[实用新型]向心推/拉力磁悬浮球形电动机

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种具有多个旋转自由度驱动能力的电动机，属于机电一体化技术领域。

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、航空飞行器、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。但球形电机对各转子的支承结构复杂，转子俯仰、摇摆和偏转的角度小，受到应用限制。现有的球形电动机包括壳体、定子、球形转子、输出转臂构和检测控制系统，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。

实用新型内容

本实用新型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的向心推/拉力磁悬浮球形电动机。

本实用新型的目的是这样实现的，向心推/拉力磁悬浮球形电动机，包括球形电动机壳体、定子、球形转子、输出转臂构成的球形电动机和检测控制系统，其特征是球形电动机壳体由棱柱体或圆柱体制成，以柱体轴线为中心线，开一主轴通孔贯穿于柱体的两底面，在柱体侧面，均布至少4个垂直于主轴通孔的垂面通孔，所述的定子设有多个凸极定子，垂面通孔内安装有凸极定子或电磁铁夹持机构；在主轴通孔的一端嵌入凸极定子，通过带孔的端盖和主轴通孔中的定位台阶将凸极定子固定在壳体上；至少2个相互垂直的垂面通孔入口处嵌入凸极定子，并通过带孔的端盖和垂面通孔中的定位台阶将凸极定子固定在机壳体上；所有凸极定子的凸极端面构成一定子凸极包络球，在该包络球空间内置放球形转子，球形转子与输出转臂固定成一体，输出转臂通过主轴通孔的另一端伸向外部；定子凸极包络球的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一定的气隙；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，各子系统设有控制球形转子悬浮和转动状态的悬浮控制器、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，传感器设置在端盖上的孔内。

所述的球形电动机壳体围绕球形转子布置至少3个球形电动机凸极定子，其中，绕柱体轴线转动的至少1个，绕垂直于柱体轴线的二维坐标轴转动的各至少1个，在悬浮控制器控制下，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。

所述的定子由具有良好导磁性能的材料制成，其凸极定子凸极表面构成的包络球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。定子凸极间的槽内三相或多相通电线圈绕组，通电后，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控制下，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。

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，沟槽内下导体构成转子绕组或电枢绕组。

所述的电磁铁夹持机构由电磁铁铁芯、线圈绕组、夹持衔铁组成。电磁铁夹持机构，电机不工作时在弹簧力作用下处于夹持状态，电机工作时在电磁力作用下处于松开状态。