一种万向电机的制作方法

本发明涉及芯片伺服电机系统领域，具体为一种万向电机，尤其是一种空间三自由度球形的万向电机。

背景技术：

电机是依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置，它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。现有的电机技术，经过上百年的发展，已经形成比较完整健全的体系，其工作模式主要为向一个固定方向持续输出轴动力或者扭矩，对于需要向多个方向输出轴动力时，往往需要多个电机同时配合伺服系统工作。但是多个电机同时工作不仅增加了系统复杂度，还增加了积累误差，降低了系统可靠性和灵敏度；对于可向任意角度输出轴动力或者扭矩的电机，目前市场上仍是空白状态。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种万向电机，采用单个电机配合芯片伺服系统，可实现三维空间内任意角度的矢量扭矩或者可持续的轴动力输出，结构简洁，实用性强。

为实现上述目的，本发明提供一种万向电机，包括永磁体转子，定子线圈与环形基座，球冠轴承，霍尔传感器，芯片伺服系统及继电器，所述芯片伺服系统及继电器与定子基座电连接，永磁体转子位于定子基座的上方，永磁体转子和定子基座之间设置有轴承重力支撑，所述轴承重力支撑与定子基座固定连接；永磁体转子的顶部刚性连接有转子轴，转子轴与永磁体转子为一体结构，定子基座上排列有多组线圈；所述芯片伺服系统包括ic芯片，及与ic芯片电连接的继电器，继电器通过多组电极与所述多组线圈电连接，用于实时控制多组线圈的通电电流。

具体的，所述定子基座为环形，与多组球面通电螺旋线一起构成球面定子。球面通电螺旋线的分布特征和数量根据应用环境和电机的尺寸、用途决定，其分布特征可以符合任意一种球面矩阵数学表达式。

具体的，所述永磁体转子为球冠形，在不通电的情况下由球冠轴承提供重力支撑，并罩设于定子基座的上半球范围内，在通电的情况下，转子被磁力悬浮略微上升并与球冠轴承脱离接触，转子在磁悬浮状态下运行。

具体的，所述定子基座为球形，所述定子基座的表面分布有多组通电线圈。

具体的，所述永磁体转子为球冠形，位于定子基座上方。

具体的，所述转子轴的一端与永磁体转子连接，另一端连接工作载荷，所述工作载荷包括但不限于机器人机械臂、电动旋翼飞行器及各种自动化机构。

具体的，所述重力支撑采用球冠轴承，断电时由球冠轴承承载永磁体转子与工作载荷的重量，通电时转子通过电磁力略微上浮与轴承脱离接触，永磁体转子与工作载荷依靠通电线圈产生的电磁力悬浮。

具体的，定子与转子可以相互置换，或者设计为双切换模式，并在供电与信息接口做必要的技术调整或变更，均在本权利要求书保护范围内。

下面是本发明所述的万向电机的控制方法举例，理论上所述万向电机的控制方法有无数种无法穷举，只要达到的技术目标与本权利要求书所述一致或者接近(输出三维空间矢量扭矩或者三维空间任意方向矢量轴动力)，都在本专利权利保护范围内。

所述控制方法包括但不限于：

步骤1：将预设的电机工作状态输入ic芯片；

步骤2：ic芯片通过数学运算将所述工作状态转化成控制指令，并将该控制指令发送至继电器；

步骤3：继电器向多组线圈(通电导线)输入不同大小和方向的电流(脉冲)，多组线圈通电后形成不同方向与大小的矢量安培力(图5)；

步骤4：多组线圈(导线)形成的矢量安培力叠加后形成预设方向和大小的矢量扭转合力，所述矢量扭转合力使永磁体转子偏转至所述预设方向；

步骤5：电机转子运行到电机目标位置过程中会有不少于三个霍尔传感器不停获得与转子中心的霍尔感应器的距离与角度数据，并通过导线、继电器电极等反馈回电机芯片伺服系统，从而实时精确获得电机运行相位数据，并随时修正、调整；

步骤6：电机转子到达预定相位，继电器向预设线圈输出电流，转子轴向预设方向输出轴动力。

具体的，所述步骤1中，输入的电机工作状态包括，需要方向a的矢量扭矩m1，并在时段t1后到达角度s，在工作时段t2内向角度s提供持续轴动力m2。

具体的，所述步骤1中，输入方法包括，通过人工输入、将电机工作状态转化为电信号输入。

如上所述，本发明具有以下有益效果：

本发明通过芯片系统控制多个通电导体线的电流输出，从而对永磁体转子进行方向调整，可实现任意角度的空间矢量扭矩输出或者可持续的轴动力，简化了现有电机的结构，并使得高精度矢量扭矩或者矢量轴动力输出成为可能；本发明可用于工业机器人机械臂、电动旋翼飞行器或其他运动机构，不仅极大的简化了其机械机构，还能输出高精度的扭矩和矢量动力。

附图说明

图1显示为本发明实施例中公开的定子基座、转子和轴承的剖面结构示意图一。

图2显示为本发明实施例中公开的定子基座、转子和轴承的剖面结构示意图二。

图3显示为本发明实施例中公开的整体原理结构示意图(轴侧图)。

图4显示为本发明实施例中公开的控制方法流程图。

图5显示为本发明实施例中公开的工作示意图。

1—转子轴2－霍尔感应器3—球冠轴承4—通电导线5—定子基座6—永磁体转子7—继电器8—芯片伺服系统9—重力支架10—定子电极。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图5。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例

请参阅图1、图2，图3，本发明提供一种万向电机，包括永磁体转子6，定子通电导线4与环形基座5，球冠轴承3，霍尔传感器2，芯片伺服系统8及继电器7，所述芯片伺服系统8固定于定子基座5的内部或外部，永磁体转子6位于定子基座5的上方，永磁体转子6和定子基座5之间通过球冠轴承3为重力支撑，所述球冠轴承3与定子基座5固定连接；永磁体转子6的顶部刚性连接有转子轴1，转子轴1与永磁体转子6为一体结构，定子基座5上排列有多组球面螺旋通电导线4；所述芯片伺服系统8包括ic芯片，及与ic芯片电连接的继电器7，继电器7与所述多组球面螺旋通过导线电连接，用于控制多组球面螺旋通电导线4的通电电流，所述ic芯片伺服系统8通过继电器7精确的输出电流获得所需要的电机工作状态；本电机可外挂物联网通信模块iot或者人工智能芯片ai实现远程智能控制。

本发明万向电机包括永磁体转子6，定子基座5以及用于驱动永磁体转子6相对于定子基座5转动的通电导线4。所述通电导线4为多组(至少三组)，可均匀排布在环形定子基座5之间，通电导线4相邻两组的旋转方向正好相反，所以可以基于不同预设通电电流，从各个设定方向产生驱动永磁体转子6发生转动的合力扭矩。基于预设的控制方法，通电导线4产生的叠加力矩实现与永磁体转子6一体的转子轴1的扭矩或者轴动力输出。

可选的，所述通电导线4通过环形定子基座5内壁上的卡槽电极与导线连接。

可选的，永磁体转子6和定子基座5之间设置有球冠轴承3，用于使永磁体转子6和定子基座5产生容纳所述霍尔感应器2的间隙，球冠轴承3的位置略低于转子的正常工作位置，以便使转子6在工作状态时能够脱离球冠轴承3的直接接触，采用磁悬浮工作模式，以减小元器件相互的摩擦磨损，延长使用寿命。

球冠轴承3与定子基座5连接，包括粘结、焊接或沉头螺钉等连接均可；在静止状态时，球冠轴承3产生足以抵消永磁体转子6，转子轴1和工作载荷的全部重力的支撑力，永磁体转子6与球冠轴承3接触面为均匀光滑的内球面。

可选的，转子轴1与永磁体转子6连接结构为插接、焊接等，也可一体成型；通电导线4产生的驱动力矩作用在永磁体转子6上，通过多组通电导线4作用力的叠加，使永磁体转子6相对定子基座5发生球心扭转、旋转等动作，同时，通过转子中心的霍尔感应器2与定子基座5上矩阵排布的霍尔感应器2(不少于三个)之间相互感应位置与角度信息，获得转子的实时相位信息并反馈ic芯片伺服系统8，永磁体转子6带动转子轴1向设定方向输出矢量扭矩或者轴动力，并通过ic芯片伺服系统8随时修正。

可选的，所述通电导线4的通电电流通过ic芯片伺服系统8控制，ic芯片伺服系统8可包括ic芯片、pcb和其他具有相应功能的处理计算单元，它根据预设的控制参数与源代码程序，为通电导线4输入实时脉冲电流。

基于以上实施例，所述定子基座5为环形，与所述多组球面螺旋通电导线4一起构成球形定子，线圈的分布特征和数量根据应用环境和电机的尺寸、用途决定，其分布特征符合任意一种矩阵数学表达式即可。

基于以上实施例，所述永磁体转子6为球冠形，在不通电的情况下由球冠轴承3支撑，并罩设于定子基座5的上方，在通电的情况下，永磁体转子6依靠通电导线4产生的电磁力悬浮，脱离与球冠轴承的机械接触，当永磁体转子6工作时可减少摩擦力对动力的损耗和对机构的磨损，在导线4通电的情况下，永磁体转子6围绕定子基座5的球心转动，实现球面有限范围内任意角度方向的矢量扭矩输出或者可持续的轴动力输出。

基于以上实施例，所述转子轴1的一端与永磁体转子6连接，另一端连接工作载荷，所述工作载荷包括工业机器人机械臂、电动旋翼飞行器及其他结构。

基于以上实施例，所述球冠轴承3与转子接触面采用光滑耐冲击材料制成，其内部结构详细描述在另一个发明/发明专利——球冠轴承中。

请参阅图5，为一种万向电机的控制方法，所述控制方法包括：

步骤1：将预设的电机工作状态输入ic芯片；

基于以上实施例，所述步骤1中，输入的电机工作状态包括，需要方向a的矢量扭矩m1，并在时段t1后到达角度s，在工作时段t2内向角度s提供持续轴动力m2。

基于以上实施例，可通过人工输入电机工作状态，例：可采用遥控手柄，在遥控手柄上人工输入电机的状态感应信号，传感器将其转化为电信号，并发送至ic芯片；

或自动将电机工作状态转化为电信号输入，例：应用于自动化领域工业机器人时，工业机器人所需要的工作状态通过电信号输入至ic芯片。

步骤2：ic芯片通过数学运算将所述工作状态转化成控制指令，并将该控制指令发送至伺服电机；

本步骤中，数学运算方法可以为(本算法为举例，实际工程应用中可变通处理，均在本专利权利要求范围内)：

1)以球心为原点建立笛卡尔坐标系。

2)设线圈a1、a2...an产生的力分别为fa1、fa2…fan；

3)合力在每个坐标轴上的投影，等于多个线圈产生的力在每个坐标轴上投影的线性叠加：

fx＝ca1·fa1·sin(θxa1)+ca1·fa2·sin(θxa2)+ca3·fa3·sin(θxa3)+…+can·fan·sin(θxan)；(1)

fy＝ca1·fa1·sin(θya1)+ca1·fa2·sin(θya2)+ca3·fa3·sin(θya3)+…+can·fan·sin(θyan)；(2)

fz＝ca1·fa1·sin(θza1)+ca1·fa2·sin(θza2)+ca3·fa3·sin(θza3)+…+can·fan·sin(θzan)；(3)

其中fan为每个线圈所能产生的最大力；can为控制系数，取值范围0～1，具体数值为线圈3当前电流与最大电流的比值；fan与can的乘积即为该线圈当前实际产生的力；θ为线圈3轴心即力的方向与各坐标轴的夹角。

实际控制时，将目标方向在三个坐标轴方向投影，将得到的三个方向的分力fx、fy、fz带入上述合力线性叠加方程，解出每个线圈的控制系数，根据控制系数调整每个线圈an的电流。

各个导线电流解算公式是：

in＝fa/lbsinθ

其中，i是电流强度，fa是安培力，l是导线长度，b是磁场强度，θ是电流方向与磁力线方向的夹角。

运动轨迹控制：将一个运动分解为多个连续的方位变化，通过公式(1)～(3)可计算得出每个方位上线圈a1～an的所受的力，实现的连续控制。

其中，本数学计算方法为可采用的实现本步骤的方法之一，只要最终实现的技术目标相同或者相近，均属于本方案的保护范围。

步骤3：伺服电机向多组线圈an输入不同大小和方向的电流，根据磁场—电流原理，由于永磁体磁场的存在，多组线圈an通电后形成不同方向与大小的矢量安培力；

请参阅图3，图5，由上述公式(1)～(3)解出：

1.在t1时段内应对线圈a1～an分别输入同步电脉冲i1-in(可变)，以获取方向a的矢量扭矩m1合力，永磁体转子2在时间节点t1准确到达角度位置s；

2.在工作时段t2内对线圈a1～an分别输入同步电脉冲i1～in(可变)，以获得持续轴动力m2。

其中，in、in可以为稳定的多相交流电(波形相同，相位差与线圈的轴夹角相等)。

步骤4：多组线圈an形成的矢量安培力叠加后形成预设方向和大小的矢量扭转合力，所述矢量扭转合力使永磁体转子2偏转至所述预设方向；

步骤5：伺服电机向预设线圈3输出电流，转子轴1向预设方向输出轴动力。

综上所述，本发明将多个电机所能实现的功能改进为采用一个电机即可实现，并且增加了灵活度，可向任意角度输出轴动力，不仅简化了机械结构，还达到了工业自动化的要求。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。