專利名稱：磁懸浮球形感應電動機繞組結構的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及磁懸浮球形電動機，具體地，涉及一種磁懸浮球形感應電動機繞組結構，其屬于電機技術領域。
背景技術：
多自由度球形電機指具有兩個或三個旋轉自由度，可以繞定點的空間軸線旋轉的電機。它具有機械集成度高、電機結構材料和驅動控制系統元件利用率高等特點，在具有多個運動自由度的機械系統中，一臺多自由度電機可以代替兩臺或多臺單自由度電機，大大簡化機械系統的結構，減小體積和重量，可以消除由于齒輪傳動帶來的齒隙和摩擦等缺點， 從而提高系統的精度和動態性能，提高性能價格比，并在控制和軌跡規劃方面占有優勢。但是，現有的球形電機的各轉子的支承結構復雜，轉子俯仰、搖擺和偏轉的角度小，受到應用限制。在用于驅動高速、超高速的多自由度裝置時，還存在機械(軸承)支承的磨損問題，機械摩擦不僅增加了轉子的摩擦阻力，而且會造成部件發熱，嚴重時會造成電機氣隙不均勻，導致電機的動態特性變差，從而降低電機的效率，縮短電機及裝備的使用壽命，嚴重制約著球形電動機向更高速度方向發展，軸承的性能大大影響了電機的可靠性和裝備利用率。有鑒于此，需要提供一種新型的磁懸浮感應電動機，尤其是該磁懸浮感應電動機繞組結構。

實用新型內容本實用新型的目的是針對現有多自由度球形電動機存在的上述問題，基于磁懸浮技術和電機技術，提供一種具有多自由度的磁懸浮球形感應電動機繞組結構，該磁懸浮球形感應電動機繞組結構能夠顯著地延長電動機壽命，較小摩擦，改善球形電機的運動性能。上述目的通過如下技術方案實現磁懸浮球形感應電動機繞組結構，包括導磁的電動機定子、導磁的球形轉子及其轉動主軸、以及用于控制所述電動機定子上各個三相繞組通斷電狀態的檢測控制系統，其中，所述電動機定子的內表面形狀為一帶有開口的內球面，所述球形轉子與所述轉動主軸固定為一體，所述轉動主軸通過所述開口伸向外部，所述電動機定子的內球面與所述球形轉子的外球面之間相互同心且存在氣隙；所述電動機定子的內球面上分布有五個環形區域，該五個環形區域內布置有繞組放置溝槽，該繞組放置溝槽內設有分別呈環形的五個三相繞組，該五個三相繞組布置為在以所述電動機定子內球面的球心為原點、所述轉動主軸為Z軸的三維坐標系內，所述五個三相繞組中的兩個三相繞組在圓心處的法線與X軸同軸并相對于Y軸對稱，兩個三相繞組的圓心處的法線與Y軸同軸并相對于X軸對稱，一個三相繞組的圓心處的法線與Z軸同軸；所述球形轉子的外球面開設有連續并交叉的轉子溝槽，該轉子溝槽的交叉點處設有通向所述球形轉子球心的轉子通孔，所述轉子溝槽和轉子通孔內放置有轉子繞組，該轉子繞組通路為封閉回路，并在所述球形轉子的球心處交匯短接。[0007]優選地，所述電動機定子內球面上的開口為圓形開口。通過上述技術方案，本實用新型的磁懸浮球形感應電動機繞組結構結構簡單、合理、緊湊，綜合應用磁懸浮技術和電機技術，實現無軸承的懸浮支承并驅動球形轉子轉動， 磁懸浮球形感應電動機繞組結構的球形轉子與磁懸浮球形感應電動機繞組結構的電動機定子之間實現基本無摩擦、無磨損，動態性能好，響應速度快，提高了電機的效率，延長電機及裝備的使用壽命。

圖1為本實用新型具體實施方式
的電動機定子內球面圓形區域凸極的布置示意圖。圖2為本實用新型具體實施方式
的球形轉子及其繞組的結構示意圖。圖3和圖4分別為從不同方向觀察的本實用新型具體實施方式
的電動機定子繞組結構及產生的電磁力、電磁轉矩分析示意圖。圖中1第一圓周層凸極；2第二圓周層凸極；3第三圓周層凸極；4繞組置放溝槽； 5,6 X方向區域繞組；7，8 Y方向區域繞組；9 Z方向區域繞組；10球形轉子；11轉子繞組； 12轉子溝槽；13轉子通孔。
具體實施方式
以下結合附圖描述本實用新型磁懸浮球形感應電動機繞組結構的具體實施方式
。參見圖1至圖4，本實用新型的磁懸浮球形感應電動機繞組結構，包括電動機定子、球形轉子10及其轉動主軸、以及用于控制所述電動機定子上各個三相繞組通斷電狀態的檢測控制系統，其中，所述電動機定子的內表面形狀為一帶有開口(優選為圓形開口)的內球面，所述球形轉子與轉動主軸固定為一體，所述轉動主軸通過所述開口伸向外部；所述電動機定子的內球面與所述球形轉子的外球面之間相互同心且存在氣隙(間隙)。其中，所述電動機定子的內球面上分布有五個環形區域，該五個環形區域內布置有繞組放置溝槽4，該繞組放置溝槽內設有分別呈環形的五個三相繞組，該五個三相繞組布置為在以所述電動機定子內球面的球心為原點、所述轉動主軸為Z軸的三維坐標系內，所述五個三相繞組中的兩個三相繞組在圓心處的法線與X軸同軸(即X軸通過該兩個三相繞組的圓心并垂直三相繞組所處的平面)并相對于Y軸對稱，兩個三相繞組的圓心處的法線與 Y軸同軸(即Y軸通過該兩個三相繞組的圓心并垂直三相繞組所處的平面)并相對于X軸對稱，一個三相繞組的圓心處的法線與Z軸同軸(即Z軸通過該三相繞組的圓心并垂直三相繞組所處的平面)。具體地，參見圖1、圖3和圖4，所述磁懸浮球形感應電動機繞組結構的電動機定子由具有良好導磁性能的高硅鋼材料制成，其內球面包含五個環形(或圓形)區域。以內球面球心為坐標原點，穿過上述開口中心的坐標軸為Z軸構成三維坐標系，則Z軸方向的圓形區域只有1個，其區域圓心處法線與Z軸共線，其余每2個圓形球面區域對稱于坐標原點(內球面球心)，其圓心處的法線與X軸或Y軸共線。如圖1所示，每個圓形區域均以其圓心為中心，加工出若干層，如第一層、第二層、……沿圓周方向均勻布置的凸極，例如第一圓周層凸極1、第二圓周層凸極2、第三圓周層凸極3，同層各凸極頂面為面積相等的環狀面，其包絡面為定子內球面。所述圓形區域在各凸極之間的繞組放置溝槽4內沿圓周方向繞有一套三相線圈繞組，同一坐標軸方向上兩個圓形區域的三相繞組結構完全相同，如圖3和圖4所示。參見圖2，所述磁懸浮球形感應電動機繞組結構的球形轉子10由具有良好導磁性能的高硅鋼材料制成，其外球面按一定的規律(如基于近似等邊球面或基于球面多面體分布原則)開設連續并交叉的轉子溝槽12，轉子溝槽12將轉子整個外球面分為幾何形狀相同的微小單元面的轉子凸極。如圖2所示，轉子溝槽12交叉點處與轉子球心形成轉子通孔 13，轉子溝槽12和轉子通孔13內放置(或澆注)轉子繞組11，轉子繞組通路為封閉回路，并在該球形轉子的球心處交匯短接。為便于加工通孔和置繞組，以及設置安裝傳感檢測元件， 沿Z軸將球形轉子剖分為兩個半球，在安裝相關元件后再相互連接。參見圖3和圖4，所述磁懸浮球形感應電動機繞組結構的工作原理為對X軸方向的2個區域的三相定子繞組(即圖3中的X方向區域繞組5、6)同時通入三相電流，在檢測控制系統作用下，各自將產生繞X軸的旋轉磁場，同時在轉子繞組中產生感應電流，具有感應電流流動的轉子繞組切割磁力線，便產生驅動轉子繞X軸旋轉的合成電磁轉矩MX=MX1+MX2 ； 同時，2個區域的繞組產生磁拉力!^xi和Fx2，在檢測控制系統控制下，使球形轉子沿X軸方向穩定懸浮，如圖3所示；對Y軸方向的2個區域的三相定子繞組(即圖3中的Y方向區域繞組7、8)同時通入三相電流，在檢測控制系統作用下，各自將產生繞Y軸的旋轉磁場，同時在轉子繞組中產生感應電流，具有感應電流流動的轉子繞組切割磁力線，便產生驅動轉子繞Y 軸旋轉的合成電磁轉矩仏=1^+1^2 ；同時，2個區域的繞組產生磁拉力Fyi和Fy2，在控制系統控制下，使球形轉子沿Y軸方向穩定懸浮；對Z軸方向的1個區域的三相定子繞組(即圖4 中的Z方向區域繞組9)通入三相電流，在檢測控制系統作用下，各自將產生繞Z軸的旋轉磁場，同時在轉子繞組中產生感應電流，具有感應電流流動的轉子繞組切割磁力線，便產生驅動轉子繞Z軸旋轉的合成電磁轉矩Mz ；同時，該區域的繞組產生磁拉力Fz，在檢測控制系統控制下，使球形轉子沿Z軸方向穩定懸浮，即與重力相平衡。也就是說，本實用新型的磁懸浮球形感應電動機繞組結構，通過控制各個三相繞組通電狀態來相應地控制各個方向的磁轉矩和磁拉力，即能夠容易地實現多自由度運動，其無需通過多套單自由度的驅動機構以及復雜的機械傳動機構來完成運動。本實用新型結構簡單、合理、緊湊，綜合應用磁懸浮技術和電機技術，實現無軸承的懸浮支承并驅動球形轉子轉動，磁懸浮球形感應電動機繞組結構的球形轉子與磁懸浮球形感應電動機繞組結構的電動機定子之間實現基本無摩擦、無磨損，動態性能好，響應速度快，提高了電機的效率，延長電機及裝備的使用壽命。本實用新型的磁懸浮球形感應電動機繞組結構在機器人的關節及機械手的關節、多坐標機械加工中心、航天飛行器、電動陀螺儀、全方位跟蹤天線、炮塔轉臺、人體假肢、醫療器械、攝像操作臺、全景攝影操作臺、攪拌機、移動機構的萬向輪、球形閥、球形泵等具有多個運動自由度的設備中具有很好的應用前景。在上述具體實施方式
中所描述的各個具體技術特征，可以通過任何合適的方式進行任意組合，其同樣落入本實用新型所公開的范圍之內。同時，本實用新型的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本實用新型的思想，其同樣應當視為本實用新型所公開的內容。此外，本實用新型并不限于上述實施方式中的具體細節，在本實用新型的技術構思范圍內，可以對本實用新型的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本實用新型的保護范圍。本實用新型的保護范圍由權利要求限定。
權利要求1.磁懸浮球形感應電動機繞組結構，其特征是，包括導磁的電動機定子、導磁的球形轉子(10)及其轉動主軸、以及用于控制所述電動機定子上各個三相繞組通斷電狀態的檢測控制系統，其中，所述電動機定子的內表面形狀為一帶有開口的內球面，所述球形轉子與所述轉動主軸固定為一體，所述轉動主軸通過所述開口伸向外部，所述電動機定子的內球面與所述球形轉子的外球面之間相互同心且存在氣隙；所述電動機定子的內球面上分布有五個環形區域，該五個環形區域內布置有繞組放置溝槽(4)，該繞組放置溝槽內設有分別呈環形的五個三相繞組，該五個三相繞組布置為在以所述電動機定子內球面的球心為原點、所述轉動主軸為Z軸的三維坐標系內，所述五個三相繞組中的兩個三相繞組在圓心處的法線與X軸同軸并相對于Y軸對稱，兩個三相繞組的圓心處的法線與Y軸同軸并相對于X軸對稱，一個三相繞組的圓心處的法線與Z軸同軸； 所述球形轉子(10)的外球面開設有連續并交叉的轉子溝槽(12)，該轉子溝槽的交叉點處設有通向所述球形轉子球心的轉子通孔(13)，所述轉子溝槽和轉子通孔(13)內放置有轉子繞組(11)，該轉子繞組通路為封閉回路，并在所述球形轉子的球心處交匯短接。
2.根據權利要求1所述的磁懸浮球形感應電動機繞組結構，其特征是，所述電動機定子內球面上的開口為圓形開口。
專利摘要磁懸浮球形感應電動機繞組結構，包括導磁的電動機定子、導磁的球形轉子及其轉動主軸、以及用于控制電動機定子上各個三相繞組通斷電狀態的檢測控制系統，其中電動機定子的內表面形狀為一帶有開口的內球面，球形轉子與轉動主軸固定為一體，轉動主軸通過開口伸向外部，電動機定子的內球面與球形轉子的外球面之間相互同心且存在氣隙，電動機定子上布置有五個三相繞組，球形轉子上布置有轉子繞組。本實用新型結構簡單、合理、緊湊，綜合應用磁懸浮技術和電機技術，實現無軸承的懸浮支承并驅動球形轉子轉動，其中球形轉子與電動機定子之間實現基本無摩擦、無磨損，動態性能好，響應速度快，提高電機的效率，延長了電機及裝備的使用壽命。
文檔編號H02N15/00GK202085107SQ20112018603
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月3日 優先權日2011年6月3日
發明者張丹, 曾勵 申請人:揚州大學