[发明专利]一种基于磁通切换的定子永磁式球形电机

说明书

本发明涉及一种基于磁通切换的定子永磁式球形电机，包括定子体，转子体，输出轴，基座，万向滚珠轴承和螺栓。定子体包括两个半球形定子外壳，其内表面按照一定的排布方式固定着若干个由一个永磁体与两个定子磁极齿组成的磁极对，每个磁极对上绕制集中式绕组线圈；转子体包括导磁的转子磁极齿以及镶嵌转子的转子外壳；定子外壳通过螺栓固定在基座上；万向滚珠轴承固定在基座上，与转子体接触，支撑转子体；输出轴固定在转子外壳上。本发明电机结构稳定，散热效果较好，不存在永磁体退磁风险。同时基于磁通切换原理，通过改变线圈通电方向与安匝数，获得较大范围转矩输出。基于球形电机本体和通电控制的一体化设计使其具有较强的实际应用价值。

技术领域

本发明涉及多自由度电机技术领域，具体涉及一种基于磁通切换的定子永磁式球形电机。

背景技术

多自由度运动执行机构在工业生产中十分常见，由于其通常是由多个单自由度电机与复杂的传动装置组合而成，因此具有体积大，控制精度低，系统刚度不强等缺点。随着科技与高端制造业的持续进步与发展，运用场合不断改变，对执行机构的要求也越来越高，例如机器人关节用电机，期望电机输出转矩要大，精度要高。卫星姿态用电机，期望电机体积要小，便于多自由度的位姿检测与控制。球形电机因其特殊的转子结构，能够较好地完成多自由度运动，且体积小，具有较高的控制精度，在多维运动场合具有较大的应用潜力。

但是，自提出发展至今，球形电机由于结构设计相对复杂，制造困难，电磁分析、位置检测等仍然有待进一步的发展，总体来说仍然处于实验研究阶段。其中，永磁球形电机大多是将永磁体镶嵌在转子上，线圈固定在定子球壳上，通过通电线圈与永磁体的相互作用实现多自由度运动。该设计方案的缺陷在于将永磁体放在转子上，高速运行时磁钢易受离心力的作用被甩落，故需在转子上安装不锈钢或非金属纤维材料制成的固定装置，进而导致散热困难和制造工艺复杂等问题。同时，温升可能会导致永磁体发生不可逆退磁、电机输出转矩受限和功率密度减小等问题。由于磁通切换电机的定转子均固定在定子中，因此，本发明提出了一种基于磁通切换的定子永磁式球形电机，通过改变通电线圈的安匝数，扩大输出转矩的范围。同时，由于在一定的转矩范围内，其输出转矩与安匝数的大小成线性关系，控制相对简单。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于磁通切换的定子永磁式球形电机，该电机是由上下端部各截去一定大小的球形结构构成。通过改变定子线圈通电大小和通电方向从而改变磁极出现的位置，能够使得球形电机实现多自由度运动。所述球形电机结构稳定，散热效果好，输出转矩较大，原理简单，控制简单。

本发明采用的技术方案为：一种基于磁通切换的定子永磁式球形电机，包括定子体，转子体，输出轴，基座，万向滚珠轴承和螺栓；所述定子体包括定子外壳、由两个导磁的定子磁极齿与永磁体共同组成的磁极对以及磁极对上的绕组，所述定子外壳由两个半球形球壳组合而成，通过螺栓固定；所述磁极对是由一块永磁体与两个导磁的定子磁极齿组成一对磁极对，均匀的分布在定子外壳的内表面上，磁极对分别按照同纬度与同经度均匀分布，磁极分三层排布，0°纬线、30°纬线与-30°纬线圆周各排布六对磁极，每对磁极之间间隔60°，纬线圆周方向排布主要用于实现球形电机的自旋运动，将磁极均匀分三层排布，排布在同一经度下的磁极，用于实现球形电机的倾斜运动；所述绕组为绕制在每个磁极对上的绕组线圈；所述磁极对上的定子磁极齿底部与定子球壳固连，共同起导磁作用；

所述转子体包括转子磁极齿和转子外壳；所述转子磁极齿是由导磁材料构成的凸起磁极齿，磁极齿根部连接在一起，磁极齿表面为弧面；转子磁极齿分三层排布在0°度纬线45°纬线以及-45°纬线；每层排布8个磁极齿，均匀间隔45°共三层；所述转子外壳为中空球体，转子磁极齿镶嵌填充在转子外壳内并与内表面对齐，两者共同构成转子体；

所述输出轴为球形电机负载输出位置，输出轴穿过转子外壳顶端并且固定在转子外壳上端，输出轴具有一定长度，向外部延伸；

所述基座为定子外壳支撑结构，基座与定子外壳相连，对整个电机起支撑作用，万向滚珠轴承一端与基座相连并且固定在基座上，另一端与转子体接触，对整个转子体起支撑作用；