磁悬浮球形电动机系统

摘要

本发明公开了一种磁悬浮球形电动机系统，包括电动机的定子及绕组、球形转子、输出转臂构成的磁悬浮球形电动机和检测控制系统，定子由五个或六个分体式凸极定子构成，凸极定子以球形转子中心为坐标原点，按x-y-z的空间三维坐标系正交布置在球形转子各侧面，其中，在x方向对称于坐标原点各布置一个凸极定子，在y方向对称于坐标原点各布置一个凸极定子，在z方向布置一个或二个凸极定子，凸极定子的凸极之间的槽内绕有三相或多相通电线圈绕组。本发明结构合理简单、紧凑，体积小、重量轻，检测控制系统控制球形转子的移动、悬浮和转动状态。球形转子与定子之间实现无摩擦、无磨损，动态性能好，响应速度快。

权利要求

1.磁悬浮球形电动机系统，包括电动机的定子及绕组、球形转子、输出转臂构成的磁悬浮球形电动机和检测控制系统，输出转臂与球形转子连接固定成一体，z的正方向为输出转臂伸出方向，检测控制系统由x、y、z三个坐标轴方向的独立控制子系统组成，各子系统由悬浮控制器、解耦控制器、2Φ/3Φ变换电路、整流稳压电路、逆变器、传感器、信号检测处理电路组成，控制所在坐标轴方向球形转子的移动、悬浮和转动状态，其特征是所述的定子由五个或六个分体式凸极定子构成，定子的凸极定子的凸极之间的槽内绕有三相通电线圈绕组，所有凸极定子的表面构成一球形包络内表面，定子球形包络内表面与球形转子外表面之间在二者同心时存在设定的气隙长度，凸极定子以球形转子中心为坐标原点，按x-y-z的空间三维坐标系正交布置在球形转子各侧面，其中，在x方向对称于坐标原点各布置一个凸极定子，在y方向对称于坐标原点各布置一个凸极定子，在z方向布置一个或二个凸极定子。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮球形电动机系统，其特征是所述的检测控制系统根据转子在某坐标轴方向偏离平衡位置的差动信号，适时调节该坐标轴上对称于转子的两个凸极定子绕组的转矩电流指令信号，差动调节提供给两个凸极定子绕组的驱动电流，使产生的磁悬浮合力将球形转子稳定悬浮在该坐标轴的平衡状态。

3.根据权利要求1所述的磁悬浮球形电动机系统，其特征是所述的磁悬浮球形电动机在检测控制系统的综合控制下，产生沿定子对称轴方向作用于球形转子的磁推/拉力和产生绕定子对称轴并与转子球表面相切的磁转矩。

4.根据权利要求1所述的磁悬浮球形电动机系统，其特征是所述的磁悬浮球形电动机在空间三维坐标系的x和y坐标轴上，对称于球形转子布置的两个向心推/拉力磁悬浮球形电机定子，z坐标上布置的一个或二个向心推/拉力磁悬浮球形电机的凸极定子，在检测控制系统综合作用下，绕三个坐标方向的向心推/拉力磁悬浮球形电机的定子共同作用，实现球形转子稳定悬浮在定子凸极包络球的中心，且驱动其多自由度转动。

5.根据权利要求1所述的磁悬浮球形电动机系统，其特征是所述的球形转子的球表面开有相互垂直且连续的沟槽，沟槽将整个球表面分为几何形状相同的微小单元面的转子凸极，在沟槽内下导体构成转子绕组或电枢绕组。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种具有多个旋转自由度驱动能力的电动机，属于机电工技术与控制技术领域。 

背景技术

多自由度球形电机指具有两个或三个旋转自由度，可以绕过定点的空间轴线旋转的电机。它具有机械集成度高、电机结构材料和驱动控制系统元件利用率高等特点，在具有多个运动自由度的机械系统中，一台多自由度电机可以代替两台或多台单自由度电机，大大简化机械系统的结构，减小体积和重量，可以消除由于齿轮传动带来的齿隙和摩擦等缺点，从而提高系统的精度和动态性能，提高性能价格比，并在控制和轨迹规划方面占有优势。因此多自由度球形电机在机器人的关节及机械手的关节、多坐标机械加工中心、航大坛行器、电动陀螺仪、全方位跟踪天线、炮塔转台、人体假肢、医疗器械、摄像操作台、全景摄影操作台、搅拌机、移动机构的万向轮、球形阀、球形泵等具有多个运动自由度的设备中具有广泛的应用前景。现有的球形电机由包括电动机的定子及绕组、球形转子、输出转臂和检测控制系统等组成，但球形电机对各球形转子的支承结构复杂，球形转子俯仰、摇摆和偏转的角度小，受到应用限制。在用于驱动高速、超高速的多自由度装置时，还存在机械(轴承)支承的磨损问题，机械摩擦不仅增加了球形转子的摩擦阻力，而且会造成部件发热，严重时会造成电机气隙不均匀，导致电机的动态特性变差，从而降低电机的效率，缩短电机及装备的使用寿命，严重制约着球形电动机向更高速度方向发展，轴承的性能大大影响了电机的可靠性和装备利用率。 

发明内容

本发明的目的是针对现有球形电动机存在的上述问题，基于磁悬浮技术和电机技术，提供一种机械集成度高、结构简单、无摩擦、无磨损，精度高和动态性能好，并能使球形转子俯仰、摇摆和偏转的角度达到最大，具有可以绕球形转子中心旋转的二自由度或多自由度磁悬浮球形电动机系统。 
本发明的技术方案是，磁悬浮球形电动机系统，包括电动机的定子及绕组、球形转子、输出转臂构成的磁悬浮球形电动机和检测控制系统，输出转臂与球形转子连接固定成一体，z的正方向为输出转臂伸出方向，检测控制系统由x、y、z三个坐标轴方向的独立控制子系统组成，各子系统由悬浮控制器、解耦控制器、2Φ/3Φ变换电路、整流稳压电路、逆变器、传感器、信号检测处理电路组成，控制所在坐标轴方向球形转子的移动、悬浮和转动状态，其特征是所述的定子由五个或六个分体式凸极定子构成，定子的凸极定子的凸极之间的槽内绕有三相或多相通电线圈绕组，所有凸极定子的表面构成一球形包络内表面，定子球形包络内表面与球形转子外表面之间在二者同心时存在设定的气隙长度，凸极定子以球形转子中心为坐标原点，按x-y-z的空间三维坐标系正交布置在球形转子各侧面，其中，在x方向对称于坐标原点各布置一个凸极定子，在y方向对称于坐标原点各布置一个凸极定子，在z方向布置一个或二个凸极定子。 
所述的检测控制系统根据球形转子在某坐标轴方向偏离平衡位置的差动信号，适时调节该坐标轴上对称于球形转子的两个凸极定子绕组的转矩电流指令信号，差动调节提供给两个凸极定子绕组的驱动电流，使产生的磁悬浮合力将球形转子稳定悬浮在该坐标轴的平衡状态。 
所述的磁悬浮球形电动机在检测控制系统的综合控制下，产生沿定子对称轴方向作用于球形转子的磁推/拉力和产生绕定子对称轴并与球形转子球表面相切的磁转矩。 
所述的磁悬浮球形电动机在空间三维坐标系的x和y坐标轴上，对称于球形转子布置的两个向心推/拉力磁悬浮球形电机定子，z坐标上布置 的一个或二个向心推/拉力磁悬浮球形电机的凸极定子，在检测控制系统综合作用下，绕三个坐标方向的向心推/拉力磁悬浮球形电机的定子共同作用，实现球形转子稳定悬浮在定子凸极包络球的中心，且驱动其两自由度或多自由度转动。 
所述的球形转子由具有良好导磁性能的材料制成，其球表面开有相互垂直且连续的沟槽，沟槽将整个球表面分为几何形状相同的微小单元面的转子凸极，在沟槽内下导体构成转子绕组或电枢绕组。 
所述定子采用具有良好导磁性能的材料制成，其凸极表面构成的包络面为无底的球冠内表面；在各凸极之间的槽内，绕有三相或多相通电线圈绕组，通电线圈绕组将产生沿定子对称轴方向的磁推/拉力，以实现对球形转子在该定子轴线方向的移动自由度限制，以及产生绕定子对称轴并与转子球表面相切的磁转矩，以实现绕定子对称轴旋转自由度方向的驱动；多个推/拉力磁悬浮球形电机在控制器调节作用下，可实现球形转子稳定悬浮在定子凸极包络球的中心，且驱动其实现两自由度或多自由度转动。 
悬浮控制器的作用是将处理后的磁悬浮球形电动机转子位置偏移电压信号经过某种控制策略运算，并变换成与转子偏移成比例的电流增量信号输出；解耦控制器完成向心推/拉力磁悬浮球形电机转矩和转速之间的矢量解耦运算，并根据传感器检测的转子转动信息(力矩和转角及转速)进行适时调节运算；2Φ/3Φ变换电路将经过解耦并调节的转矩电压信号和转速电压信号，变换成控制逆变器开关功率晶体管的三相脉冲电压控制信号；整流稳压电路将三相交流源变换为直流源；逆变器将整流电路提供的直流电源变换为可变频和变幅的交流电压提供给电机绕组，以产生电磁悬浮力和电磁转矩达到支承球形转子并驱动其转动的目的；传感器用来完成对球形转子径向位置和转动参数的检测；信号检测处理电路完成对转子径向位移变化的信号检测、调制与解调，以及滤波和放大等作用。 
本发明结构合理简单、紧凑，体积小、重量轻，综合应用磁悬浮技术、电机技术以及控制技术，实现球形转子的悬浮支承并驱动球形转子转动， 球形转子与定子之间实现无摩擦、无磨损，动态性能好，响应速度快。 
磁悬浮球形电机工作时，对某坐标轴方向的控制系统同时输入相等的转矩电流和转速指令信号，经过解耦控制器矢量解耦后，由2Φ/3Φ变换电路变换成三相电流控制信号，控制逆变器使整流稳压器输出的直流电变换为交流电，向该坐标轴上两个对称的定子绕组提供驱动电流，产生绕坐标轴的同向等量电磁转矩和转动速度，以驱动转子转动，同时两定子绕组将产生一对大小相等方向相反的偏置磁拉力作用于转子，使转子在无扰动作用下悬浮于该坐标方向的平衡位置。当电机转子在该坐标轴方向受到扰动作用时，对称于转子的2个传感器检测到转子的径向位移变化信号，各自将检测的信号经由信号检测处理电路进行调制、放大、解调、滤波等信号处理后以电压信号输出，两路电压信号进行比较形成转子在该坐标轴方向的差动位移信号，经悬浮控制器控制运算并转换成差动电流输出，作为转矩电流指令的增量调节信号，分别叠加在控制两个定子绕组转矩的转矩电流指令信号上，差动控制两逆变器对各自定子绕组的供电电流，使转子距离定子近的绕组电流减小，距离定子远的绕组电流增加，通过改变两定子绕组产生磁拉力的相对大小来平衡干扰作用，使转子重新回到平衡状态，从而达到转子的稳定悬浮。 

附图说明

图1是本发明的系统示意框图； 
图2a是本发明的磁悬浮球形电动机y-z切面示意图； 
图2b是本发明的磁悬浮球形电动机y-z切面示意图； 
图3a是本发明的凸极定子的结构示意图； 
图3b是本发明的凸极定子的剖面结构示意图； 
图3c是图3a的俯视结构示意图； 
图4a是本发明的球形转子的结构示意图； 
图4b是本发明的球形转子的剖面结构示意图； 
图中：1球形转子，2转动臂，3、4、5凸极定子，6绕组，7定子凸极， 8转子凸极，9沟槽。 

具体实施方式

下面结合图1、图2a、图2b、图3a、图3b、图3c、图4a、图4b，进一步叙述本发明的实施例。 
磁悬浮球形电动机系统，由磁悬浮球形电动机本体和检测控制系统组成。磁悬浮球形电动机本体结构由球形转子1，输出转动臂2，向心推(拉)力磁悬浮球形电机凸极定子3、4、5，定子通电绕组6等组成。磁悬浮球形电机凸极定子，以平衡位置时球形转子中心为坐标原点，按x-y-z的空间三维坐标系正交布置在球形转子1的各侧面。其中，在x方向对称于坐标原点(转子球心)各布置1个电机定子5，在y方向对称于坐标原点(转子球心)各布置1个电机定子3，在z方向只布置1个电机定子4，z的正方向为球形转子转臂2伸出方向。所有定子凸极(磁极)表面构成一球形包络内表面，定子球形包络内表面与球形转子外表面之间在二者同心时存在设定的气隙(间隙)长度。 
定子采用具有良好导磁性能的材料制成，其凸极表面7构成的包络面为无底的球冠内表面；在各凸极之间的槽内，绕有三相或多相通电线圈绕组6，定子及其绕组6与球形转子1构成向心推(拉)力磁悬浮球形电机，综合控制电机的通电线圈绕组6中的电流，各向心推(拉)力磁悬浮球形电机将产生沿定子对称轴方向的磁拉力和绕定子对称轴的电磁转矩。本发明中，绕z轴转动为1个向心推(拉)力磁悬浮球形电机、绕x轴转动及绕y轴转动的向心推(拉)力磁悬浮球形电机分别为2个，5个电机可以实现对球形转子1在三个空间方向移动自由度的控制，使球形转子1稳定悬浮在定子凸极包络球的中心，并产生绕各坐标轴的磁转矩。在控制器的综合控制下，球形转子就可绕指定轴转动，以实现电机的两自由度或多自由度转动。 
球形转子由具有良好导磁性能的材料制成，其球表面开有相互垂直且连续的沟槽9，沟槽将整个球表面分为几何形状相同的微小单元突极面8， 以形成球形磁阻式或步进式关节的凸极转子。感应式或直流式关节在凸极转子的沟槽内放置导(线)体构成转子绕组或电枢绕组。 
磁悬浮球形电动机系统的检测控制系统由x、y、z三个坐标轴方向的独立控制子系统组成。各子系统控制所在坐标轴方向球形转子的移动和转动自由度，由悬浮控制器、解耦控制器、2Φ/3Φ变换电路、整流稳压电路、逆变器、传感器、信号检测处理电路等组成，其作用是控制球形转子的悬浮和转动状态。 
磁悬浮球形电机的工作原理是，对y坐标轴方向的控制系统同时输入相等的转矩电流iTm*和转速ω*指令信号，上、下两路信号各自经过解耦控制器矢量解耦后得到两相电流id*和iq*，由2Φ/3Φ变换电路变换成三相电流信号iu*、iv*、iw*，去控制逆变器使整流稳压器输出的直流电变换为交流电，向各自控制的定子绕组提供驱动电流iu、iv、iw，以产生绕y坐标轴的同向等量电磁转矩和转动速度，从而驱动球形转子1绕y坐标轴转动。同时两定子绕组6将产生一对y轴方向上大小相等方向相反的偏置磁拉力作用于球形转子1，使球形转子1在无扰动作用下悬浮于y坐标方向的平衡位置。当球形转子1在y坐标轴正方向受到扰动作用时，球形转子1将移向上定子，离开下定子，球形转子1上下两个传感器分别检测到球形转子1的径向位移变化信号，各自将检测的信号经由信号检测处理电路进行调制、放大、解调、滤波等信号处理后分别以电压信号u1、u2输出，两路电压信号经过比较器比较得到y坐标轴方向的差动位移信号Δu＝u2-u1＜0，差动位移信号Δu经悬浮控制器控制运算并转换成差动电流信号Δi＜0输出，该电流信号Δi与控制两个定子绕组转矩的转矩电流指令信号分别相加减变为iTm*+Δi、iTm*-Δi，由于$i_{\mathrm{Tm}}^{*}+\mathrm{\Delta i}<i_{\mathrm{Tm}}^{*}-\mathrm{\Delta i},$所以球形转子1上方的逆变器对其定子绕组的供电电流iu、iv、iw减小，上方定子产生的磁拉力减小；球形转子1下方的逆变器对其定子绕组的供电电流iu、iv、iw增加，下方定子产生的磁拉力增大，在上下两方磁拉力合力作用下平衡干扰作用，使球形转子1从重新回到平衡状态，从而达到球形转子的稳定悬浮。