三自由度運動永磁球形步進電動機的製作方法

2023-06-30 09:55:41

專利名稱：三自由度運動永磁球形步進電動機的製作方法
技術領域：
本發明涉及球形步進電動機，更具體地說是一種利用轉子上分布的永磁體和定子上通電 線圈繞組的相互作用使轉子產生三自由度運動的永磁球形步進電動機，主要應用在航空、航 天、機器人、仿生學等技術領域中。
背景技術：
要實現多自由度運動，傳統方法往往需要多臺單自由度驅動電機來實現，從而導致整個 系統體積龐大、可靠性差、精度不高、效率低下。球形電機與傳統多自由度傳動機構相比， 其結構簡單、體積小、重量輕，廣泛應用於機器人的關節、球形閥、全景攝像雲臺、全方位 運輸機構等傳動領域。
計算機技術、電力電子技術的發展、控制理論和電機理論研究的不斷深入以及新材料和 製造工藝水平的提高，為多維電動機的發展提供了堅定的基礎。針對多自由度傳動系統存在 的問題，國內外專家提出並研究了多種結構形式的球形電機。隨著永磁材料的日益發展和在 電機中的廣泛應用，永磁材料也逐漸引入球型電機，目前出現的球形電動機主要有以下幾種 結構
1、 感應型球形電機
2、 變磁阻型球形電機
3、 永磁球形步進電動機
4、 表面覆蓋磁鋼式永磁球形電動機
5、 Halbach陣列永磁球形同步電動機
上述第1種結構定轉子均採用分布繞組，電機結構複雜，伺服性能受感應電機限制；第 2種結構鐵磁材料或磁極嵌入球形轉子，定子採用集中繞組結構，轉子磁極根據正多面體頂 點位置在球面分布或均勻分布；第3種結構定轉子均採用柱形結構，分布位置要根據轉子運 動要求進行相應的配合性計算，步進角度與定轉子磁極配合有關；第4種結構球形電動機表 面覆蓋弧面磁鋼，採用112個磁極，定子96個繞組，轉子採用液壓軸承支撐，控制系統復 雜；第5種結構轉子表面按Halbach陣列分布永磁體，削弱了磁場諧波的影響，磁鋼弧面加 工工藝複雜，目前尚處於研究階段。由於該電動機轉子做空間三維運動，以上幾種結構形式 的球形電動機均存在轉子位置檢測難的問題。傳統的接觸式滑軌支架測量系統增加了摩擦阻 力，影響轉子的動態響應和定位精度
發明內容
本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種三自由度運動永磁球形步進 電動機。以球形轉子結構實現三自由度運動，並且可以利用機器視覺的方法對轉子位置進行 檢測，解決球形電機轉子位置檢測難的問題。同時可以利用所獲取的轉子位置對電動機進行 反饋控制，從而簡化三自由度機械裝置結構，提高系統的動靜態性能和控制精度。
本發明解決技術問題採用如下技術方案
本發明三自由度運動永磁球形步進電動機，本發明的結構特點是
球形轉子是由不導磁材料製成空心轉子球殼，在空心轉子球殼上，按等經度和等諱度的 間隔分布有永磁體槽，相鄰永磁體槽中沿空心轉子球殼徑向設置的圓柱狀永磁體以N極和S 極交錯分布；
在位於球形轉子外圍的定子球殼上分布有依球面等緯度均勻分布的多層線圈孔，與空心 轉子球殼的徑向距離可調的定子繞組線圈設置在各線圈孔中；
輸出軸穿過球形轉子軛上部與空心轉子球殼固連；位於定子球殼的外圍，在輸出軸上固 定設置半球形外殼，外殼的球心與空心轉子球殼的球心相重合，在外殼的表面，設置編碼圖 案。
本發明三自由度運動永磁球形步進電動機的結構特點也在於
固定設置定子球殼在底座和端蓋之間，在底座和端蓋的中央，相向設置底部環狀滾珠軸 承和端蓋環狀滾珠軸承，空心轉子球殼支承在底部環狀滾珠軸承和端蓋環狀滾珠軸承之間； 底部環狀滾珠軸承在底座中的高度可調。
設置空心轉子球殼是由上半球殼和下半球殼相扣構成。
在空心轉子球殼的永磁體槽中，設置螺紋連接的永磁體端蓋，永磁體通過永磁體端蓋固 定在永磁體槽中，並以樹脂密封端蓋縫隙，在永磁體的底部設置壓簧。
本發明電動機的工作原理是在球形電動機氣隙中，球形轉子中永磁體產生的磁場和通 電的定子繞組線圈產生的磁場相互作用，可以產生任意方向的轉矩，使轉子向目標方向運動。 針對在空心轉子球殼上，永磁體按等經度和等緯度分布為四層，每層分布十隻，共四十隻圓 柱永磁體，為四十極；定子球殼中的定子繞組線圈設置為兩層，每層分布有十二隻，共二十 四極。每隻定子繞組線圈均由單獨的驅動電路進行控制。採用機器視覺的方法，利用視覺傳 感器得到轉子位於當前位置時，噴塗在外殼上的圖案，通過傳感器參數矩陣、獲取的圖案信 息計算得到轉子位置。並根據此位置和規劃的下一個目標位置，通過精確控制各定子繞組線 圈的電流來驅動球形轉子，實現電動機的步進運動。在輸出軸運動範圍內，通過路徑規劃和 細分實現球形步進電動機轉子繞任意軸旋轉運動，從而實現負載任意位置的定位運動。與已有技術相比，本發明有益效果體現在
1、 本發明以球形轉子結構實現三自由度運動，可以取代傳統的多自由度傳動機構，廣 泛應用在機器人關節、球形閥、全景攝像雲臺、全方位運輸機構等傳動領域。可以有效減小 傳動機構體積，簡化結構、提高系統的動靜態性能。
2、 本發明採用機器視覺檢測球形轉子位置，可以有效避免傳統接觸式導軌式測量系統 中由於與轉子相接觸帶來的摩擦阻力，提高轉子的動態響應和定位精度。測量系統結構簡單， 精度高。
3、 本發明中定子繞組線圈和轉子永磁體均按等經和等緯度進行分布，每個定子繞組線
圈均由一個單獨的電流控制器驅動。根據計算得出需要控制的多個線圈的電流和方向，從而 控制電機轉矩輸出實現球形電動機轉子按照規劃的路徑步進運動，其優點是多線圈同時導通 可有效增大電機的輸出轉矩。該步進運動控制方式可以在保證精度的前提下實現電機轉子繞 球心做三自由度運動。
4、 本發明空心轉子球殼是由兩個中空的半球殼構成，採用空心結構可有效減小轉子轉 動慣量，提高了電機的響應速度。
5、 本發明通過調整底部環形滾珠軸承在底座中的高度，可以使定子與轉子的球心重合 度提高，進而提高電機轉子的安裝精度。
6、 本發明通過調整定子繞組線圈在線圈孔中的徑向位置，可以調節定子與轉子之間的 氣隙大小，可調節單線圈輸出轉矩，提高了電機設計的靈活性。


圖1為本發明三自由度永磁球形步進電動機結構示意圖。
圖2為本發明球形轉子結構示意圖。
圖3為本發明永磁體及其安裝方式結構示意圖。
圖4為本發明定子結構示意圖。
圖5為本發明定位球殼結構示意圖。
圖中標號1空心轉子球殼、2定子球殼；3定子繞組線圈；4外殼；5法蘭；6輸出 軸；7底座；8底部環形滾珠軸承；9定子端蓋；9a端蓋環狀滾珠軸承；10擰緊螺栓；11固 定螺母；12永磁體槽；13永磁體端蓋；14永磁體；15壓簧；16定位銷；17線圈螺栓； 18編碼圖案。
以下通過具體實施方式
，結合附圖對本發明作進一步說明。
具體實施例方式
參見圖1、圖2，為了減小轉動慣量，在球形轉子中，由不導磁材料製成的上半球殼和 下半球殼相扣構成空心轉子球殼1，固定在輸出軸6上的擰緊螺栓IO和定位銷16將上半球 殼和下半球殼拼接在一起。
在空心轉子球殼1上，按等經度和等緯度的間隔分布有四層永磁體槽12，相鄰永磁體 槽12中的沿空心轉子球殼1徑向設置的圓柱狀永磁體14以N極和S極交錯分布；固定在 底座7上高度可調的底部環狀滾珠軸承8支承在空心轉子球殼1的底部，底部環狀滾珠軸承 8由非導磁材料製成，球形轉子與底部環狀滾珠軸承為多個位置上的點接觸，以此可減小其 間的摩擦阻力。
參見圖1圖4，在位於球形轉子外圍的定子球殼通過螺紋孔與底座7固定連接，定子球 殼2上的線圈孔的分布形式是，依球面等緯度均勻分布有兩層，每層只有十二隻，按照等緯 度間隔分布並關於定子球殼的赤道形成對稱，共有二十四隻線圈孔；定子繞組線圈3通過線 圈螺栓17設置在各線圈孔中，定子繞組線圈3與空心轉子球殼1的徑向距離通過線圈螺栓 17的調整可以得到調節，以此調節定子與轉子之間的氣隙大小，在定子端蓋9的底部固定 設置用於壓設在空心轉子球殼1的頂部的端蓋環狀滾珠軸承9a，用於防止球形轉子運動過 程中抖動，端蓋環狀滾珠軸承9a設置為環形結構，以保證輸出軸6的自由運動，實現球形 轉子帶負載運行。
參見圖l、圖3，端部設置有法蘭5的輸出軸6穿過球形轉子軛上部與空心轉子殼1固 連；在空心轉子球殼1的永磁體槽12中，設置螺紋連接的永磁體端蓋13，永磁體14通過 永磁體端蓋13固定在永磁體槽12中，並以樹脂密封端蓋縫隙，以減小轉子與底部環狀滾珠 軸承8的摩擦阻力，在永磁體14的底部設置有壓簧15。
參見圖l、圖3和圖5，位於定子球殼2的外圍，在輸出軸6上固定設置半球形外殼4， 外殼4的球心與空心轉子球殼1的球心相重合，外殼4為塑料構件、表面噴塗有編碼圖案 18。
具體實施中相應的結構設置也包括
圓柱狀永磁體14是以釹鐵硼材料燒結製成，沿著其圓柱高的方向充磁，每個永磁體即 為一個磁極；定子繞組線圈3採用柱狀結構，以漆包線繞制。
相關的控制是根據所劃分的運動軌跡和由機器視覺所測得的當前球形轉子的位置，精確 控制定子繞組線圈中的電流，從而驅動球形轉子做步進運動，實現球形轉子輸出軸在一定範 圍內運動。
6控制轉子從位置A步進運動到位置B過程如下轉子在位置A處時，視覺傳感器獲取
外殼4上的一副圖案。通過圖像處理獲取圖案特徵點的像素坐標。利用特徵點間的位置關係、
像素坐標和視覺傳感器的參數矩陣得到特徵點在球形轉子上和空間坐標系下的坐標，用四元
數法計算可得到轉子位置旋轉矩陣，即得到轉子處於位置A時的位置信息。利用計算好的 轉矩曲面和位置A、 B處的位置信息，查表計算得到需要線圈的電流值。步進運動完成後， 同樣採用上述機器視覺的方法檢測轉子是否到達位置B。如果位置誤差超過規定值，調整線 圈電流值。
權利要求
1、三自由度運動永磁球形步進電動機，其特徵是球形轉子是由不導磁材料製成空心轉子球殼(1)，在所述空心轉子球殼(1)上，按等經度和等緯度的間隔分布有永磁體槽(12)，相鄰永磁體槽(12)中沿空心轉子球殼(1)徑向設置的圓柱狀永磁體(14)以N極和S極交錯分布；在位於球形轉子外圍的定子球殼(2)上分布有依球面等緯度均勻分布的多層線圈孔，與空心轉子球殼(1)的徑向距離可調的定子繞組線圈(3)設置在各線圈孔中；輸出軸(6)穿過球形轉子軛上部與空心轉子球殼(1)固連；位於定子球殼(2)的外圍，在所述輸出軸(6)上固定設置半球形外殼(4)，所述外殼(4)的球心與空心轉子球殼(1)的球心相重合，在所述外殼(4)的表面，設置編碼圖案(18)。
2、 根據權利要求1所述的三自由度運動永磁球形步進電動機，其特徵是固定設置所述 定子球殼(2)在底座(7)和端蓋(9)之間，在所述底座(7)和端蓋(9)的中央，相向 設置底部環狀滾珠軸承(8)和端蓋環狀滾珠軸承(9a)，所述空心轉子球殼(1)支承在所 述底部環狀滾珠軸承(8)和端蓋環狀滾珠軸承(9a)之間；所述底部環狀滾珠軸承(8)在 底座(7)中的高度可調。
3、 根據權利要求1所述的三自由度運動永磁球形步進電動機，其特徵是設置空心轉子 球殼(1)是由上半球殼和下半球殼相扣構成。
4、 根據權利要求1所述的三自由度運動永磁球形步進電動機，其特徵是在所述空心轉 子球殼(1)的永磁體槽(12)中，設置螺紋連接的永磁體端蓋(13)，所述永磁體(14)通 過永磁體端蓋(13)固定在永磁體槽(12)中，並以樹脂密封端蓋縫隙，在所述永磁體(14) 的底部設置壓簧(15)。
全文摘要
三自由度運動永磁球形步進電動機，其特徵是在空心轉子球殼上，分布有永磁體槽，在位於球形轉子外圍的定子球殼上分布有線圈孔，定子繞組線圈設置在各線圈孔中；輸出軸與空心轉子球殼固連；位於定子球殼的外圍，在輸出軸上固定設置半球形外殼，外殼的球心與空心轉子球殼的球心相重合，在外殼的表面設置編碼圖案。本發明以球形轉子結構實現三自由度運動，並且可以利用機器視覺的方法對轉子位置進行檢測，解決球形電機轉子位置檢測難的問題。同時可以利用所獲取的轉子位置對電動機進行反饋控制，從而簡化三自由度機械裝置結構，提高系統的動靜態性能和控制精度。
文檔編號H02K3/00GK101527491SQ20091011660
公開日2009年9月9日 申請日期2009年4月21日 優先權日2009年4月21日
發明者爭 李, 李國麗, 王群京, 喆 錢 申請人:安徽大學