具有海尔贝克阵列的多自由度电磁机器制造技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
具有海尔贝克阵列的多自由度电磁机器
本专利技术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。
技术介绍
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。本专利技术至少满足了这些需求。
技术实现思路
提供本
技术实现思路
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
技术实现思路
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。另外，结合附图和前述
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，多自由度电磁机器的其他所需的特征和特性将根据后续具体实施方式和所附权利要求书变得明显。附图说明下面将结合以下附图来描述本专利技术，其中相似数字表示相似元件，并且其中：图1是多自由度电磁机器的一个实施方案的平面图；图2是图1中所示多自由度电磁机器的剖视图；图3是可用于实现图1和图2中所示多自由度电磁机器的球形结构和定子绕组的图示；图4是可用于实现图1和图2中所示多自由度电磁机器的转子和海尔贝克阵列的一个实施方案的平面图；图5是可用于实现图1和图2中所示多自由度电磁机器的转子和海尔贝克阵列的一个实施方案的俯视图；图6是可用于实现图1和图2中所示多自由度电磁机器的转子和海尔贝克阵列的另一个实施方案的俯视图；图7是多自由度电磁机器的另一个实施方案的平面图；图8是图7中所示多自由度电磁机器的剖视图；图9示出了图1和图2中所示多自由度电磁机器的气隙磁通与位置的关系图；图10示出了当前已知的多自由度电磁机器的气隙磁通与位置的关系图；以及图11示出了图1和图2中所示多自由度电磁机器及当前已知的多自由度电磁机器的转矩与位置的关系图。具体实施方式以下具体实施方式本质上仅是示例性的，并且不旨在限制本专利技术或本专利技术的应用和使用。如本文所用，词语“示例性”是指“用作示例、实例或例证”。因此，本文中描述为“示例性”的任何实施方案不一定被理解为比其他实施方案优选或有利。本文描述的所有实施方案是为使得本领域的技术人员能够制作或使用本专利技术而提供的示例性实施方案，而不限制由权利要求书限定的本专利技术的范围。此外，不旨在受前述
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或以下具体实施方式中呈现的任何明示或暗示的理论的约束。参见图1和图2，分别示出了多自由度电磁机器100的一个实施方案的平面图和剖视图。所示出的电磁机器100包括球形结构102、多个线圈104、非磁性结构106和海尔贝克阵列108。至少在示出的实施方案中，球形结构102是中空的。即，如在图2中更清楚地示出，球形结构包括内表面101和外表面103，并且内表面101限定腔105。球形结构102优选地由透磁材料构成，但如果需要或必要时它也可由非磁性材料构成。尽管可以使用许多透磁材料中的任一种，但一些非限制性示例包括钢铁，诸如DT4、DT4A、DT4E、DT4C、Hiperco和Hiperco或低碳钢。无论具体材料如何，并且如图3更清楚地示出，球形结构102具有三个垂直设置的对称轴线：第一对称轴线110-1、第二对称轴线110-2和第三对称轴线110-3(仅在图3中示出)。球形结构102具有缠绕于其上的多个线圈104。在示出的实施方案中，这些线圈包括第一线圈104-1、第二线圈104-2和第三线圈104-3。然而，应当理解的是，在一些实施方案中，电磁机器100可仅用两个线圈而不是三个线圈来实现，并且以具有两个自由度的有限转角转矩电动机的形式来操作。如图3进一步示出，第一线圈104-1绕第一对称轴线110-1缠绕于球形结构102上，第二线圈104-2绕第二对称轴线110-2缠绕于球形结构102上，并且第三线圈104-3当被包括时绕第三对称轴线110-3缠绕于球形结构102上。应当指出的是，球体具有无限数量的对称轴线。因此，第一对称轴线110-1、第二对称轴线110-2和第三对称轴线110-3可以是这些对称轴线中的任一个，只要所有三个对称轴线彼此垂直即可。现在返回至图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多自由度电磁机器，包括：/n球形结构，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，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；/n第一线圈，所述第一线圈围绕所述第一对称轴线缠绕于所述球形结构上；/n第二线圈，所述第二线圈围绕所述第二对称轴线缠绕于所述球形结构上；/n非磁性结构，所述非磁性结构与所述球形结构间隔开并且至少部分地围绕所述球形结构；和/n安装于所述非磁性结构上的海尔贝克阵列，所述海尔贝克阵列包括N个磁体，其中N为4的倍数，/n其中所述球形结构和所述非磁性结构被安装成允许所述非磁性结构与所述球形结构之间的相对旋转。/n

【技术特征摘要】
20191212 US 16/712,5031.一种多自由度电磁机器，包括：
球形结构，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，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，所述第一线圈围绕所述第一对称轴线缠绕于所述球形结构上；
第二线圈，所述第二线圈围绕所述第二对称轴线缠绕于所述球形结构上；
非磁性结构，所述非磁性结构与所述球形结构间隔开并且至少部分地围绕所述球形结构；和
安装于所述非磁性结构上的海尔贝克阵列，所述海尔贝克阵列包括N个磁体，其中N为4的倍数，
其中所述球形结构和所述非磁性结构被安装成允许所述非磁性结构与所述球形结构之间的相对旋转。


2.根据权利要求1所述的电磁机器，其中：
所述非磁性结构包含铝和塑料中的一者；并且
N等于16。


3.根据权利要求1所述的电磁机器，其中所述非磁性结构被安装成相对于所述球形结构围绕所述第一对称轴线和所述第二对称轴线而旋转。


4.根据权利要求3所述的电磁机器，进一步包括：
框架，所述框架旋转地联接到所述球形结构和所述非磁性结构，使得(i)所述非磁性结构和所述框架能够相对于所述球形结构围绕所述第一对称轴线而共同地旋转，并且(ii)所述非磁性结构能够相对于所述框架和所述球形结构围绕所述第二对称轴线而旋转。


5.根据权利要求4所述的电磁机器，其中所述框架包括：
安装凸缘；
固定轴，所述固定轴延伸穿过所述球形结构，所述固定轴固定地联接到所述安装凸缘和所述球形结构两者；
下磁轭，所述下磁轭旋转地联接到所述轴并且能够相对于所述轴和所述安装凸...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏巴什里·拉贾戈帕，迪娜·达亚兰·科坦达拉曼，西瓦纳加马勒斯瓦拉·巴维塞蒂，戈文德·亚达夫，罗摩克里希纳·拉奥·P·V，哈希特·阿格拉沃尔，
申请(专利权)人：霍尼韦尔国际公司，
类型：发明
国别省市：美国;US