[發明專利]一種基于磁通切換的定子永磁式球形電機

有效

• 申請號: 202110607204.1
• 申請日: 2021-06-01
• 公開（公告）號: CN113346639B
• 公開（公告）日: 2022-07-08
• 發明（設計）人: 過希文;張榮林;周睿;王群京;李國麗;文彥
• 申請（專利權）人: 安徽大學
• 主分類號: H02K1/12
• 分類號: H02K1/12;H02K1/17;H02K1/14;H02K1/22;H02K1/24;H02K5/04;H02K5/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 江亞平

本發明涉及一種基于磁通切換的定子永磁式球形電機，包括定子體，轉子體，輸出軸，基座，萬向滾珠軸承和螺栓。定子體包括兩個半球形定子外殼，其內表面按照一定的排布方式固定著若干個由一個永磁體與兩個定子磁極齒組成的磁極對，每個磁極對上繞制集中式繞組線圈；轉子體包括導磁的轉子磁極齒以及鑲嵌轉子的轉子外殼；定子外殼通過螺栓固定在基座上；萬向滾珠軸承固定在基座上，與轉子體接觸，支撐轉子體；輸出軸固定在轉子外殼上。本發明電機結構穩定，散熱效果較好，不存在永磁體退磁風險。同時基于磁通切換原理，通過改變線圈通電方向與安匝數，獲得較大范圍轉矩輸出。基于球形電機本體和通電控制的一體化設計使其具有較強的實際應用價值。

技術領域

本發明涉及多自由度電機技術領域，具體涉及一種基于磁通切換的定子永磁式球形電機。

背景技術

多自由度運動執行機構在工業生產中十分常見，由于其通常是由多個單自由度電機與復雜的傳動裝置組合而成，因此具有體積大，控制精度低，系統剛度不強等缺點。隨著科技與高端制造業的持續進步與發展，運用場合不斷改變，對執行機構的要求也越來越高，例如機器人關節用電機，期望電機輸出轉矩要大，精度要高。衛星姿態用電機，期望電機體積要小，便于多自由度的位姿檢測與控制。球形電機因其特殊的轉子結構，能夠較好地完成多自由度運動，且體積小，具有較高的控制精度，在多維運動場合具有較大的應用潛力。

但是，自提出發展至今，球形電機由于結構設計相對復雜，制造困難，電磁分析、位置檢測等仍然有待進一步的發展，總體來說仍然處于實驗研究階段。其中，永磁球形電機大多是將永磁體鑲嵌在轉子上，線圈固定在定子球殼上，通過通電線圈與永磁體的相互作用實現多自由度運動。該設計方案的缺陷在于將永磁體放在轉子上，高速運行時磁鋼易受離心力的作用被甩落，故需在轉子上安裝不銹鋼或非金屬纖維材料制成的固定裝置，進而導致散熱困難和制造工藝復雜等問題。同時，溫升可能會導致永磁體發生不可逆退磁、電機輸出轉矩受限和功率密度減小等問題。由于磁通切換電機的定轉子均固定在定子中，因此，本發明提出了一種基于磁通切換的定子永磁式球形電機，通過改變通電線圈的安匝數，擴大輸出轉矩的范圍。同時，由于在一定的轉矩范圍內，其輸出轉矩與安匝數的大小成線性關系，控制相對簡單。

發明內容

本發明的目的是提出一種基于磁通切換的定子永磁式球形電機，該電機是由上下端部各截去一定大小的球形結構構成。通過改變定子線圈通電大小和通電方向從而改變磁極出現的位置，能夠使得球形電機實現多自由度運動。所述球形電機結構穩定，散熱效果好，輸出轉矩較大，原理簡單，控制簡單。

本發明采用的技術方案為：一種基于磁通切換的定子永磁式球形電機，包括定子體，轉子體，輸出軸，基座，萬向滾珠軸承和螺栓；所述定子體包括定子外殼、由兩個導磁的定子磁極齒與永磁體共同組成的磁極對以及磁極對上的繞組，所述定子外殼由兩個半球形球殼組合而成，通過螺栓固定；所述磁極對是由一塊永磁體與兩個導磁的定子磁極齒組成一對磁極對，均勻的分布在定子外殼的內表面上，磁極對分別按照同緯度與同經度均勻分布，磁極分三層排布，0°緯線、30°緯線與-30°緯線圓周各排布六對磁極，每對磁極之間間隔60°，緯線圓周方向排布主要用于實現球形電機的自旋運動，將磁極均勻分三層排布，排布在同一經度下的磁極，用于實現球形電機的傾斜運動；所述繞組為繞制在每個磁極對上的繞組線圈；所述磁極對上的定子磁極齒底部與定子球殼固連，共同起導磁作用；

所述轉子體包括轉子磁極齒和轉子外殼；所述轉子磁極齒是由導磁材料構成的凸起磁極齒，磁極齒根部連接在一起，磁極齒表面為弧面；轉子磁極齒分三層排布在0°度緯線45°緯線以及-45°緯線；每層排布8個磁極齒，均勻間隔45°共三層；所述轉子外殼為中空球體，轉子磁極齒鑲嵌填充在轉子外殼內并與內表面對齊，兩者共同構成轉子體；

所述輸出軸為球形電機負載輸出位置，輸出軸穿過轉子外殼頂端并且固定在轉子外殼上端，輸出軸具有一定長度，向外部延伸；

所述基座為定子外殼支撐結構，基座與定子外殼相連，對整個電機起支撐作用，萬向滾珠軸承一端與基座相連并且固定在基座上，另一端與轉子體接觸，對整個轉子體起支撐作用；