专利名称：分区域绕组感应式磁悬浮球形主动关节的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种球形关节，具体地，涉及一种分区域绕组感应式磁悬浮球形主动关节，其属于一种在工程中广泛使用的具有支承驱动功能的关节系统，属于机电一体化技术领域。
背景技术：
球形关节在具有多个运动自由度的设备中具有广泛的应用前景，例如在机器人及机械手，乃至多坐标机械加工中心、航天飞行器、电动陀螺仪、全方位跟踪天线、炮塔转台、 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、球形泵等设备。球形关节系统包括驱动器、传动器和控制器，属于机器人的基础部件，是整个机器人伺服系统中的一个重要环节，其结构、重量、尺寸对机器人性能有直接影响。关节的驱动方式主要有第一，由液动机、伺服阀、油泵及油箱等组成的液压伺服驱动系统；第二，由气缸、 气阀、气罐和空压机组成的气压伺服驱动系统；第三，采用伺服电机、减速传动装置等组成的电气伺服驱动系统。从机器人关节的应用现状可知，目前机器人关节通常采用电机加减速机构驱动方式。大多数关节为多自由度关节，而多自由度关节的运动是通过连杆连接的几个关节利用平移和旋转运动协调运动产生的，往往需要采用多套单自由度的驱动机构以及复杂的机械传动机构来完成。这样将导致结构复杂，体积庞大，关节摩擦面磨损严重，效率低下，制造安装非常困难，运动空间范围小，响应迟缓，动态性能较差，而且机械传动系统误差的累计导致整个控制系统的精度下降，甚至影响系统的稳定性。有鉴于此，需要设计一种新型的球形关节，以缓解现有技术的上述缺陷。
实用新型内容本实用新型的目的是针对现有球形关节存在的上述问题，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、基本无摩擦磨损、精度高和动态性能好，具有能够绕定点空间轴旋转的多自由度磁悬浮球形主动关节。上述目的通过如下技术方案实现分区域绕组感应式磁悬浮球形主动关节，其特征是，包括导磁的关节定子、导磁的球形转子及其转动主轴、以及用于控制所述关节定子上各个三相绕组通断电状态的检测控制系统，其中，所述关节定子的内表面形状为一带有开口的内球面，所述球形转子与所述转动主轴固定为一体，所述转动主轴通过所述开口伸向外部，所述关节定子的内球面与所述球形转子的外球面之间相互同心且存在气隙；所述关节定子的内球面上分布有五个环形区域，该五个环形区域内布置有绕组放置沟槽，该绕组放置沟槽内设有分别呈环形的五个三相绕组，该五个三相绕组布置为在以所述关节定子内球面的球心为原点、所述转动主轴为Z轴的三维坐标系内，所述五个三相绕组中的两个三相绕组在圆心处的法线与X轴同轴并相对于Y轴对称，两个三相绕组的圆心处的法线与 Y轴同轴并相对于X轴对称，一个三相绕组的圆心处的法线与Z轴同轴；所述球形转子的外球面开设有连续并交叉的转子沟槽，该转子沟槽的交叉点处设有通向所述球形转子球心的转子通孔，所述转子沟槽和转子通孔内放置有转子绕组，该转子绕组通路为封闭回路，并在所述球形转子的球心处交汇短接。本实用新型结构简单、合理、紧凑，综合应用磁悬浮技术和电机技术，实现无轴承的悬浮支承并驱动球形转子转动，其中球形转子与关节定子之间实现基本无摩擦、无磨损， 动态性能好，响应速度快，提高关节的效率，延长关节及装备的使用寿命。
图1为本实用新型具体实施方式
的关节定子内球面圆形区域凸极的布置示意图。图2为本实用新型具体实施方式
的球形转子及其绕组的结构示意图。图3和图4分别为从不同方向观察的本实用新型具体实施方式
的关节定子绕组结构及产生的电磁力、电磁转矩分析示意图。图中1第一圆周层凸极；2第二圆周层凸极；3第三圆周层凸极；4绕组置放沟槽； 5,6 X方向区域绕组；7，8 Y方向区域绕组；9 Z方向区域绕组；10球形转子；11转子绕组； 12转子沟槽；13转子通孔。
具体实施方式
以下结合附图描述本实用新型分区域绕组感应式磁悬浮球形主动关节的具体实施方式
。参见图1至图4，本实用新型的分区域绕组感应式磁悬浮球形主动关节，包括关节定子、球形转子10及其转动主轴、以及用于控制所述关节定子上各个三相绕组通断电状态的检测控制系统，其中，所述关节定子的内表面形状为一带有开口的内球面，所述球形转子与转动主轴固定为一体，所述转动主轴通过所述开口伸向外部；所述关节定子的内球面与所述球形转子的外球面之间相互同心且存在气隙(间隙)。其中，所述关节定子的内球面上分布有五个环形区域，该五个环形区域内布置有绕组放置沟槽4，该绕组放置沟槽内设有分别呈环形的五个三相绕组，该五个三相绕组布置为在以所述关节定子内球面的球心为原点、所述转动主轴为Z轴的三维坐标系内，所述五个三相绕组中的两个三相绕组在圆心处的法线与X轴同轴(即X轴通过该两个三相绕组的圆心并垂直三相绕组所处的平面)并相对于Y轴对称，两个三相绕组的圆心处的法线与Y轴同轴(即Y轴通过该两个三相绕组的圆心并垂直三相绕组所处的平面)并相对于X轴对称， 一个三相绕组的圆心处的法线与Z轴同轴(即Z轴通过该三相绕组的圆心并垂直三相绕组所处的平面)。具体地，参见图1、图3和图4，所述分区域绕组感应式磁悬浮球形主动关节的关节定子由具有良好导磁性能的高硅钢材料制成，其内球面包含五个环形(或圆形)区域。以内球面球心为坐标原点，穿过上述开口中心的坐标轴为Z轴构成三维坐标系，则Z轴方向的圆形区域只有1个，其区域圆心处法线与Z轴共线，其余每2个圆形球面区域对称于坐标原点 (内球面球心)，其圆心处的法线与X轴或Y轴共线。如图1所示，每个圆形区域均以其圆心为中心，加工出若干层，如第一层、第二层、……沿圆周方向均勻布置的凸极，例如第一圆周层凸极1、第二圆周层凸极2、第三圆周层凸极3，同层各凸极顶面为面积相等的环状面，其包络面为定子内球面。所述圆形区域在各凸极之间的绕组放置沟槽4内沿圆周方向绕有一
4套三相线圈绕组，同一坐标轴方向上两个圆形区域的三相绕组结构完全相同，如图3和图4 所示。参见图2，所述分区域绕组感应式磁悬浮球形主动关节的球形转子10由具有良好导磁性能的高硅钢材料制成，其外球面按一定的规律(如基于近似等边球面或基于球面多面体分布原则)开设连续并交叉的转子沟槽12，转子沟槽12将转子整个外球面分为几何形状相同的微小单元面的转子凸极。如图2所示，转子沟槽12交叉点处与转子球心形成转子通孔13，转子沟槽12和转子通孔13内放置(或浇注)转子绕组11，转子绕组通路为封闭回路，并在该球形转子的球心处交汇短接。为便于加工通孔和置绕组，以及设置安装传感检测元件，沿Z轴将球形转子剖分为两个半球，在安装相关元件后再相互连接。参见图3和图4，所述分区域绕组感应式磁悬浮球形主动关节，对X轴方向的2个区域的三相定子绕组(即图3中的X方向区域绕组5、6)同时通入三相电流，在检测控制系统作用下，各自将产生绕X轴的旋转磁场，同时在转子绕组中产生感应电流，具有感应电流流动的转子绕组切割磁力线，便产生驱动转子绕X轴旋转的合成电磁转矩MX=MX1+MX2 ；同时， 2个区域的绕组产生磁拉力Fxi和 ^Χ2，在检测控制系统控制下，使球形转子沿X轴方向稳定悬浮，如图3所示；对Y轴方向的2个区域的三相定子绕组(即图3中的Y方向区域绕组7、 8)同时通入三相电流，在检测控制系统作用下，各自将产生绕Y轴的旋转磁场，同时在转子绕组中产生感应电流，具有感应电流流动的转子绕组切割磁力线，便产生驱动转子绕Y轴旋转的合成电磁转矩ΜΥ=ΜΥ1+ΜΥ2 ；同时，2个区域的绕组产生磁拉力Fyi和Fy2，在控制系统控制下，使球形转子沿Y轴方向稳定悬浮；对Z轴方向的1个区域的三相定子绕组(即图4中的Z方向区域绕组9)通入三相电流，在检测控制系统作用下，各自将产生绕Z轴的旋转磁场，同时在转子绕组中产生感应电流，具有感应电流流动的转子绕组切割磁力线，便产生驱动转子绕Z轴旋转的合成电磁转矩Mz ；同时，该区域的绕组产生磁拉力Fz，在检测控制系统控制下，使球形转子沿Z轴方向稳定悬浮，即与重力相平衡。在此需要另外说明的是，本实用新型的分区域绕组感应式磁悬浮球形主动关节，其中“主动关节”中的“主动”表示该球形关节通过控制各个三相绕组通电状态来控制各个方向的磁拉力，即能够容易地实现多自由度运动，其无需通过多套单自由度的驱动机构以及复杂的机械传动机构来完成运动。本实用新型结构简单、合理、紧凑，综合应用磁悬浮技术和电机技术，实现无轴承的悬浮支承并驱动球形转子转动，感应式磁悬浮球形主动关节的球形转子与感应式球形主动关节的关节定子之间实现基本无摩擦、无磨损，动态性能好，响应速度快，提高关节的效率，延长关节及装备的使用寿命。本实用新型的分区域绕组感应式磁悬浮球形主动关节在机器人的关节及机械手的关节、多坐标机械加工中心、航天飞行器、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很好的应用前景。在上述具体实施方式
中所描述的各个具体技术特征，可以通过任何合适的方式进行任意组合，其同样落入本实用新型所公开的范围之内。同时，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。此外，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。本实用新型的保护范围由权利要求限定。
权利要求1.分区域绕组感应式磁悬浮球形主动关节，其特征是，包括导磁的关节定子、导磁的球形转子(10)及其转动主轴、以及用于控制所述关节定子上各个三相绕组通断电状态的检测控制系统，其中，所述关节定子的内表面形状为一带有开口的内球面，所述球形转子与所述转动主轴固定为一体，所述转动主轴通过所述开口伸向外部，所述关节定子的内球面与所述球形转子的外球面之间相互同心且存在气隙；所述关节定子的内球面上分布有五个环形区域，该五个环形区域内布置有绕组放置沟槽(4)，该绕组放置沟槽内设有分别呈环形的五个三相绕组，该五个三相绕组布置为在以所述关节定子内球面的球心为原点、所述转动主轴为Z轴的三维坐标系内，所述五个三相绕组中的两个三相绕组在圆心处的法线与X轴同轴并相对于Y轴对称，两个三相绕组的圆心处的法线与Y轴同轴并相对于X轴对称，一个三相绕组的圆心处的法线与Z轴同轴；所述球形转子(10)的外球面开设有连续并交叉的转子沟槽(12)，该转子沟槽的交叉点处设有通向所述球形转子球心的转子通孔(13)，所述转子沟槽和转子通孔(13)内放置有转子绕组(11)，该转子绕组通路为封闭回路，并在所述球形转子的球心处交汇短接。
专利摘要分区域绕组感应式磁悬浮球形主动关节，包括导磁的关节定子、导磁的球形转子及其转动主轴、以及用于控制关节定子上各个三相绕组通断电状态的检测控制系统，其中关节定子的内表面形状为一带有开口的内球面，球形转子与转动主轴固定为一体，转动主轴通过开口伸向外部，关节定子的内球面与球形转子的外球面之间相互同心且存在气隙，关节定子上布置有五个三相绕组，球形转子上布置有转子绕组。本实用新型结构简单、合理、紧凑，综合应用磁悬浮技术和电机技术，实现无轴承的悬浮支承并驱动球形转子转动，其中球形转子与关节定子之间实现基本无摩擦、无磨损，动态性能好，响应速度快，提高关节的效率，延长关节及装备的使用寿命。
文档编号B25J17/00GK202155888SQ20112018536
公开日2012年3月7日 申请日期2011年6月3日 优先权日2011年6月3日
发明者张丹, 张强, 曾励 申请人:扬州大学