专利名称：分区域绕组式磁悬浮球形感应电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及球形电动机，具体地，涉及一种分区域绕组式磁悬浮球形感应电动机， 其属于电机技术领域。
背景技术：
多自由度球形电机指具有两个或三个旋转自由度，可以绕定点的空间轴线旋转的电机。它具有机械集成度高、电机结构材料和驱动控制系统元件利用率高等特点，在具有多个运动自由度的机械系统中，一台多自由度电机可以代替两台或多台单自由度电机，大大简化机械系统的结构，减小体积和重量，可以消除由于齿轮传动带来的齿隙和摩擦等缺点， 从而提高系统的精度和动态性能，提高性能价格比，并在控制和轨迹规划方面占有优势。但是，现有的球形电机的各转子的支承结构复杂，转子俯仰、摇摆和偏转的角度小，受到应用限制。在用于驱动高速、超高速的多自由度装置时，还存在机械(轴承)支承的磨损问题，机械摩擦不仅增加了转子的摩擦阻力，而且会造成部件发热，严重时会造成电机气隙不均勻，导致电机的动态特性变差，从而降低电机的效率，缩短电机及装备的使用寿命，严重制约着球形电动机向更高速度方向发展，轴承的性能大大影响了电机的可靠性和装备利用率。有鉴于此，需要提供一种新型的球形电动机。
发明内容
本发明的目的是针对现有多自由度球形电动机存在的上述问题，基于磁悬浮技术和电机技术，提供一种分区域绕组式磁悬浮球形感应电动机，该分区域绕组式磁悬浮球形感应电动机具有显著延长的寿命、基本无摩擦磨损，具有改善的运动性能。上述目的通过如下技术方案实现分区域绕组式磁悬浮球形感应电动机，包括导磁的电动机定子、导磁的球形转子及其转动主轴、以及用于控制所述电动机定子上各个三相绕组通断电状态的检测控制系统，其中，所述电动机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， 所述电动机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；所述电动机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电动机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。优选地，所述电动机定子内球面上的开口为圆形开口。
通过上述技术方案，本发明的分区域绕组式磁悬浮球形感应电动机结构简单、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， 分区域绕组式磁悬浮球形感应电动机的球形转子与分区域绕组式磁悬浮球形感应电动机的电动机定子之间实现基本无摩擦、无磨损，动态性能好，响应速度快，提高了电机的效率， 延长电机及装备的使用寿命。
图1为本发明具体实施方式
的电动机定子内球面圆形区域凸极的布置示意图。图2为本发明具体实施方式
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发明具体实施方式
的电动机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。
具体实施例方式以下结合附图描述本发明分区域绕组式磁悬浮球形感应电动机的具体实施方式
。参见图1至图4，本发明的分区域绕组式磁悬浮球形感应电动机，包括电动机定子、球形转子10及其转动主轴、以及用于控制所述电动机定子上各个三相绕组通断电状态的检测控制系统，其中，所述电动机定子的内表面形状为一带有开口(优选为圆形开口)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；所述电动机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，所述电动机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电动机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，所述分区域绕组式磁悬浮球形感应电动机的电动机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，所述分区域绕组式磁悬浮球形感应电动机的球形转子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，所述分区域绕组式磁悬浮球形感应电动机的工作原理为对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!^xi和Fx2，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仏=1^+1^2 ；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礼；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。也就是说，本发明的分区域绕组式磁悬浮球形感应电动机，通过控制各个三相绕组通电状态来相应地控制各个方向的磁转矩和磁拉力，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。本发明结构简单、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，分区域绕组式磁悬浮球形感应电动机的球形转子与分区域绕组式磁悬浮球形感应电动机的电动机定子之间实现基本无摩擦、无磨损，动态性能好，响应速度快，提高了电机的效率，延长电机及装备的使用寿命。本发明的分区域绕组式磁悬浮球形感应电动机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，其同样落入本发明所公开的范围之内。同时，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。此外，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由权利要求限定。
权利要求
1.分区域绕组式磁悬浮球形感应电动机，其特征是，包括导磁的电动机定子、导磁的球形转子(10)及其转动主轴、以及用于控制所述电动机定子上各个三相绕组通断电状态的检测控制系统，其中，所述电动机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，所述电动机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；所述电动机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电动机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。
2.根据权利要求1所述的分区域绕组式磁悬浮球形感应电动机，其特征是，所述电动机定子内球面上的开口为圆形开口。
全文摘要
分区域绕组式磁悬浮球形感应电动机，包括导磁的电动机定子、导磁的球形转子及其转动主轴、以及用于控制电动机定子上各个三相绕组通断电状态的检测控制系统，其中电动机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，电动机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，电动机定子上布置有五个三相绕组，球形转子上布置有转子绕组。本发明结构简单、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，其中球形转子与电动机定子之间实现基本无摩擦、无磨损，动态性能好，响应速度快，提高电机的效率，延长了电机及装备的使用寿命。
文档编号H02N15/00GK102195537SQ201110148769
公开日2011年9月21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, 曾励 申请人:扬州大学