一种基于运动解耦的磁通切换型永磁球形电机制造技术

本发明专利技术公开了一种基于运动解耦的磁通切换型永磁球形电机，其定子结构由定子球壳和固定设置在定子球壳内表面各定子磁极对构成；两只U形定子磁极齿以各自的一侧边共同夹持永磁体，并绕制绕组构成定子磁极对，定子磁极对在定子球壳内表面按不同的位置分设为自旋模块磁极对和倾斜模块磁极对；转子结构由转子球壳和固定设置在转子球壳上的各转子磁极齿构成，转子球壳为中空导磁球体，转子磁极齿是由导磁材料制成的圆柱状磁极齿；各圆柱状磁极齿独立嵌装在转子球壳上；输出轴与转子球壳固定连接，并沿转子球壳的径向延伸；本发明专利技术基于运动解耦采用模块化设计,将定子磁极对和转子磁极齿分为自旋运动模块和倾斜运动模块进而实现多自由度运动。多自由度运动。多自由度运动。

【技术实现步骤摘要】
一种基于运动解耦的磁通切换型永磁球形电机


[0001]本专利技术涉及球形电机，更具体地说是一种基于运动解耦的磁通切换型永磁球形电机。

技术介绍

[0002]传统的多自由度执行装置是由两个及以上单自由度电机与复杂的传动装置组合而成，其结构上的冗余繁杂造成体积大，复杂的传动装置限制了控制精度的提高，系统刚度也同样受限；比如，机器人关节所用电机，要求体积小、输出转矩足够大，传统的多自由度执行装置难以适用于此。
[0003]当前，球形电机还处在实验室研究阶段，有超声波式、永磁式、感应式和磁阻式等基于不同工作原理的各类球形电机；球形电机集成度高，结构复杂并具有强耦合性，不利于电机高效精确控制；另一方面，球形电机因受其结构和驱动原理限制，输出转矩往往较小，高速运行时转子永磁体受离心力的作用会被甩落，因此，需要在转子上安装固定装置，由此带来散热困难和制造工艺复杂的问题，且温升可能导致永磁体发生不可逆退磁，进而限制球形电机的输出转矩。

技术实现思路

[0004]本专利技术是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种功率密度高、输出转矩大、结构稳定且控制效果好的基于运动解耦的磁通切换型永磁球形电机，通过改变定子线圈通断及通电大小、通电方向从而影响磁通通路出现的位置，实现电机的多自由度运动。
[0005]本专利技术为解决技术问题采用如下技术方案：
[0006]本专利技术基于运动解耦的磁通切换型永磁球形电机包括定子结构和转子结构，其特点是：
[0007]所述定子结构，其由定子球壳和固定设置在定子球壳内表面的各定子磁极对构成；两只 U形定子磁极齿以各自的一侧臂共同夹持永磁体，并绕制绕组构成呈扇面的定子磁极对，所述定子磁极对在定子球壳内表面按不同的位置分设为多组自旋模块磁极对和多组倾斜模块磁极对；所述定子球壳为不导磁球壳；
[0008]所述转子结构，其由转子球壳和固定设置在转子球壳上的各转子磁极齿构成，所述转子球壳为中空导磁球体，所述转子磁极齿是由导磁材料制成的圆柱状磁极齿；各圆柱状磁极齿独立嵌装在转子球壳上；输出轴与转子球壳固定连接，并沿转子球壳的径向延伸；
[0009]基于运动解耦将所述定子磁极对中各自旋模块磁极对与转子磁极齿构成自旋运动模块，将定子磁极对中各倾斜模块磁极对与转子磁极齿构成倾斜运动模块，实现多自度运动。
[0010]本专利技术基于运动解耦的磁通切换型永磁球形电机的特点也在于：
[0011]所述定子磁极对包括四组自旋模块磁极对和四组倾斜模块磁极对，所有定子磁极对在定子球壳的内表面沿定子球壳赤道线所在的内圆周均匀排布，并以自旋模块磁极对和
倾斜模块磁极对一一相间设置，使四组自旋模块磁极形成“十”字分布，且使四组倾斜模块磁极对同样呈“十”字分布；所述四组自旋模块磁极对中各磁极对的扇面与定子球壳的赤道线所在平面平行；所述四组倾斜模块磁极对中各磁极对的扇面与定子球壳的赤道线所在平面垂直；
[0012]所述转子磁极齿在转子球壳的表面以16.36
°
的层间隔分布为七层，分别是：处在转子球壳的赤道线位置上的中心层转子磁极齿，处在转子球壳的赤道线以上的三层上层转子磁极齿，以及处在转子球壳的赤道线以下的三层下层转子磁极齿；每层中均匀分布有11只转子磁极齿，上下相邻两层之间的转子磁极齿位置交错。
[0013]本专利技术基于运动解耦的磁通切换型永磁球形电机的特点也在于：所述U形定子磁极齿以其呈弧形的底边与定子球壳的内表面相贴合，且相互固定。
[0014]本专利技术基于运动解耦的磁通切换型永磁球形电机的特点也在于：在所述转子球壳的表面设置圆柱凹槽，各转子磁极齿独立嵌装在各圆柱凹槽中，使转子磁极齿的顶部与转子球壳的外表面共球面。
[0015]本专利技术基于运动解耦的磁通切换型永磁球形电机的特点也在于：各自旋模块磁极对中的永磁体极性相同，各倾斜模块磁极对中的永磁体极性相同，都是从一侧U形定子磁极齿指向另一侧U形定子磁极齿。
[0016]本专利技术基于运动解耦的磁通切换型永磁球形电机的特点也在于：所述定子球壳是由两个半球形壳体对合组成，并通过螺栓固定设置在底座上，在所述底座中设置滚珠轴承，所述转子结构支撑在所述滚球轴承上，所述滚球轴承利用螺杆通过螺纹连接安装在底座的螺孔中，且安装高度可调。
[0017]与已有技术相比，本专利技术有益效果体现在：
[0018]1、本专利技术基于运动解耦的磁通切换型永磁球形电机体积小、控制简单，能够在一些要求较高的场合中替代传统的多自由度装置，进而减少繁冗的结构，比如：在航空航天机械臂、机器人关节，以及在仿生眼等高精尖领域的应用。
[0019]2、本专利技术磁通切换型永磁球形电机采用模块化设计，负责自旋运动和倾斜运动的定子磁极对与转子磁极齿相互独立，两者有机容错结合实现多自由度运动。相较传统球形电机多变量、强耦合、复杂的驱动控制方法具有良好的解耦性，有利于复杂运动解耦分析，便于控制。
[0020]3、本专利技术磁通切换型永磁球形电机基于磁通切换原理，通过改变绕组的电流方向切换磁通通路，在未通电时，定子磁极对中两只U形定子磁极齿处于临界饱和的状态；通电后，两只U形定子磁极齿的侧臂与转子磁极齿形成磁通通路，对转子磁极齿产生电磁力，驱动电机实现多自由度运动。
[0021]4、本专利技术中永磁体均固定在定子中，转子上只有导磁材料构成的转子齿，散热效果好，输出转矩大，改变线圈安匝数，能够提供较大的输出转矩。
附图说明
[0022]图1为本专利技术基于运动解耦的磁通切换型永磁球形电机结构示意图；
[0023]图2为本专利技术中转子结构与输出轴结构示意图；
[0024]图3为本专利技术中定子磁极对结构示意图；
[0025]图4为本专利技术中定子磁极对排布示意图；
[0026]图5为本专利技术自旋运动时转子与定子磁极对示意图；
[0027]图6为本专利技术倾斜运动时转子与定子磁极对示意图；
[0028]图7为转子自旋转动角度与电磁转矩对应关系示意图；
[0029]图8为转子倾斜转动角度与电磁转矩对应关系示意图；
[0030]图中标号：1定子球壳，2永磁体，3定子磁极齿，4绕组，5输出轴，6转子球壳，7转子磁极齿，8底座，9滚珠轴承。
具体实施方式
[0031]参见图1，本实施例中基于运动解耦的磁通切换型永磁球形电机包括定子结构和转子结构。
[0032]如图1、图3和图4所示，定子结构是由定子球壳1和固定设置在定子球壳1内表面的各定子磁极对构成；两只U形定子磁极齿3以各自的一侧臂共同夹持永磁体2，并绕制绕组4 构成呈扇面的定子磁极对，定子磁极对在定子球壳1内表面按不同的位置分设为多组自旋模块磁极对和多组倾斜模块磁极对；定子球壳1为不导磁球壳；将永磁体和线圈均设置在定子结构中，能有效的提高电机结构的稳定性与散热效果，避免永磁体不牢固或散热效果不佳导致永磁体退磁的风险。
[0033]如图1和图2所示，转子结构是由转子球壳6和固定设置在转子球壳6上的各转子磁极齿7构成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于运动解耦的磁通切换型永磁球形电机，包括定子结构和转子结构，其特征是：所述定子结构，其由定子球壳(1)和固定设置在定子球壳(1)内表面的各定子磁极对构成；两只U形定子磁极齿(3)以各自的一侧臂共同夹持永磁体(2)，并绕制绕组(4)构成呈扇面的定子磁极对，所述定子磁极对在定子球壳(1)内表面按不同的位置分设为多组自旋模块磁极对和多组倾斜模块磁极对；所述定子球壳(1)为不导磁球壳；所述转子结构，其由转子球壳(6)和固定设置在转子球壳(6)上的各转子磁极齿(7)构成，所述转子球壳(6)为中空导磁球体，所述转子磁极齿(7)是由导磁材料制成的圆柱状磁极齿；各圆柱状磁极齿独立嵌装在转子球壳上；输出轴(5)与转子球壳(6)固定连接，并沿转子球壳(6)的径向延伸；基于运动解耦将所述定子磁极对中各自旋模块磁极对与转子磁极齿构成自旋运动模块，将定子磁极对中各倾斜模块磁极对与转子磁极齿构成倾斜运动模块，实现多自度运动。2.根据权利要求1所述的基于运动解耦的磁通切换型永磁球形电机，其特征是：所述定子磁极对包括四组自旋模块磁极对和四组倾斜模块磁极对，所有定子磁极对在定子球壳(1)的内表面沿定子球壳赤道线所在的内圆周均匀排布，并以自旋模块磁极对和倾斜模块磁极对一一相间设置，使四组自旋模块磁极形成“十”字分布，且使四组倾斜模块磁极对同样呈“十”字分布；所述四组自旋模块磁极对中各磁极对的扇面与定子球壳(1)的赤道线所在平面平行；所述四组倾斜模块磁极对中各磁极对的扇...

【专利技术属性】
技术研发人员：过希文，方兆炜，王群京，张荣林，刘荣灏，方舟，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：