[发明专利]三自由度永磁球形电动机

说明书

技术领域

本发明涉及一种能够实现多自由度运动的球形电机，属于电机设计技术领域。

背景技术

传统上实现多自由度运动，需要多个电机进行配合，这样不仅会使电机结构复杂、体积庞大，而且电机动态性能差以及控制精度低。球形电机应运而生，其与传统多自由度电机相比具有电机磁能积高、运行效率高、体积小、可控性好等优点，广泛应用于雷达、全景摄像机、机械手臂等领域。随着电力电子、计算机控制以及制作材料的发展，这些都为球形电机的制造以及控制提供了坚实的基础。

目前现有的支撑机构主要有以下几种，

1、万向节支撑

2004年，北京航空航天大学提出了一种采用万向节支撑转子的结构。其中转子为空心半球结构，且万向节定点支撑半球结构的上定点，球心与万向节十字轴中心重合。这样便解决的球形电机的偏心问题，同时也限制了球形电机的运动角度，由于转子底部需要安装支撑轴承万向节，转子做成了空心半球结构，底部支撑结构限制了转子的运动空间，导致转子运动角度过小。另外采用万向节支撑转子，该支撑结构比较复杂，限制了定子线圈的安装空间，综上原因考虑，万向节支撑结构会极大限制球形电机的运动角度。

2、环状滚珠轴承支撑

2009年，安徽大学提出了采用顶部与底部安装滚珠支撑，该方法虽然同样不存在偏心问题，由于需要安装环状滚珠，这就占用了定子线圈的安装空间，影响了转子的运动角度，这也限制了球形电动机的小型化发展。。

3、弧面支撑

2008年，天津大学提出了一种环形弧面接触的支撑结构，专利CN200810053083.5公开了一种三自由度Halbach阵列永磁球形同步电动机，该结构同样不存在偏心问题，但是摩擦力矩比较大，虽然通过添加润滑剂等措施减小的运动误差，但是其摩擦力矩依然是球形电机动态性能恶化的主要原因。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种能够简化机械结构，进而扩大转子的运动角度并能够提高传动结构的动静态性能的永磁球形电机。技术方案如下：

一种三自由度永磁球形电动机，包括底座4、固定在底座4上的定子外壳6，万向滚珠8、球形转子体5、输出轴2和定子线圈7，转子5为球形，与输出轴2固定连接，转子的赤道位置设有用于镶嵌永磁体的柱形槽；其特征在于，在定子外壳6上设置有螺纹孔，一部分螺纹孔用于通过定子线圈架固定定子线圈7，另一部分螺纹孔用于通过组合定子线圈架9固定定子线圈7，每个组合定子线圈架9通过螺纹连接有用于支撑转子的万向滚珠8；所述的万向滚珠8包括与组合定子线圈架9螺纹相连的托盘13，在托盘内设置有钢珠14，在钢珠14上设置有尼龙滚珠14。

作为优选实施方式，所述的定子线圈7采用空心结构，并且注入有冷却液。永磁体的表面采用镀镍处理。

与现有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、降低摩擦力。本发明所提出的在定子线圈上安装万向滚珠的支撑方式，对转子的支撑采用点接触方式，可以有效减少球形电机运动时的摩擦力，其摩擦力要远小于弧面接触结构。

2、不会限制转子运动空间。本发明将万向滚珠安装在定子线圈上，可以将支撑结构对于转子运动角度的限制问题降到最低。

3、不占用定子线圈安装空间。与环状滚珠轴承相比，虽然都是滚珠支撑，但是本发明的滚珠安装在定子线圈上，不需要额外占用定子壳内的安装空间，这样也就提高了球形电机的力矩产生角度，进而提高了球形电机的运动空间。同时也有助于球形电动机的小型化发展。

4、加工简单化。通过调整定子线圈螺纹可以对转子球心位置进行微调，不会产生转子偏心的问题。万向滚珠制作工艺简单，这同时也降低了球形电机的生产成本。万向滚珠与定子线圈采用螺纹连接，安装方便。

5、改善电机温升问题。本发明采取在空心定子线圈内放置冷却液的方法，来提高电机的散热能力，以解决电机的温升问题。

附图说明

图1为三自由度球形电动机沿支撑定子线圈截面图

图2位球形电动机受力分析图

图3为万向滚珠结构图

图4为与万向滚珠组合的定子线圈架

图5为万向滚珠与组合定子线圈架组合图

图6为定子线圈架

图中标号：1法兰盘、2输出轴、3永磁体槽、4底座、5转子、6定子外壳、7定子线圈、8万向滚珠、9组合定子线圈架、10拧紧螺栓、11定子外壳固定螺母、12底座固定螺母、13托盘、14不锈钢珠、15尼龙滚珠。