐標系，則Z軸方向的圓形區域只有1個，其區域圓心處法線與Z軸共線，其余每2個圓形球面區域對稱于坐標原點(內球面球心)，其圓心處的法線與X軸或Y軸共線。如圖1所示，每個圓形區域均以其圓心為中心，加工出若干層，如第一層、第二層、……沿圓周方向均勻布置的凸極，例如第一圓周層凸極1、第二圓周層凸極 2、第三圓周層凸極3，同層各凸極頂面為面積相等的環狀面，其包絡面為定子內球面。所述圓形區域在各凸極之間的繞組放置溝槽4內沿圓周方向繞有一套三相線圈繞組，同一坐標軸方向上兩個圓形區域的三相繞組結構完全相同，如圖3和圖4所示。參見圖2，所述感應式磁懸浮球形主動關節的球形轉子10由具有良好導磁性能的高硅鋼材料制成，其外球面按一定的規律(如基于近似等邊球面或基于球面多面體分布原則)開設連續并交叉的轉子溝槽12，轉子溝槽12將轉子整個外球面分為幾何形狀相同的微小單元面的轉子凸極。如圖2所示，轉子溝槽12交叉點處與轉子球心形成轉子通孔13，轉子溝槽12和轉子通孔13內放置(或澆注)轉子繞組11，轉子繞組通路為封閉回路，并在該球形轉子的球心處交匯短接。為便于加工通孔和置繞組，以及設置安裝傳感檢測元件，沿Z 軸將球形轉子剖分為兩個半球，在安裝相關元件后再相互連接。參見圖3和圖4，所述感應式磁懸浮球形主動關節，對X軸方向的2個區域的三相定子繞組(即圖3中的X方向區域繞組5、6)同時通入三相電流，在檢測控制系統作用下，各自將產生繞X軸的旋轉磁場，同時在轉子繞組中產生感應電流，具有感應電流流動的轉子繞組切割磁力線，便產生驅動轉子繞X軸旋轉的合成電磁轉矩MX=MX1+MX2 ；同時，2個區域的繞組產生磁拉力Fxi和 ^Χ2，在檢測控制系統控制下，使球形轉子沿X軸方向穩定懸浮，如圖 3所示；對Y軸方向的2個區域的三相定子繞組(即圖3中的Y方向區域繞組7、8)同時通入三相電流，在檢測控制系統作用下，各自將產生繞Y軸的旋轉磁場，同時在轉子繞組中產生感應電流，具有感應電流流動的轉子繞組切割磁力線，便產生驅動轉子繞Y軸旋轉的合成電磁轉矩ΜΥ=ΜΥ1+ΜΥ2 ；同時，2個區域的繞組產生磁拉力Fyi和Fy2，在控制系統控制下，使球形轉子沿Y軸方向穩定懸浮；對Z軸方向的1個區域的三相定子繞組(即圖4中的Z方向區域繞組9)通入三相電流，在檢測控制系統作用下，各自將產生繞Z軸的旋轉磁場，同時在轉子繞組中產生感應電流，具有感應電流流動的轉子繞組切割磁力線，便產生驅動轉子繞Z 軸旋轉的合成電磁轉矩Mz ；同時，該區域的繞組產生磁拉力Fz，在檢測控制系統控制下，使球形轉子沿Z軸方向穩定懸浮，即與重力相平衡。在此需要另外說明的是，本發明的感應式磁懸浮球形主動關節，其中“主動關節”中的“主動”表示該球形關節通過控制各個三相繞組通電狀態來控制各個方向的磁拉力，即能夠容易地實現多自由度運動，其無需通過多套單自由度的驅動機構以及復雜的機械傳動機構來完成運動。本發明結構簡單、合理、緊湊，綜合應用磁懸浮技術和電機技術，實現無軸承的懸浮支承并驅動球形轉子轉動，感應式磁懸浮球形主動關節的球形轉子與感應式球形主動關節的關節定子之間實現基本無摩擦、無磨損，動態性能好，響應速度快，提高關節的效率，延長關節及裝備的使用壽命。本發明的感應式磁懸浮球形主動關節在機器人的關節及機械手的關節、多坐標機械加工中心、航天飛行器、電動陀螺儀、全方位跟蹤天線、炮塔轉臺、人體假肢、醫療器械、攝像操作臺、全景攝影操作臺、攪拌機、移動機構的萬向輪、球形閥、球形泵等具有多個運動自由度的設備中具有很好的應用前景。在上述具體實施方式
中所描述的各個具體技術特征，可以通過任何合適的方式進行任意組合，其同樣落入本發明所公開的范圍之內。同時，本發明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發明的思想，其同樣應當視為本發明所公開的內容。此外，本發明并不限于上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思范圍內，可以對本發明的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發明的保護范圍。本發明的保護范圍由權利要求限定。
權利要求
1.感應式磁懸浮球形主動關節，其特征是，包括導磁的關節定子、導磁的球形轉子 (10)及其轉動主軸、以及用于控制所述關節定子上各個三相繞組通斷電狀態的檢測控制系統，其中，所述關節定子的內表面形狀為一帶有開口的內球面，所述球形轉子與所述轉動主軸固定為一體，所述轉動主軸通過所述開口伸向外部，所述關節定子的內球面與所述球形轉子的外球面之間相互同心且存在氣隙；所述關節定子的內球面上分布有繞組放置溝槽(4)，該繞組放置溝槽內設有分別呈環形的五個三相繞組，該五個三相繞組布置為在以所述關節定子內球面的球心為原點、所述轉動主軸為Z軸的三維坐標系內，所述五個三相繞組中的兩個三相繞組相對于Y軸對稱并且各自圓心處的法線與X軸同軸，兩個三相繞組相對于X軸對稱并且各自圓心處的法線與 Y軸同軸，一個三相繞組圓心處的法線與Z軸同軸；所述球形轉子(10)的外球面開設有連續并交叉的轉子溝槽(12)，該轉子溝槽的交叉點處設有通向所述球形轉子球心的轉子通孔(13)，所述轉子溝槽和轉子通孔(13)內放置有轉子繞組(11)，該轉子繞組通路為封閉回路，并在所述球形轉子的球心處交匯短接。
2.根據權利要求1所述的感應式磁懸浮球形主動關節，其特征是，所述關節定子內球面上的開口為圓形開口。
全文摘要
感應式磁懸浮球形主動關節，包括導磁的關節定子、導磁的球形轉子及其轉動主軸、以及用于控制關節定子上各個三相繞組通斷電狀態的檢測控制系統，其中關節定子的內表面形狀為一帶有開口的內球面，球形轉子與轉動主軸固定為一體，轉動主軸通過開口伸向外部，關節定子的內球面與球形轉子的外球面之間相互同心且存在氣隙，關節定子上布置有五個三相繞組，球形轉子上布置有轉子繞組。本發明結構簡單、合理、緊湊，綜合應用磁懸浮技術和電機技術，實現無軸承的懸浮支承并驅動球形轉子轉動，其中球形轉子與關節定子之間實現基本無摩擦、無磨損，動態性能好，響應速度快，提高關節的效率，延長關節及裝備的使用壽命。
文檔編號H02N15/00GK102259342SQ201110148390
公開日2011年11月30日 申請日期2011年6月3日 優先權日2011年6月3日
發明者張丹, 曾勵 申請人:揚州大學