[发明专利]一种基于气体静压轴承支撑的球形电机

说明书

本发明涉及一种基于气体静压轴承支撑的球形电机，包括转子、底座、固定在底座上的定子外壳，在定子外壳上设有用于安装定子线圈的螺纹孔，所述的定子线圈包括定子线圈架，其特征在于，在定子线圈架的端部固定有气体静压轴承，气体静压轴承包括轴承主体和位于轴承主体中部的节流器，轴承主体的表面为曲率与转子外表面曲率一致的弧形表面，在定子线圈架内开设有与节流器相通的压缩气体通道。

技术领域

本发明属于球形电机结构设计领域，涉及到球形电机的定子结构及转子支撑结构的设计。

背景技术

对于雷达、全景摄像机、机械手臂等一些需要多自由度运动的领域，传统上需要多个电机进行配合驱动，这样不仅会使驱动结构复杂、体积庞大，而且使得系统动态性能差、控制精度低、可靠性差。单轴可实现三自由度运动的球形电机应运而生，有望改善传统多自由度驱动装置的动态性能、控制性能及可靠性能。但球形电机特殊的球体结构一方面要实现对球形转子大区间的多自由度运动的支撑，另一方面要基于有限的定子半封闭空间尽量提高其功率密度，因此其球面转子支撑结构成为球形电机发展的瓶颈。目前现有的支撑结构包括有接触支撑和无接触支撑两种形式：

一、有接触支撑结构

1.万向节轴承支撑。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，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。这样的转子支撑结构解决了球形电机的偏心问题，但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的支撑结构比较复杂，限制了定子线圈的安装空间，从而降低了球形电机的功率密度。

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，但接触支撑方式给球形电机的工作寿命造成了影响。同时由于需要安装环状滚珠，使得支撑结构占用了定子线圈的安装空间，从而降低了球形电机的功率密度，不利于球形电动机的小型化发展。

3.弧面轴承支撑。2008年，天津大学提出了一种环形弧面接触的支撑结构，该结构不存在偏心问题，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。

上述接触式支撑结构在电机运转过程中均属于接触式支撑，增加了机械摩擦损耗，降低了电机的运转效率。

二、无接触支撑结构

1.磁悬浮轴承支撑。2011年，扬州大学提出了一种磁悬浮球形电机，该电机不需要特殊的机械轴承就可以实现定转子之间的稳定气隙，减少了电机运转过程中的摩擦损耗，但需要定子上额外的三组绕组来提供悬浮力，这无疑增加了定子线圈的控制复杂度，同时悬浮力绕组争夺转矩绕组的有效空间，使得电机的功率密度减小。

2.液体滑动轴承。2018年，河北科技大学提出了一种液体悬浮的球形电机，依靠定子和转子之间的液体保持气隙，减小了摩擦损耗，同时液体可达到对电机冷却降温的作用。依靠液体悬浮的球形电机不存在磁悬浮的磁路耦合、控制复杂的问题，但对电机的密封性有一定的要求，存在泄漏腐蚀的危险。

3.气体静压轴承。2017年，扬州大学提出了一种磁-气混合轴承的球形电机。气体静压轴承的工作原理与液体滑动轴承相似，只是把润滑介质换成了气体。相较于上述接触式支撑结构可有效减小电机运转过程中的摩擦损耗，同时流通的气体还可以起到冷却降温的作用。相较于磁悬浮支撑不存在磁路耦合的问题，相较于液体滑动轴承不存在液体泄漏腐蚀的问题，从而使得电机控制相对简单。