專利名稱：正交繞組式磁懸浮球形感應電動機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種球形電動機，具體地，涉及一種正交繞組式磁懸浮球形感應電動機，屬于電機技術領域。
背景技術：
多自由度球形電機指具有兩個或三個旋轉自由度，可以繞定點的空間軸線旋轉的電機。它具有機械集成度高、電機結構材料和驅動控制系統元件利用率高等特點，在具有多個運動自由度的機械系統中，一臺多自由度電機可以代替兩臺或多臺單自由度電機，大大簡化機械系統的結構，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， 從而提高系統的精度和動態性能，提高性能價格比，并在控制和軌跡規劃方面占有優勢。但是，現有的球形電機的各轉子的支承結構復雜，轉子俯仰、搖擺和偏轉的角度小，受到應用限制。在用于驅動高速、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子的摩擦阻力，而且會造成部件發熱，嚴重時會造成電機氣隙不均勻，導致電機的動態特性變差，從而降低電機的效率，縮短電機及裝備的使用壽命，嚴重制約著球形電動機向更高速度方向發展，軸承的性能大大影響了電機的可靠性和裝備利用率。有鑒于此，需要提供一種新型的球形電動機，以克服現有技術的上述缺陷。
實用新型內容本實用新型的目的是針對現有多自由度球形電動機存在的上述問題，基于磁懸浮技術和電機技術，提供一種機械集成度高、基本無摩擦磨損，精度高和動態性能好的具有多自由度的正交繞組式磁懸浮球形感應電動機。上述目的通過如下技術方案實現正交繞組式磁懸浮球形感應電動機，包括導磁的電動機定子、導磁的球形轉子及其轉動主軸、以及用于控制所述電動機定子上各個三相繞組通斷電狀態的檢測控制系統，其中，所述電動機定子內表面的形狀為一帶有開口的內球形面，所述球形轉子與所述轉動主軸固定為一體，該轉動主軸通過所述開口伸向外部，所述電動機定子的內球形面與所述球形轉子的外球形面之間相互同心且存在氣隙；所述電動機定子的內球形面上開有相互正交的定子溝槽，該定子溝槽內設有六組三相繞組，該六組三相繞組各自沿圓周方向布置并設置為在以所述電動機定子內球形面球心為坐標原點 0、以穿過該電動機定子內球形面圓心和所述開口中心的坐標軸為Z軸而構成三維坐標系中，所述六組三相繞組中的兩個三相繞組環繞Z軸布置并相對于OXY坐標平面對稱，兩個三相繞組環繞Y軸布置并相對于OXZ坐標平面對稱，另兩個三相繞組環繞X軸布置并相對于 OYZ平面對稱；所述球形轉子的外球形面上開有相互正交的轉子溝槽，該轉子溝槽內布置有轉子繞組，該轉子繞組構成閉合回路。具體地，所述定子溝槽包括相互正交的定子經度槽和定子緯度槽，所述轉子溝槽包括相互正交的轉子經度槽和轉子緯度槽。[0008]選擇地，所述開口為圓形開口。通過上述技術方案，本實用新型的正交繞組式磁懸浮球形感應電動機結構簡單、 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，該電動機的球形轉子與定子之間基本實現無摩擦、無磨損，動態性能好，響應速度快。本實用新型的正交繞組式磁懸浮球形感應電動機提高了電動機的效率，延長了使用壽命，在機器人的電動機及機械手的電動機、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。
圖1為本實用新型具體實施方式
的電動機定子的剖視示意圖。圖2為本實用新型具體實施方式
的電動機定子的內球面的示意圖。圖3為本實用新型具體實施方式
的球形轉子的結構示意圖。圖4至圖6分別是從不同方向觀察的電動機定子繞組結構及其產生的電磁力、電磁轉矩的分析示意圖。圖中1開口 ；2定子經度槽；3定子緯度槽；4定子凸極；5轉子凸極；6轉子經度槽；7轉子緯度槽；8，9 X軸方向半球面繞組；10，11 Y軸方向半球面繞組；12，13 Z軸方向半球面繞組；14球形轉子。
具體實施方式
以下結合附圖描述本實用新型正交繞組式磁懸浮球形感應電動機的具體實施方式
。參見圖1至圖6，本實用新型的正交繞組式磁懸浮球形感應電動機，包括導磁的電動機定子、導磁的球形轉子14及其轉動主軸、以及用于控制所述電動機定子上各個三相繞組通斷電狀態的檢測控制系統，其中，電動機定子內表面的形狀為一帶有開口 1 (優選圓形開口)的內球形面，球形轉子14與轉動主軸固定為一體，轉動主軸通過上述開口 1伸向外部，電動機定子的內球面與球形轉子的外球面之間相互同心并且存在氣隙(間隙)。參見圖1、圖2以及圖4至圖6所示，所述電動機定子由具有良好導磁性能的材料， 例如高硅鋼材料制成，其內表面為內球形面，在該內球形面開有相互正交的定子溝槽(例如包括定子經度槽2和定子緯度槽3)。如圖1和圖2所示，在以電動機定子內球面球心為坐標原點、以穿過該電動機定子內球面圓心和開口中心的坐標軸為Z軸而構成三維坐標系中， 則該三維坐標系中每個二維坐標平面將定子內球面分為對稱的兩個半球面。OXY平面將電動機定子內球面分為對稱的兩個內半球面，該半球面內定子凸極4、定子溝槽如圖2所示， 分別在這兩個內半球面的定子溝槽內，繞Z軸整體整體沿圓周方向嵌入一套三相繞組(圖4 中的X軸方向半球面繞組8、9)，且該兩套三相繞組相對于OXY平面對稱；CKZ平面將定子內球面分為對稱的兩個內半球面，分別在這兩個內半球面的定子溝槽內，繞Y軸整體沿圓周方向嵌入一套三相線圈繞組(圖5中的Y軸方向半球面繞組10、11)，且兩套三相繞組相對于 OXZ平面對稱；OYZ平面將定子內球面分為對稱的兩個內半球面，分別在這兩個內半球面的定子溝槽內，繞X軸整體沿圓周方向嵌入一套三相線圈繞組(圖6中的Z軸方向半球面繞組12、13)，且該兩套三相繞組相對于OYZ平面對稱。所述球形轉子14由具有良好導磁性能的材料，例如高硅鋼材料制成，其外球面與定子內球面相同，按經度和緯度方向開有相互正交的轉子溝槽(包括轉子經度槽6和轉子緯度槽7)，轉子溝槽將整個外球面分為幾何形狀相同的微小單元面的轉子凸極5，如圖4所示，轉子溝槽內放置有(或澆注)轉子繞組，該轉子繞組構成閉合回路。參見圖4至圖6，所述正交繞組式磁懸浮球形感應電動機的工作原理是，對X軸方向的兩個內半球面的三相定子繞組(圖4中的X軸方向半球面繞組8、9)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，X軸方向半球面繞組8、9產生磁拉力FXl和FX2，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4所示；對Y軸方向的兩個內半球面的三相定子繞組(圖5中的Y軸方向半球面繞組10、11)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MY=MY1+MY2 ；同時，兩個內半球面的繞組產生磁拉力FYl和FY2，在檢測控制系統控制下，使球形轉子沿Y軸方向穩定懸浮；對Z軸方向的兩個內球面的三相定子繞組(圖6中的Z軸方向半球面繞組12、13)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=MZ1+MZ2 ；同時，該內球面的繞組產生磁拉力FZl和FZ2，在檢測控制系統控制下，使球形轉子沿Z軸方向穩定懸浮。在此可以容易地想到，本發明的正交繞組式磁懸浮球形感應電動機通過控制各個三相繞組通電狀態來相應地控制各個方向的磁轉矩和磁拉力， 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。由上描述可見，本實用新型結構簡單、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，使得本實用新型正交繞組式磁懸浮球形感應電動機的球形轉子與定子之間基本實現無摩擦、無磨損，動態性能好，響應速度快。本實用新型的正交繞組式磁懸浮球形感應電動機提高了電動機的效率，延長了使用壽命，在機器人的電動機及機械手的電動機、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，其同樣落入本實用新型所公開的范圍之內。同時，本實用新型的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本實用新型的思想，其同樣應當視為本實用新型所公開的內容。此外，本實用新型并不限于上述實施方式中的具體細節，在本實用新型的技術構思范圍內，可以對本實用新型的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本實用新型的保護范圍。本實用新型的保護范圍由權利要求限定。
權利要求1.正交繞組式磁懸浮球形感應電動機，其特征是，包括導磁的電動機定子、導磁的球形轉子(14)及其轉動主軸、以及用于控制所述電動機定子上各個三相繞組通斷電狀態的檢測控制系統，其中，所述電動機定子內表面的形狀為一帶有開口(1)的內球形面，所述球形轉子與所述轉動主軸固定為一體，該轉動主軸通過所述開口伸向外部，所述電動機定子的內球形面與所述球形轉子的外球形面之間相互同心且存在氣隙；所述電動機定子的內球形面上開有相互正交的定子溝槽，該定子溝槽內設有六組三相繞組，該六組三相繞組各自沿圓周方向布置并設置為在以所述電動機定子內球形面球心為坐標原點0、以穿過該電動機定子內球形面圓心和所述開口(1)中心的坐標軸為Z軸而構成三維坐標系中，所述六組三相繞組中的兩個三相繞組環繞Z軸布置并相對于OXY坐標平面對稱，兩個三相繞組環繞Y軸布置并相對于OXZ坐標平面對稱，另兩個三相繞組環繞X軸布置并相對于OYZ平面對稱；所述球形轉子(14)的外球形面上開有相互正交的轉子溝槽，該轉子溝槽內布置有轉子繞組，該轉子繞組構成閉合回路。
2.根據權利要求1所述的正交繞組式磁懸浮球形感應電動機，其特征是，所述定子溝槽包括相互正交的定子經度槽(2)和定子緯度槽(3)，所述轉子溝槽包括相互正交的轉子經度槽(6)和轉子緯度槽(7)。
3.根據權利要求1所述的正交繞組式磁懸浮球形感應電動機，其特征是，所述開口(1) 為圓形開口。
專利摘要正交繞組式磁懸浮球形感應電動機，包括導磁的電動機定子、導磁的球形轉子(14)及其轉動主軸、以及用于控制所述電動機定子上各個三相繞組通斷電狀態的檢測控制系統，其中，所述電動機定子的內球形面與所述球形轉子的外球形面之間相互同心且存在氣隙；所述電動機定子的內球形面上開有相互正交的定子溝槽，該定子溝槽內設有六組三相繞組，所述球形轉子(14)的外球形面上開有相互正交的轉子溝槽，該轉子溝槽內布置有構成閉合回路的轉子繞組。本實用新型結構簡單、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，該電動機的球形轉子與定子之間基本實現無摩擦、無磨損，動態性能好，響應速度快。
文檔編號H02N15/00GK202085108SQ20112018620
公開日2011年12月21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