[发明专利]磁悬浮球形电动机系统

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种具有多个旋转自由度驱动能力的电动机，属于机电工技术与控制技术领域。 

背景技术

多自由度球形电机指具有两个或三个旋转自由度，可以绕过定点的空间轴线旋转的电机。它具有机械集成度高、电机结构材料和驱动控制系统元件利用率高等特点，在具有多个运动自由度的机械系统中，一台多自由度电机可以代替两台或多台单自由度电机，大大简化机械系统的结构，减小体积和重量，可以消除由于齿轮传动带来的齿隙和摩擦等缺点，从而提高系统的精度和动态性能，提高性能价格比，并在控制和轨迹规划方面占有优势。因此多自由度球形电机在机器人的关节及机械手的关节、多坐标机械加工中心、航大坛行器、电动陀螺仪、全方位跟踪天线、炮塔转台、人体假肢、医疗器械、摄像操作台、全景摄影操作台、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具有广泛的应用前景。现有的球形电机由包括电动机的定子及绕组、球形转子、输出转臂和检测控制系统等组成，但球形电机对各球形转子的支承结构复杂，球形转子俯仰、摇摆和偏转的角度小，受到应用限制。在用于驱动高速、超高速的多自由度装置时，还存在机械(轴承)支承的磨损问题，机械摩擦不仅增加了球形转子的摩擦阻力，而且会造成部件发热，严重时会造成电机气隙不均匀，导致电机的动态特性变差，从而降低电机的效率，缩短电机及装备的使用寿命，严重制约着球形电动机向更高速度方向发展，轴承的性能大大影响了电机的可靠性和装备利用率。 

发明内容

本发明的目的是针对现有球形电动机存在的上述问题，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、无摩擦、无磨损，精度高和动态性能好，并能使球形转子俯仰、摇摆和偏转的角度达到最大，具有可以绕球形转子中心旋转的二自由度或多自由度磁悬浮球形电动机系统。 

本发明的技术方案是，磁悬浮球形电动机系统，包括电动机的定子及绕组、球形转子、输出转臂构成的磁悬浮球形电动机和检测控制系统，输出转臂与球形转子连接固定成一体，z的正方向为输出转臂伸出方向，检测控制系统由x、y、z三个坐标轴方向的独立控制子系统组成，各子系统由悬浮控制器、解耦控制器、2Φ/3Φ变换电路、整流稳压电路、逆变器、传感器、信号检测处理电路组成，控制所在坐标轴方向球形转子的移动、悬浮和转动状态，其特征是所述的定子由五个或六个分体式凸极定子构成，定子的凸极定子的凸极之间的槽内绕有三相或多相通电线圈绕组，所有凸极定子的表面构成一球形包络内表面，定子球形包络内表面与球形转子外表面之间在二者同心时存在设定的气隙长度，凸极定子以球形转子中心为坐标原点，按x-y-z的空间三维坐标系正交布置在球形转子各侧面，其中，在x方向对称于坐标原点各布置一个凸极定子，在y方向对称于坐标原点各布置一个凸极定子，在z方向布置一个或二个凸极定子。 

所述的检测控制系统根据球形转子在某坐标轴方向偏离平衡位置的差动信号，适时调节该坐标轴上对称于球形转子的两个凸极定子绕组的转矩电流指令信号，差动调节提供给两个凸极定子绕组的驱动电流，使产生的磁悬浮合力将球形转子稳定悬浮在该坐标轴的平衡状态。 

所述的磁悬浮球形电动机在检测控制系统的综合控制下，产生沿定子对称轴方向作用于球形转子的磁推/拉力和产生绕定子对称轴并与球形转子球表面相切的磁转矩。 

所述的磁悬浮球形电动机在空间三维坐标系的x和y坐标轴上，对称于球形转子布置的两个向心推/拉力磁悬浮球形电机定子，z坐标上布置 的一个或二个向心推/拉力磁悬浮球形电机的凸极定子，在检测控制系统综合作用下，绕三个坐标方向的向心推/拉力磁悬浮球形电机的定子共同作用，实现球形转子稳定悬浮在定子凸极包络球的中心，且驱动其两自由度或多自由度转动。 

所述的球形转子由具有良好导磁性能的材料制成，其球表面开有相互垂直且连续的沟槽，沟槽将整个球表面分为几何形状相同的微小单元面的转子凸极，在沟槽内下导体构成转子绕组或电枢绕组。 

所述定子采用具有良好导磁性能的材料制成，其凸极表面构成的包络面为无底的球冠内表面；在各凸极之间的槽内，绕有三相或多相通电线圈绕组，通电线圈绕组将产生沿定子对称轴方向的磁推/拉力，以实现对球形转子在该定子轴线方向的移动自由度限制，以及产生绕定子对称轴并与转子球表面相切的磁转矩，以实现绕定子对称轴旋转自由度方向的驱动；多个推/拉力磁悬浮球形电机在控制器调节作用下，可实现球形转子稳定悬浮在定子凸极包络球的中心，且驱动其实现两自由度或多自由度转动。