[发明专利]具有海尔贝克阵列的多自由度电磁机器

说明书

本发明公开了一种多自由度电磁机器，该多自由度电磁机器包括球形结构、第一线圈、第二线圈、非磁性结构和海尔贝克阵列。所述球形结构具有第一对称轴线、第二对称轴线和第三对称轴线，并且所述第一对称轴线、第二对称轴线和第三对称轴线垂直于彼此而设置。第一线圈围绕第一对称轴线缠绕于球形结构上，并且第二线圈围绕第二对称轴线缠绕于球形结构上。非磁性结构与球形结构间隔开，并且至少部分地围绕球形结构。海尔贝克阵列安装于非磁性结构上并包括N个磁体，其中N为4的倍数。球形结构和非磁性结构的安装使非磁性结构与球形结构之间能够相对旋转。

技术领域

本发明总体上涉及电磁机器，且更具体地涉及具有海尔贝克阵列(Halbacharray)的多自由度电磁机器。

背景技术

随着UAV(无人驾驶飞行器)、空运用无人机、机器人技术、办公自动化、智能柔性制造装配系统等领域的发展，开发多自由度(DOF)精密致动系统成为一种必要。按照惯例，依赖于多自由度运动的应用通常是通过为各轴线而使用单独的电动机/致动器来完成，这导致复杂的传动系统和相对较重的结构。

随着球形电动机的问世，已有人多次尝试用单个球形电动机组件来替换复杂的多自由度组件。典型的球形电动机是由中心球体组成，将可彼此正交放置的线圈缠绕于该中心球体上。该球体被多极磁体所围绕，这些多极磁体可采用球体或开口圆柱体的形式。

遗憾的是，许多现有的球形电动机表现出一些未达最优的特性。例如，许多现有的球形电动机在不同位置表现出不均匀的转矩，这会使其控制相对地复杂。这至少部分地归因于非正弦气隙磁通。另外，由于磁体和钢布置，旋转部件(例如，电枢/转子)相对地较重。此外，由于非线性转矩分布，许多现有的球形电动机会相对地难以控制，并且在所有位置不提供最大预期转矩，从而限制了有用功和平均转矩输出。

因此，需要一种在不同位置表现出更均匀的转矩并且/或者表现出正弦气隙磁通并且/或者相对更易于控制的多自由度电磁机器。本发明至少满足了这些需求。

发明内容

提供本发明内容以便以简化形式描述所选概念，这些概念在具体实施方式中进一步描述。本发明内容不旨在识别要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用于帮助确定要求保护的主题的范围。

在一个实施方案中，多自由度电磁机器包括球形结构、第一线圈、第二线圈、第三线圈、非磁性结构和海尔贝克阵列。所述球形结构具有第一对称轴线、第二对称轴线和第三对称轴线，并且所述第一对称轴线、第二对称轴线和第三对称轴线垂直于彼此而设置。第一线圈围绕第一对称轴线缠绕于球形结构上，并且第二线圈围绕第二对称轴线缠绕于球形结构上。非磁性结构与球形结构间隔开，并且至少部分地围绕球形结构。海尔贝克阵列安装于非磁性结构上并包括N个磁体，其中N为4的倍数。球形结构和非磁性结构的安装使非磁性结构与球形结构之间能够相对旋转。

在另一个实施方案中，多自由度电磁机器包括球形结构、第一线圈、第二线圈、铝结构和16磁体海尔贝克阵列。所述球形结构具有第一对称轴线、第二对称轴线和第三对称轴线，并且所述第一对称轴线、第二对称轴线和第三对称轴线垂直于彼此而设置。第一线圈围绕第一对称轴线缠绕于球形结构上，并且第二线圈围绕第二对称轴线缠绕于球形结构上。铝结构与球形结构间隔开，并且至少部分地围绕球形结构。铝结构安装成相对于球形结构而旋转，并且具有内表面和外表面。16磁体海尔贝克阵列安装于铝结构的内表面上。

在又一个实施方案中，多自由度电磁机器包括球形结构、第一线圈、第二线圈、第三线圈、铝结构和16磁体海尔贝克阵列。所述球形结构包含透磁材料并且具有第一对称轴线、第二对称轴线和第三对称轴线，其中所述第一对称轴线、所述第二对称轴线和所述第三对称轴线垂直于彼此而设置。第一线圈围绕第一对称轴线缠绕于球形结构上，第二线圈围绕第二对称轴线缠绕于球形结构上，并且第三线圈围绕第三对称轴线缠绕于球形结构上。铝结构与球形结构间隔开并至少部分地围绕球形结构，并且具有内表面和外表面。16磁体海尔贝克阵列安装于铝结构的内表面上。球形结构和铝结构的安装使非磁性结构与球形结构之间能够相对旋转。