永磁转子以及球形电机

摘要

本发明涉及一种永磁转子以及球形电机，所述永磁转子为呈球形的壳体，所述永磁转子由多块第一正多边形弧块以及环绕所述第一正多边形弧块设置的多块第二正多边形弧块构成，所述第一正多边形弧块以永磁转子的球心为中心呈球对称分布，所述第一正多边形弧块的充磁方向为径向，所述第二正多边形弧块的充磁方向垂直于第一正多边形弧块与所述第二正多边形弧块的共用面。上述技术方案的有益效果为：通过设置第一正多边形弧块与第二正多边形弧块，使得第一正多边形弧块与第二正多边形弧块的磁场互相叠加，产生强磁场，从而提高永磁转子的磁场强度，使得永磁转子具有更好的可控性。

权利要求

1.一种永磁转子，其特征在于：所述永磁转子为呈球形的壳体，包括多块第一正多边形弧块以及环绕所述第一正多边形弧块设置的多块第二正多边形弧块，所述第一正多边形弧块以壳体的球心为中心呈球对称分布，所述第一正多边形弧块的充磁方向为径向，所述第二正多边形弧块的充磁方向垂直于第一正多边形弧块与所述第二正多边形弧块的共用面。

2.根据权利要求1所述的永磁转子，其特征在于：所述正多边形弧块由内切于所述永磁转子外表面的正多面体或截正多面体上的面投影至本体表面后划分形成；

或者，所述正多边形弧块由内切于所述本体表面的正多面体或截正多面体上的面投影至本体表面后进一步划分形成。

3.根据权利要求1或2所述的永磁转子，其特征在于：所述第一正多边形弧块沿径向并向外充磁，所述第二正多边形弧块沿垂直并朝向共用面方向充磁。

4.根据权利要求1或2所述的永磁转子，其特征在于：所述第一正多边形弧块沿径向并向内充磁，所述第二正多边形弧块沿垂直并背向共用面方向充磁。

5.一种球形电机，其特征在于，包括上述权利要求1至4任意一项所述的永磁转子。

6.根据权利要求5所述的球形电机，其特征在于：所述球形电机还包括：外框架，所述永磁转子设置于所述外框架内；

多个支撑件，安装于所述外框架上，并向所述永磁转子中心延伸，用以支撑所述永磁转子；

多个线圈，与多个所述支撑件一一对应设置，并套设于所述支撑件外。

7.根据权利要求6所述的球形电机，其特征在于：所述外框架包括中环以及分别设置于所述中环两侧的第一支撑架与第二支撑架，所述永磁转子位于所述第一支撑架与第二支撑架之间。

8.根据权利要求7所述的球形电机，其特征在于：所述第一支撑架、第二支撑架以及中环均由多块支撑板构成，每块支撑板中部均设置有所述支撑件。

9.根据权利要求8所述的球形电机，其特征在于：每块所述支撑板的中部开设有通孔，所述支撑件穿过所述通孔并固定于所述外框架上。

10.根据权利要求6所述的球形电机，其特征在于：所述支撑件与所述永磁转子接触的一端设置有万向球轴承，所述万向球轴承抵接于所述永磁转子。

说明书

永磁转子以及球形电机

技术领域

[0001] 本发明涉及电动机领域，特别是涉及一种永磁转子。

背景技术

[0002] 随着现代工业科技水平的不断发展,机器人、机械手等作复杂运动的精密装置得到了广泛的应用。这类装置往往需要完成空间的多维运动控制,采用常规一维驱动元件就必须使用多台单自由度驱动元件以及复杂的机械传动机构来完成空间的多维运动，较为复杂。

[0003] 永磁多维球形电动机是一种能够进行空间多维旋转的电机，其应用前景及其广泛,包括机器人、机械手、人体假肢关节、球形阀、泵类、电动陀螺仪、多向传动机构、制造业和工业控制中的多维空间伺服控制等一系列需要做多自由度运动的设备仪器，而对球形电动机的转子的研究还处于一个较为初步的状态，尤其缺少磁场稳定且磁场强度较大，控制方便的球形电机的永磁转子。

发明内容

[0004] 基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种永磁转子，相比于传统的N、S极交错排布的永磁体球形转子具有更强的单边磁场。

[0005] 为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：一种永磁转子，所述永磁转子为呈球形的壳体，所述永磁转子由多块第一正多边形弧块以及环绕所述第一正多边形弧块设置的多块第二正多边形弧块构成，所述第一正多边形弧块以永磁转子的球心为中心呈球对称分布，所述第一正多边形弧块的充磁方向为径向，所述第二正多边形弧块的充磁方向垂直于第一正多边形弧块与所述第二正多边形弧块的共用面。

[0006] 上述技术方案的有益效果为：通过设置第一正多边形弧块与第二正多边形弧块，使得第一正多边形弧块与第二正多边形弧块的磁场互相叠加，产生强磁场，从而提高永磁转子的磁场强度，使得永磁转子具有更好的可控性。

[0007] 在其中一个实施例中，所述正多边形弧块由内切于所述永磁转子外表面的正多面体或截正多面体上的面投影至本体表面后划分形成，或者由内切于所述本体表面的正多面体或截正多面体上的面投影至本体表面后进一步划分形成。

[0008] 如此划分形成的针多边形弧块能够完整的拼合成球形结构，便于进行充磁与组装。

[0009] 在其中一个实施例中，所述第一正多边形弧块沿径向向外充磁，所述第二正多边形弧块垂直朝向共用面方向充磁。如此设置，使永磁转子的外壁具有更强的磁场。

[0010] 在其中一个实施例中，所述第一正多边形弧块沿径向向内充磁，所述第二正多边形弧块垂直背向共用面方向充磁。如此设置，使永磁转子的外壁具有更强的磁场。

[0011] 本发明还提供一种球形电机，其特征在于，包括前述的任意一种永磁转子。

[0012] 在其中一个实施例中，所述球形电机还包括：外框架，所述转子设置于所述外框架内；多个支撑件，安装于所述外框架上，向所述永磁转子中心延伸，并支撑所述永磁转子；多个线圈，一一对应的套设于所述支撑件外。

[0013] 在其中一个实施例中，所述外框架包括中环以及分别设置于所述中环两侧的第一支撑架与第二支撑架，所述永磁转子位于所述第一支撑架与第二支撑架之间。

[0014] 在其中一个实施例中，所述第一支撑架、第二支撑架以及中环均由多块支撑板构成，每块支撑板中部均设置有支撑件。

[0015] 在其中一个实施例中，所述支撑板中部开设有通孔，所述支撑件穿过所述通孔并固定于所述外框架上。

[0016] 在其中一个实施例中，所述支撑件与所述永磁转子接触的一端设置有万向球轴承，所述万向球轴承抵接于所述永磁转子。

附图说明

[0017] 图1为本发明提供的正八面体转化为球面结构的变化图；

[0018] 图2为本发明提供的截半正六面体转化为球面结构的变化图；

[0019] 图3为本发明提供的截半正十二面体转化为球面结构的变化图；

[0020] 图4为本发明提供的截顶正四面体转化为球面结构的变化图；

[0021] 图5为本发明提供的截半正六面体对应的结构的球形Halbach阵列；

[0022] 图6为本发明提供的截半正六面体对应的结构的传统N、S极交错排布球形阵列；

[0023] 图7为本发明提供的球形Halbach阵列磁路及磁势分析结果；

[0024] 图8为本发明提供的传统N、S极交错排布球形阵列磁路及磁势分析结果；

[0025] 图9为本发明提供的球形Halbach阵列球壳外侧1mm处磁感应强度；

[0026] 图10为本发明提供的球形Halbach阵列球壳内侧1mm处磁感应强度；

[0027] 图11为本发明提供的传统N、S极交错永磁体阵列球壳外侧1mm处磁感应强度；

[0028] 图12为本发明提供的传统N、S极交错永磁体阵列球壳内侧1mm处磁感应强度；

[0029] 图13为本发明提供的球形Halbach阵列在赤道截面处磁感应强度,其中A为球壳边界，B为有限元分析边界；

[0030] 图14为本发明提供的传统N、S极交错排布球形阵列赤道截面处磁感应强度，其中A为球壳边界，B为有限元分析边界；

[0031] 图15为本发明提供的球形Halbach阵列赤道处球壳内外侧磁感应强度；

[0032] 图16为本发明提供的传统N、S极交错排布球形赤道处球壳内外侧磁感应强度；

[0033] 图17为本发明提供的一种永磁转子的立体图；

[0034] 图18为本发明提供的一种球形电机的立体图；

[0035] 图19为本发明提供的一种球形电机的部分结构爆炸图；

[0036] 图20为本发明提供的一种球形电机的爆炸图。

[0037] 图中，球形电机100、永磁转子110、第一正多边形弧块111、第二正多边形弧块112、外框架120、中环121、第一支撑架122、第二支撑架123、支撑件130、万向球轴承131、线圈140。

具体实施方式

[0038] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0039] 需要说明的是，当组件被称为“装设于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

[0040] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

[0041] 球形电机在现代工业中得到越来越多应用，例如在航空航天领域以及机器人领域等，球形电机一般由球形的转子以及定子构成，通过动量交换的方式输出能量，转子采用非导磁材料的中空球体，定子由球形支架，固定于支架上的铁磁线圈组成，而球形电机的发展很大程度上取决于永磁转子的发展，永磁转子依靠其本身所具有的磁场与定子的铁磁线圈配合，从而能够在定子的控制下进行多方向的转动，永磁转子的磁性大小会影响电机的控制稳定性。

[0042] 本发明提供了一种永磁转子110，相比于传统的N、S极交错排布的永磁体，其外表面具有更大的磁场强度。

[0043] 具体的，所述永磁转子110为呈球形的壳体，所述永磁转子110包括多块第一正多边形弧块111以及环绕所述第一正多边形弧块111设置的多块第二正多边形弧块112，所述第一正多边形弧块111以永磁转子110的球心为中心呈球对称分布，所述第一正多边形弧块111的充磁方向为径向，每个所述第二正多边形弧块112的充磁方向垂直于第一正多边形弧块111与所述第二正多边形弧块112的共用面。

[0044] 具体的，所述第二正多边形弧块112环绕第一正多边形弧块111设置，每个第一正多边形弧块111与环绕其设置的第二正多边形弧块112构成一个磁场单元，所述磁场单元在球面内呈球对称分布。

[0045] 需要说明的是，在球形电机100的工作中主要依靠永磁转子110外部的磁场，而其内部的磁场则不会被使用，故通过牺牲内部磁场强度增强外部磁场强度，以提高永磁转子110的磁场利用效率，进一步提高可控性。

[0046] 永磁转子110的磁场为便于控制，应使磁场集中的区域在球面上呈球对称的方式分布，即在球面内，所述多个磁场集中区域应当均匀分布，使得电磁线圈140能够有效的对永磁转子110进行控制，当永磁转子110向某一方向旋转某一小于360度的角度后，其磁场分布将和原位置重叠。

[0047] 优选的，所述正多边形弧块由内切于所述永磁转子110外表面的正多面体或截正多面体上的面投影至本体表面后划分形成，或者由内切于所述本体表面的正多面体或截正多面体上的面投影至本体表面后进一步划分形成。

[0048] 值得一提的是，截正多面体为将正多面体的顶角截去，使截去多面体后的多面体的各顶点仍在同一个外接圆上，我们称该截去顶角后的多面体为截正多面体。

[0049] 在一实施例中，所述第一正多边形弧块111沿径向且向外充磁，所述第二正多边形弧块112沿垂直且朝向共用面方向充磁。

[0050] 在另一实施例中，所述第一正多边形弧块111沿径向且向内充磁，所述第二正多边形弧块112沿垂直且背向共用面方向充磁。

[0051] 值得一提的是，当所述永磁转子110由多块正多边形弧块构成时，可在永磁转子110内设置支撑结构以固定多块正多边形弧块，例如，框架结构，并将所述多块正多边形弧块固定在所述框架结构上构成完整的球面。

[0052] 另外，所述第二正多边形弧块112垂直共用面方向充磁也可以理解为相切于壳体外表面并垂直于公共边方向充磁，即所述永磁转子的中心位于所述共用面内。

[0053] 需要说明的是，Halbach永磁体阵列作为一种永磁体排布方式，因其具有良好的自屏蔽作用以及可以获得单边增强磁场而受到了广泛的关注与应用。但目前对其研究主还停留在直线、圆环以及管状阵列的应用上。随着拥有三自由度的球形电机的发展得到重视，提出一种可以用于球形电机永磁转子的Halbach球面阵列变得十分有必要。

[0054] 理想化的Halbach阵列磁化方向应该是连续变化的，即磁场载体为一个整体，但因加工技术的限制，只能通过离散化的永磁体的阵列来近似实现这种特点。

[0055] 由于要求球形Halbach阵列的结构以及其产生的磁场能够实现球对称，下文列举四种正多面体以及其衍生的截正多面体投影到外接球面的方式来得到离散化的永磁体的形状，并通过特定的磁化方向来实现球形Halbach永磁体阵列。考虑到各个永磁体磁化方向之间的关系，对某些正多面体以及其衍生的截正多面体表面进行特定的切分，随后将其投影到外接球面上以得到各个永磁体表面的形状。最后通过特定的磁化方向来实现球形Halbach阵列。最终得到的球形Halbach结构是具有一定厚度的球壳。

[0056] 如图1所示为正八面体转化为球面结构的变化图，图2为截半正六面体转化为球面结构的变化图，如图3所示为截半正十二面体转化为球面结构的变化图，如图4所示为截顶正四面体转化为球面结构的变化图。

[0057] 由图1至图4的变化图可以看出，通过将正多面体转化为球形结构，并进一步进行分割，从而使球面上具有均匀分布的弧块，对该弧块进行特定方向的充磁从而获得球形的永磁转子。

[0058] 当然，上述的球形转子设计方式仅为一种优选，所列举的正多面体也仅是一种示例，本领域技术人员在理解其实质后在无需付出创造性劳动的情况下，能够设计出更多的衍生结构，该衍生结构均在本申请保护范围内。

[0059] 另外，通过在球壳上进行选择性的裁切，获得弧块并进行充磁，而后以拼接的方式设置到球形框架上，形成在球面上均匀分布的磁场集中区域也能够获得本发明所述的永磁转子。

[0060] 需要说明的是，本发明所述的永磁转子的设置方式相较于传统的N、S极交错排布的永磁体球形阵列在球壳表面能够形成更强的磁场。

[0061] 在此设置一组对照实验使用有限元分析方法来验证本申请的球形磁场设置方式相比于传统N、S极交错排布的永磁体所具有的优点。

[0062] 为了与传统的N、S极交错排布的永磁体球形阵列进行对比分析，本节对相同结构的永磁体采取不同的磁化方向，且磁化强度均保持一致。该永磁体组成的球壳内径均为40mm，外径均为50mm。每块永磁体均设置其剩磁Br为2T。图5所示为本申请中提出的一种球形Halbach阵列的磁化方向。图6所示为传统的N、S极交错排布的永磁体球形阵列的磁化方向。图中⊙符号表示该块永磁体磁化方向平行于中心点径向向外，符号×表示该块永磁体磁化方向平行于中心点径向向内。

[0063] 按照图5和6所示，在有限元分析软件COMSOL Multiphysics 5.3中进行建模分析。磁路以及磁势分析结果如图7和8所示。由图中可以看出两种磁化方式最终N极以及S极的个数一致。

[0064] 对于电机来说，气隙为能量交换的主要场所，因此气隙的磁感应强度对电机性能尤为重要。由于本申请提出的球形Halbach阵列主要应用是作为电机的球形转子，因此对球形Halbach阵列以及传统N、S极交错排布永磁体球形阵列球壳内外侧1mm处磁感应强度进行分析。分析结果见图9至12。

[0065] 由图9至12可见，球壳内外侧的磁感应强度B分布呈球对称结构。因此为了便于直观比较，取赤道处截面对磁感应强度进行分析，如图13和14所示。图中最外侧为有限元分析所设定的边界。由图可以看出，球形Halbach阵列永磁体球壳外的磁感应强度要明显高于球壳内，且球形Halbach阵列永磁体的平均磁感应强度要大于传统N、S极交错的球形阵列的平均磁感应强度。

[0066] 为了进一步进行定量比较分析，对赤道处球壳外侧1mm处以及球壳内侧1mm处的磁感应强度进行量化分析，两种阵列的分析结果如图15和16所示。

[0067] 由图15和16可以看出，球形Halbach永磁体阵列球壳外侧的磁感应强度一直高于球壳内侧的磁感应强度；而传统N、S极交错排布的永磁体球形阵列球壳外侧的磁感应强度要低于球壳内侧。由于对于球电机来说，球壳内测的磁场无法得到利用，所以球形Halbach永磁体阵列的磁场利用率要高于传统N、S极交错排布的永磁体球形阵列。

[0068] 且就磁感应强度大小来说，通过MATLAB计算得到球形Halbach永磁体阵列赤道处球壳外侧1mm处平均磁感应强度为1.14T，最大磁感应强度为2.26T；传统N、S极交错排布的永磁体球形阵列赤道处球壳外侧1mm处平均磁感应强度为0.36T，最大磁感应强度为0.72T。即球形Halbach永磁体阵列赤道处球壳外侧1mm处平均磁感应强度是传统N、S极交错排布的永磁体球形阵列的3.2倍，最大磁感应强度为3.1倍。

[0069] 由此可以看到球形Halbach阵列相比传统N、S极交错排布的永磁体球形阵列具有较大的优势。

[0070] 本发明还提供一种球形电机100，该电机通过动量交换的方式输出能量。

[0071] 具体的，所述球形电机100包括外框架120、多个支撑件130、多个线圈140以及前述的任意一种永磁转子110，所述永磁转子110设置于所述外框架120内；并位于所述外框架120中心处并可在外框架120内转动，多个所述支撑件130安装于所述外框架120上，且向所述永磁转子110中心延伸，并支撑所述永磁转子110，多个所述线圈140一一对应的套设于所述支撑件130外。

[0072] 可以理解的是，所述外框架120用于安装所述支撑件130，所述线圈140缠绕于所述支撑件130外，通过控制所述线圈140的电流从而控制所述永磁转子110的旋转。

[0073] 优选的，所述外框架120包括中环121以及分别设置于所述中环121两侧的第一支撑架122与第二支撑架123，所述永磁转子110位于所述第一支撑架122与第二支撑架123之间。如此设置，便于永磁转子110的安装与拆卸，具体而言，通过拆除一侧的支撑架即可拆下永磁转子110。

[0074] 在本实施例中，所述第一支撑架122与第二支撑架123均具有四个支撑臂，所述四个支撑臂分别连接于所述中环121上。可以理解的是，所述四个支撑臂均匀设置，相邻两个支撑臂之间呈90度分布。

[0075] 优选的，所述第一支撑架122、第二支撑架123以及中环121均由多块支撑板构成，每块支撑板中部均设置有支撑件130。如此设置，通过支撑板平面与支撑件的校正，便于精确的控制所述支撑件130的延伸方向，从而便于控制所述永磁转子110的旋转。

[0076] 优选的，所述支撑板中部开设有通孔，所述支撑件130穿过所述通孔并固定于所述外框架120上。

[0077] 优选的，所述支撑件130与所述永磁转子110接触的一端设置有万向球轴承131，所述万向球轴承131抵接于所述永磁转子110。

[0078] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

[0079] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。