球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機及其制造方法、工作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機及其制造方法、工作方法，該電機包括由永磁體制成的定子本體，永磁體被磁化形成多個磁極，定子本體內(nèi)設(shè)有轉(zhuǎn)子本體，轉(zhuǎn)子本體具有多層電樞，相鄰的兩層電樞之間設(shè)有間隔層，多層電樞以及多層間隔層通過螺栓固定連接，螺栓與轉(zhuǎn)子軸連接，且轉(zhuǎn)子本體呈球狀，電樞的轉(zhuǎn)子鐵芯上繞制有第一層線圈，第一層線圈繞制在同一層電樞的轉(zhuǎn)子鐵芯上。本發(fā)明還提供上述電機的制造方法及工作方法。本發(fā)明的電機可以實現(xiàn)多個方向的轉(zhuǎn)動，包括繞Z軸旋轉(zhuǎn)以及相對于Z軸傾斜地轉(zhuǎn)動。本發(fā)明的球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機按供氣方式分為帶有氣泵組件機構(gòu)與不帶有氣泵組件結(jié)構(gòu)，將廣泛應(yīng)用在智能型仿生機械人上作為關(guān)節(jié)部件使用。
【專利說明】球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機及其制造方法、工作方法
[0001]本發(fā)明是基于2011年5月3日向臺灣智慧財產(chǎn)局遞交的申請?zhí)枮?00115399的發(fā)明專利申請第8頁、第9頁的內(nèi)容以及圖22至圖27的共6張圖的內(nèi)容提出的申請，其中圖 22 為 9b_joints ball-motor 有栗座結(jié)構(gòu)，圖 23 為 9b_joints ball-motor 無栗座結(jié)構(gòu)，圖24為joint ball轉(zhuǎn)子體，圖25為9b_joints ball-motor無栗座結(jié)構(gòu)，圖26為jointball轉(zhuǎn)子體，圖27為永磁體立體圖示。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及電機領(lǐng)域，尤其是涉及一種三維球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機以及這種電機的制造方法、這種電機的工作方法。
【背景技術(shù)】
[0003]現(xiàn)代人們生活使用的電器產(chǎn)品大多設(shè)有電機，電機也廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)制造、軍事設(shè)備上，現(xiàn)有的電機具有定子以及轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子軸安裝在轉(zhuǎn)子中并隨轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，并由此輸出動力。由于現(xiàn)有的電機的轉(zhuǎn)子軸只能繞電機的軸線旋轉(zhuǎn)，因此可以稱為平面電機，即電機的轉(zhuǎn)子軸的運動只有一個自由度。
[0004]參見圖1,現(xiàn)有的一些電機具有殼體10以及位于殼體10兩端的端蓋11、12,殼體10以及端蓋11、12圍成一個腔體，腔體內(nèi)安裝有定子15以及轉(zhuǎn)子18，定子15具有定子鐵芯16以及繞制在定子鐵芯16上的線圈17。轉(zhuǎn)子18安裝在定子15內(nèi)，并可相對于定子15旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子軸19安裝在轉(zhuǎn)子18內(nèi)，且與轉(zhuǎn)子18過盈配合，轉(zhuǎn)子軸19在轉(zhuǎn)子18的帶動下旋轉(zhuǎn)，從而向外輸出動力。
[0005]定子鐵芯16通常由多片形狀相同的定子沖片疊壓而成，參見圖2，定子沖片20由硅鋼板材沖壓而成，其大致呈圓環(huán)狀，并具有位于外周緣的軛部21，且軛部21呈圓環(huán)狀。定子沖片20還設(shè)有自軛部21沿定子沖片20的徑向向定子沖片20的中部延伸的多個齒22，相鄰的兩個齒22之間形成一個繞線槽23，線圈繞制在齒22上。
[0006]并且，定子沖片20的中部設(shè)置一個中空的內(nèi)圓孔24，多片定子沖片20疊壓形成定子鐵芯16后，定子沖片20的內(nèi)圓孔24形成轉(zhuǎn)子孔，轉(zhuǎn)子安裝到轉(zhuǎn)子孔內(nèi)。
[0007]轉(zhuǎn)子鐵芯也由轉(zhuǎn)子沖片疊壓而成，轉(zhuǎn)子鐵芯上可以繞制轉(zhuǎn)子線圈或者在轉(zhuǎn)子鐵芯上鑄鋁形成轉(zhuǎn)子18。定子線圈17通電后，交流電在定子線圈17內(nèi)形成交變的磁場，轉(zhuǎn)子18在交變的磁場推動下旋轉(zhuǎn)，從而帶動轉(zhuǎn)子軸19旋轉(zhuǎn)。因此，定子15為電機的電樞，其接收電能并產(chǎn)生交變的磁場。
[0008]然而，現(xiàn)有的電器設(shè)備、工業(yè)裝置等需要部件能夠做多個自由度的運動，由于現(xiàn)有的電機只能做一個自由度的運動，不能滿足現(xiàn)有電器設(shè)備等的應(yīng)用需求?，F(xiàn)在做多個自由度運動的設(shè)備通常由多個電機驅(qū)動，每一個電機驅(qū)動設(shè)備做一個自由度運動，這導(dǎo)致設(shè)備使用的電機數(shù)量較多、體積較大，也導(dǎo)致設(shè)備的生產(chǎn)成本較高。
[0009]另外，一旦多個電機中的一個運行出現(xiàn)問題，則影響設(shè)備的運行，設(shè)備的工作穩(wěn)定性較差。并且，多個電機的相互配合工作，需要對多個電機進行精確的控制，對系統(tǒng)的控制要求很高，這對設(shè)備的控制提出了很高的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的主要目的是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)多個自由度運動的球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機。
[0011]本發(fā)明的另一目的是提供一種制造上述的球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機的方法。
[0012]本發(fā)明的再一目的是提供一種上述球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機的工作方法。
[0013]為實現(xiàn)本發(fā)明的主要目的，本發(fā)明提供的球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機具有球缺狀的定子本體，定子本體由永磁體制成，永磁體被磁化形成多個磁極，還具有位于定子本體內(nèi)的轉(zhuǎn)子本體，轉(zhuǎn)子本體具有多層電樞，每一層電樞具有由多層娃鋼片疊壓而成的轉(zhuǎn)子鐵芯，多層電樞在轉(zhuǎn)子本體上沿軸向?qū)ΨQ布置，相鄰的兩層電樞之間設(shè)有間隔層，多層電樞以及多層間隔層通過螺栓固定連接，螺栓與轉(zhuǎn)子軸連接，且轉(zhuǎn)子本體呈球狀，每一層電樞的轉(zhuǎn)子鐵芯上繞制有第一層線圈，第一層線圈繞制在同一層電樞的轉(zhuǎn)子鐵芯上，每一層電樞的轉(zhuǎn)子鐵芯上繞制有第二層線圈，第二層線圈與所在電樞的對稱的另一電樞的第二層線圈電連接。
[0014]由上述方案可見，球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機的定子本體為球缺狀，且轉(zhuǎn)子本體上設(shè)置多層電樞，每一層電樞的第一層線圈繞制在該電樞上，線圈通電后在同一層電樞上形成交變的磁場，從而推動轉(zhuǎn)子本體繞螺栓旋轉(zhuǎn)。由于每一層電樞上的第二次線圈均與對稱的另一層電樞上的線圈電連接，因此第二層線圈通電后使轉(zhuǎn)子本體相對于定子本體的軸線發(fā)生傾斜，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)子本體在第二個自由度上的運動。隨著流經(jīng)第二層線圈的電流大小以及通電時間的改變，可以改變轉(zhuǎn)子本體的傾斜角度，進而改變轉(zhuǎn)子本體的傾斜角度，實現(xiàn)電機多個自由度的運動。
[0015]一個優(yōu)選的方案是，螺栓的兩端分別設(shè)有一個圓臺狀螺帽，螺帽靠近轉(zhuǎn)子本體中心的一端橫截面面積小于遠離轉(zhuǎn)子本體中心一端的橫截面面積。
[0016]由此可見，通過螺栓與圓臺狀的螺帽將多層電樞的轉(zhuǎn)子鐵芯與間隔層固定，通過圓臺狀的螺帽能夠?qū)⑽挥谧钔鈱拥膬蓪与姌泄潭?，確保轉(zhuǎn)子本體的多層電樞連接牢靠。
[0017]進一步的方案是，定子本體外設(shè)有外殼，殼體具有磁軛以及位于磁軛外的屏蔽層。
[0018]可見，定子本體通過磁軛實現(xiàn)磁場的傳導(dǎo)，而屏蔽層可以將外部的干擾信號屏蔽，避免外部的磁場對球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機造成影響。
[0019]更進一步的方案是，外殼上設(shè)有進氣口，進氣口外設(shè)有氣泵組件。這樣，氣泵組件將高壓的空氣注入到定子本體與轉(zhuǎn)子本體之間，使定子本體與轉(zhuǎn)子本體之間形成磁隙，以便于轉(zhuǎn)子本體相對于定子本體旋轉(zhuǎn)。
[0020]更進一步的方案是，外殼靠近定子本體的缺口處設(shè)有環(huán)狀的凸起，凸起在外殼的外壁上沿轉(zhuǎn)子本體的周向延伸。
[0021]可見，通過設(shè)置在外殼上的凸起加強外殼的強度，避免外殼受外力作用發(fā)生變形。
[0022]為實現(xiàn)本發(fā)明的另一目的，本發(fā)明提供的球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機的制造方法包括將球缺狀的永磁體磁化形成多個磁極，制成定子本體；將硅鋼板材切割制成多片直徑不相等的硅鋼片，將硅鋼片疊壓形成多層電樞，使用螺栓穿過并固定多層電樞，相鄰的兩層電樞之間設(shè)有間隔層，在每一層電樞的轉(zhuǎn)子鐵芯上繞制第一層線圈，第一層線圈繞制在同一層電樞的轉(zhuǎn)子鐵芯上，在每一層電樞的轉(zhuǎn)子鐵芯上繞制第二層線圈，第二層線圈與所在電樞對稱的另一電樞的第二層線圈電連接，制成球狀的轉(zhuǎn)子本體，將轉(zhuǎn)子本體裝入定子本體內(nèi)。[0023]由上述方案可見，將電機的定子本體加工成球缺狀,且將轉(zhuǎn)子本體加工成球形,每一層電樞上的第一層線圈通電后產(chǎn)生的交變磁場可以推動轉(zhuǎn)子本體繞螺栓的軸線旋轉(zhuǎn)，第二層線圈通電后可以使轉(zhuǎn)子本體相對于定子本體的軸線發(fā)生傾斜，從而實現(xiàn)電機的多個自由度的運行。
[0024]—個優(yōu)選的方案是，使用螺栓將電樞固定后，對電樞的外表面進行精加工處理，使多層電樞的外表面接近于球面。
[0025]由此可見，將多層電樞的外表面加工成接近于球面的形狀，更利于轉(zhuǎn)子本體在定子本體內(nèi)旋轉(zhuǎn)，可以確保轉(zhuǎn)子本體在定子本體內(nèi)順暢地轉(zhuǎn)動。
[0026]為實現(xiàn)上述的再一目的，本發(fā)明提供的上述球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機的工作方法包括向第一層線圈通電使轉(zhuǎn)子本體繞螺栓的軸線旋轉(zhuǎn)，向第二層線圈通電使轉(zhuǎn)子本體相對于定子本體的軸線傾斜地轉(zhuǎn)動。
[0027]由上述方案可見，通過向第一層線圈以及第二層線圈通電，轉(zhuǎn)子本體不但可以繞螺栓的軸線旋轉(zhuǎn)，還可以相對于定子本體的軸線傾斜地轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)電機多個自由度的運動。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是現(xiàn)有電機的剖視圖。
[0029]圖2是現(xiàn)有一種定子沖片的結(jié)構(gòu)放大圖。
[0030]圖3是本發(fā)明球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機第一實施例的結(jié)構(gòu)圖。
[0031]圖4是本發(fā)明球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機第一實施例的結(jié)構(gòu)分解圖。
[0032]圖5是本發(fā)明球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機第一實施例的剖視圖。
[0033]圖6是圖5中A-A向的剖視圖。
[0034]圖7是本發(fā)明球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機第一實施例中定子本體與外殼縮小了的結(jié)構(gòu)分解圖。
[0035]圖8是本發(fā)明球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機第一實施例中轉(zhuǎn)子本體的結(jié)構(gòu)放大圖。
[0036]圖9是本發(fā)明球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機第一實施例中轉(zhuǎn)子本體的結(jié)構(gòu)分解放大圖。
[0037]圖10是本發(fā)明球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機第一實施例中螺栓與螺帽的結(jié)構(gòu)分解放大圖。
[0038]圖11是本發(fā)明球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機第一實施例中轉(zhuǎn)子本體一層電樞的轉(zhuǎn)子鐵芯與一層間隔層的結(jié)構(gòu)放大圖。
[0039]圖12是本發(fā)明球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機第一實施例中轉(zhuǎn)子本體另一視角的結(jié)構(gòu)圖。
[0040]圖13是本發(fā)明球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機第一實施例中一片硅鋼片的結(jié)構(gòu)圖。
[0041]圖14是本發(fā)明球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機第一實施例中轉(zhuǎn)子本體一層電樞上繞制的第一層線圈的展開圖。
[0042]圖15是本發(fā)明球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機第一實施例中轉(zhuǎn)子本體對稱兩層電樞上繞制的第二層線圈的展開圖。
[0043]圖16是本發(fā)明球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機第一實施例的一個控制電路原理圖。
[0044]圖17是本發(fā)明球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機第一實施例電樞的第一層線圈的控制電路原理圖。
[0045]圖18是本發(fā)明球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機第一實施例電樞的第二層線圈的控制電路原理圖。
[0046]圖19是本發(fā)明球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機第二實施例的結(jié)構(gòu)圖。
[0047]圖20是本發(fā)明球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機第二實施例的剖視圖。
[0048]圖21是本發(fā)明球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機第二實施例的結(jié)構(gòu)分解圖。
[0049]圖22是本發(fā)明球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機第一實施例與第二實施例的對比圖。
[0050]圖23是應(yīng)用本發(fā)明球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機第二實施例的平衡回轉(zhuǎn)體的結(jié)構(gòu)圖。
[0051]圖24是應(yīng)用本發(fā)明球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機第二實施例的平衡回轉(zhuǎn)體的Y型座的結(jié)構(gòu)圖。
[0052]圖25是應(yīng)用本發(fā)明球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機第二實施例的平衡回轉(zhuǎn)體的底座的結(jié)構(gòu)圖。
[0053]以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明。
【具體實施方式】
[0054]本發(fā)明的電機為球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機，按供氣方式可以分為帶有氣泵組件結(jié)構(gòu)與不帶有氣泵組件的結(jié)構(gòu)，下面通過兩個實施例分別說明帶有氣泵組件結(jié)構(gòu)與不帶有氣泵組件的結(jié)構(gòu)。
[0055]第一實施例:
參見圖3，本實施例具有一個大致呈球缺狀的外殼31，轉(zhuǎn)子本體裝在外殼31內(nèi)，且轉(zhuǎn)子本體為球狀，可以相對于外殼31進行多個方向運動。因此，本發(fā)明的電機有別于傳動的平面電機，本發(fā)明的電機能夠?qū)崿F(xiàn)多個自由度的運動，可以稱為三維電機。
[0056]參見圖4與圖5，本發(fā)明的電機具有一個球缺狀的定子本體30，定子本體30由永磁體制成，且被磁化成多個磁極。實際應(yīng)用時，可以根據(jù)需要將永磁體磁化成八極或者十六極。并且,定子本體30不一定為一個完整的永磁體，可以由多塊永磁體拼接而成，且每一塊永磁體被磁化成相應(yīng)的磁極，這樣可以方便地實現(xiàn)永磁體的磁化，也方便定子本體30的制造。
[0057]如圖5與圖6所示，定子本體30的多個磁極在不同平面的圓周方向上均是間隔布置的，這有利于轉(zhuǎn)子本體在不同的方向上運動，包括繞轉(zhuǎn)子本體的軸線旋轉(zhuǎn)或者傾斜。
[0058]定子本體30外套裝有外殼31，外殼31大致呈球缺狀，其包括導(dǎo)磁材料制成的磁軛32以及位于內(nèi)層外的屏蔽層33，磁軛32位于定子本體30外，定子本體30的外壁可以通過粘接劑等粘接在磁軛32的內(nèi)壁上，從而實現(xiàn)定子本體30與外殼31的固定連接。
[0059]屏蔽層33由鋁或者鋁合金等材料制成，用于屏蔽并吸收外部的磁場，避免外部的磁場對轉(zhuǎn)子本體造成影響，也避免轉(zhuǎn)子本體形成的磁場對外部的設(shè)備造成磁場干擾。屏蔽層33可以通過二次注塑的方式形成在磁軛32上，因此屏蔽層33與磁軛32固定連接。
[0060]參見圖7，為了便于外殼31與定子本體30的制造、組裝，外殼31以及定子本體30由兩個半球缺狀的殼體35、36構(gòu)成，殼體36的邊緣處設(shè)有自殼體36的邊緣沿殼體36的徑向向外延伸的板體37，板體37上設(shè)有多個通孔38，且板體37的上端設(shè)有半圓柱狀體39。
[0061]相對應(yīng)地，殼體35的邊緣處也設(shè)有板體40，板體40上設(shè)有多個凸柱41，且板體37的上端設(shè)有半圓柱狀體42。殼體35與殼體36對接后，板體37與板體40對接，凸柱41插入到通孔38內(nèi)，從而實現(xiàn)殼體35與殼體36的固定連接。并且，兩個半圓柱狀體39、42對接后形成進氣口 45，外部的空氣可以通過進氣口 45流進外殼31內(nèi)。
[0062]回看圖4與圖5，進氣口 45的上方設(shè)有氣泵固定座47，氣泵固定座47內(nèi)安裝有氣泵組件50，氣泵組件50的一端設(shè)有進氣口 51，且氣泵組件50的下端與進氣口 45連通。空氣從進氣口 51流進氣泵組件50后，經(jīng)過氣泵組件50的壓縮形成高壓空氣，并從進氣口 45流進外殼31內(nèi)。
[0063]氣泵組件50的上方還設(shè)有十字軸鎖緊環(huán)53，用于將氣泵組件50固定在外殼31上。并且，十字軸鎖緊環(huán)53通過多個螺釘54固定在氣泵固定座47上。
[0064]外殼31靠近定子本體30的缺口處設(shè)有環(huán)狀的凸起55，凸起55在外殼31的外壁上沿定子本體30的周向延伸。這樣，通過凸起55可以增加外殼31在定子本體30的缺口處的強度，避免外殼31的損壞，延長電機的使用壽命。
[0065]定子本體30內(nèi)裝有球狀的轉(zhuǎn)子本體60，參見圖8與圖9，轉(zhuǎn)子本體60具有多層電樞，每一層電樞包括轉(zhuǎn)子鐵芯61，轉(zhuǎn)子鐵芯61由多層硅鋼片疊壓而成，且相鄰的兩層轉(zhuǎn)子鐵芯61之間設(shè)有間隔層68。多層電樞的轉(zhuǎn)子鐵芯61沿轉(zhuǎn)子本體60的軸向?qū)ΨQ布置，如圖12所示的，本實施例的轉(zhuǎn)子本體60具有八層電樞，八層電樞對應(yīng)的轉(zhuǎn)子鐵芯分別是D1、C1、B1、A1、A2、B2、C2、D2，其中Al與A2對稱設(shè)置，BI與B2對稱設(shè)置，Cl與C2對稱設(shè)置，Dl與D2對稱設(shè)置，相互對稱的兩個轉(zhuǎn)子鐵芯大小相同。并且，多層電樞層的轉(zhuǎn)子鐵芯61的直徑自轉(zhuǎn)子本體60的中心向兩端逐漸遞減。
[0066]參見圖11,每一層電樞的轉(zhuǎn)子鐵芯61的多層娃鋼片62的直徑不相等,從圖12可見，每一層電樞的轉(zhuǎn)子鐵芯61的多層硅鋼片62的直徑是自轉(zhuǎn)子本體60的中心向兩側(cè)逐漸遞減，因此轉(zhuǎn)子本體60大致呈球形。
[0067]參見圖13，轉(zhuǎn)子鐵芯61的每一片硅鋼片62大致呈圓環(huán)狀，其中部設(shè)有圓形的通孔64，多片硅鋼片62疊壓形成轉(zhuǎn)子鐵芯61后，通孔64形成螺栓孔。位于通孔64外側(cè)的是硅鋼片62的軛部63，軛部63外沿硅鋼片62的周向上設(shè)有多個繞線槽65，每一個繞線槽65的槽口均朝外設(shè)置。軛部63上還設(shè)有多個定位孔66，疊壓形成轉(zhuǎn)子鐵芯61后可以使用銷釘?shù)却┻^定位孔66以固定多層硅鋼片62。
[0068]位于兩側(cè)轉(zhuǎn)子鐵芯61之間的間隔層68也是由多層硅鋼片疊壓而成，間隔層68的硅鋼片的直徑小于轉(zhuǎn)子鐵芯61的硅鋼片62，且間隔層68的硅鋼片中部也設(shè)有通孔，但間隔層68的硅鋼片不設(shè)置繞線槽，因此間隔層68上并不繞制線圈。
[0069]從圖8可見，多層轉(zhuǎn)子鐵芯61與多層間隔層68由螺栓70固定，參見圖10，螺栓70包括一根圓柱形的螺桿71，螺桿71的兩端外壁上設(shè)有外螺紋(圖10中未示)，且螺桿71的中部具有貫穿螺桿71兩端的通孔72。螺桿71的兩端分別設(shè)有一個螺帽73、75，每一個螺帽73、75均為圓臺狀，且螺帽73、75的橫截面積自轉(zhuǎn)子本體60的中心向外逐漸增大，因此螺帽73、75靠近轉(zhuǎn)子本體60 —端的橫截面積小于遠離轉(zhuǎn)子本體60 —端的橫截面積。
[0070]并且，每一個螺帽73、75內(nèi)壁上分別設(shè)有內(nèi)螺紋，內(nèi)螺紋與螺桿71兩端的外螺紋配合，由此可以將螺帽73、75固定在螺桿71的兩端。每一個螺帽73、75上也設(shè)有貫穿螺帽73,75上下兩個表面的通孔74、76，這樣，螺栓70具有一個貫穿其軸向兩個表面的通孔。
[0071]轉(zhuǎn)子本體60的多層轉(zhuǎn)子鐵芯61以及間隔層68通過螺栓70固定，螺栓70穿過每一層電樞的轉(zhuǎn)子鐵芯61以及間隔層68中部的螺栓孔。由于螺栓70的兩個螺帽73、75為圓臺狀，組裝轉(zhuǎn)子本體60時，將每一層電樞的轉(zhuǎn)子鐵芯61以及間隔層68套裝到螺桿71外后，將螺帽73、75分別旋入螺桿71的兩端，即可以將多層轉(zhuǎn)子鐵芯61固定在螺栓70上，并實現(xiàn)多層轉(zhuǎn)子鐵芯61的自鎖。
[0072]當(dāng)然，如果每一層轉(zhuǎn)子鐵芯61的直徑較大，即每一層轉(zhuǎn)子鐵芯61的面積較大時，可以使用多根固定軸穿過多層轉(zhuǎn)子鐵芯61以及間隔層68以將多層轉(zhuǎn)子鐵芯61固定。
[0073]每一層電樞的轉(zhuǎn)子鐵芯61上繞制有兩層線圈,第一層線圈繞制在同一層電樞的轉(zhuǎn)子鐵芯61的繞線槽內(nèi)。參見圖14，本實施例的轉(zhuǎn)子鐵芯61采用二十四槽八極的繞線方式，轉(zhuǎn)子鐵芯61上一共繞制有24個線圈，第一個線圈繞制在I槽與3槽之間，第二個線圈繞制在2槽與4槽之間，第三個線圈繞制在3槽與5槽之間，如此類推，即每一個線圈繞制在間隔一個槽的兩個槽之間。并且，繞制在I槽與3槽之間的線圈跟繞制在13槽與15槽之間的線圈連接，如此類推。第一層線圈的繞制方式與現(xiàn)有的普通異步交流電機的繞線方式相同。
[0074]這樣，當(dāng)八層電樞上的第一層線圈通電后，每一層電樞的線圈形成旋轉(zhuǎn)的磁場，該磁場相對于定子本體30的磁場旋轉(zhuǎn)，因此轉(zhuǎn)子本體60相對于定子本體30旋轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)子本體60繞螺栓70的軸向旋轉(zhuǎn)。這樣，八層電樞相當(dāng)于八個普通平面電機的轉(zhuǎn)子，球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機以現(xiàn)有的普通電機工作方式工作。
[0075]八層電樞的轉(zhuǎn)子鐵芯61上還繞制有第二層線圈，如圖15所示，繞制在同一層電樞上的第二層線圈也包括24個線圈，如繞制在電樞Al上的第一個線圈繞制在I槽與3槽之間，第二個線圈繞制在2槽與4槽之間，第三個線圈繞制在3槽與5槽之間，如此類推，即每一個線圈繞制在間隔一個槽的兩個槽之間。
[0076]然而，繞制在電樞Al上的I槽與3槽之間的線圈并不是跟電樞Al上的13槽與15槽之間的線圈電連接，而是跟電樞A2上的13槽與15槽之間的線圈電連接，繞制在電樞AI的4槽與6槽之間的線圈跟電樞A2上的16槽與18槽之間的線圈電連接，如此類推，也就是每一層電樞上的一個線圈與對稱電樞上的另一個線圈電連接。
[0077]這樣，向第二層線圈通電后，兩個對稱的電樞上形成旋轉(zhuǎn)的磁場，且磁場相對于定子本體30的旋轉(zhuǎn)方向并不是繞轉(zhuǎn)子本體60的螺栓70的軸線旋轉(zhuǎn)，而是相對于轉(zhuǎn)子本體60的定子本體30的軸線發(fā)生傾斜。假設(shè)以螺栓70軸線為Z軸，以垂直于Z軸且轉(zhuǎn)子本體60圓心所在的平面為XOY平面，則第一層線圈通電后，轉(zhuǎn)子本體60繞Z軸旋轉(zhuǎn)，第二層線圈通電后，轉(zhuǎn)子本體60相對于Z軸發(fā)生傾斜，實現(xiàn)在XOZ平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動或者在YOZ平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動。
[0078]由于每一層電樞上的第二層線圈均與對稱的電樞上的第二層線圈電連接，每一層電樞上形成的磁場疊加以形成較大的力推動轉(zhuǎn)子本體60的旋轉(zhuǎn)。
[0079]當(dāng)然，線圈的繞制方式可以有多種的變化，例如，在電樞Al、A2上只繞制第一層線圈，在電樞B1、B2上只繞制第二層線圈?；蛘?，電樞A1、A2上的第二層線圈通電時使轉(zhuǎn)子本體60在XOZ平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，而電樞B1、B2上的第二層線圈通電時使轉(zhuǎn)子本體60在YOZ平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，電樞Cl、C2上的第二層線圈通電時使轉(zhuǎn)子本體60在與XOZ平面成45°的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動等，通過向不同的電樞的第二層線圈通電，可以實現(xiàn)球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機在不同的方向上轉(zhuǎn)動。
[0080]由于螺栓70的中部設(shè)有通孔，并且，在每一層間隔層68上開設(shè)沿轉(zhuǎn)子鐵芯61徑向延伸的通孔，即間隔層68的通孔與螺栓70的通孔垂直。這樣，連接不同線圈的連接線可以穿過間隔層68上的通孔以及螺栓70的通孔，連接線不會在轉(zhuǎn)子本體60的表面上飛出，也有利于對連接線的保護。另外，可以在連接線外包裹保護層，如包裹熱縮管等，避免連接線受損。
[0081]回看圖4與圖5，轉(zhuǎn)子本體60的下端設(shè)有轉(zhuǎn)子軸58，轉(zhuǎn)子軸58與螺栓70固定連接，轉(zhuǎn)子本體60旋轉(zhuǎn)時帶動轉(zhuǎn)子軸58旋轉(zhuǎn)，由此向外輸出動力。并且，轉(zhuǎn)子本體60下方還設(shè)有控制信號線管筒56，管筒56為三通筒體，轉(zhuǎn)子本體60上的線圈的電源線、控制信號線等均通過管筒56與外部的電源線、控制芯片等電連接。
[0082]對每一層電樞的第一層線圈的控制電路如圖16所示，第一層線圈的控制電路的電原理如圖17所示，控制芯片向功率管輸出控制信號，如脈沖寬度調(diào)制信號，控制功率管的通斷，外部的電流加載到第一層線圈上實現(xiàn)轉(zhuǎn)子本體60繞Z軸正向旋轉(zhuǎn)或反向旋轉(zhuǎn)。
[0083]對每一層電樞的第二層線圈的控制電路與第一層線圈的控制電路的硬件構(gòu)成相同，第二層線圈的控制電路的電原理如圖18所示，控制芯片也是向功率管輸出控制信號以控制轉(zhuǎn)子本體60在XOZ平面內(nèi)的正向轉(zhuǎn)動或反向轉(zhuǎn)動，或者在YOZ平面內(nèi)的正向轉(zhuǎn)動或者反向轉(zhuǎn)動。
[0084]優(yōu)選地，本實施例的球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機為步進電機，即電機每次運動只旋轉(zhuǎn)一個較小的角度，通過連續(xù)地輸出控制信號，由此實現(xiàn)連續(xù)地向第一層線圈或第二層線圈加載電流，可以實現(xiàn)電機快速地旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)動的角度可以根據(jù)加載的電流的時間長度調(diào)節(jié)，這樣電機可以實現(xiàn)全方向地旋轉(zhuǎn)。
[0085]制造本實施例的球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機時，首先將球缺狀的永磁體磁化形成多個磁極，磁極的數(shù)量根據(jù)實際情況確定。然后，制造電機的外殼，外殼具有兩層，內(nèi)層為導(dǎo)磁材料制成的磁軛，外層為鋁等金屬制成的屏蔽層。然后將定子本體固定在外殼內(nèi)，例如通過膠水等將定子本體的外壁粘接在磁軛的內(nèi)壁上。
[0086]然后，制造電機的轉(zhuǎn)子本體，將硅鋼板材切割成直徑大小不等的多片硅鋼片，每一片硅鋼片的中部具有一個通孔，且硅鋼片的周向上設(shè)有多個繞線槽。然后，將多片硅鋼片疊壓形成轉(zhuǎn)子鐵芯，疊壓轉(zhuǎn)子鐵芯時，需要確保同一個轉(zhuǎn)子鐵芯上的多片硅鋼片的直徑逐漸遞增或逐漸遞減。
[0087]接著，使用硅鋼板材切割形成間隔層的硅鋼片，間隔層的硅鋼片的中部具有通孔，但周向上不設(shè)置繞線槽，間隔層的硅鋼片的直徑小于轉(zhuǎn)子鐵芯的硅鋼片的直徑。然后，使用螺栓穿過多層轉(zhuǎn)子鐵芯以及間隔層，并將螺帽旋入轉(zhuǎn)子鐵芯上，實現(xiàn)多層轉(zhuǎn)子鐵芯的固定。
[0088]接著，使用自動機床對多層轉(zhuǎn)子鐵芯的外表面進行精加工處理，使多層電樞的轉(zhuǎn)子鐵芯的外表面接近于球面。然后，在每一層電樞的轉(zhuǎn)子鐵芯上繞制線圈，每一層電樞上繞制兩層線圈，第一層線圈繞制在同一層電樞上，且同一層電樞上的多個第一層線圈電連接。第二層線圈繞制在電樞上后，將第二層線圈與繞制在該電樞對稱的另一層電樞的第二層線圈電連接。
[0089]最后，將轉(zhuǎn)子本體裝到定子本體內(nèi)，在外殼上安裝氣泵組件等器件，即完成球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機的制造。
[0090]第二實施例:
參見圖19至圖21，本實施例的球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機80具有外殼101，外殼101由兩個半球狀的殼體構(gòu)成，外殼101內(nèi)設(shè)有定子本體102，定子本體102由永磁體經(jīng)過磁化而成，且永磁體被磁化成多個磁極。
[0091]定子本體102內(nèi)裝有轉(zhuǎn)子本體103，與第一實施例的轉(zhuǎn)子本體相同，本實施例的轉(zhuǎn)子本體103也具有多層電樞104構(gòu)成，每一次電樞104具有多層硅鋼片制成的轉(zhuǎn)子鐵芯，且轉(zhuǎn)子鐵芯上繞制有兩層線圈，線圈的繞制方式與第一實施例相同。轉(zhuǎn)子本體103內(nèi)設(shè)有轉(zhuǎn)子軸105，且球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機80的頂部設(shè)有一個進氣口 106，進氣口 106可與外部的氣管連接，高壓空氣可以從外部的氣管流進進氣口 106內(nèi)。
[0092]從圖22可見，本實施例與第一實施例的不同點在于不設(shè)置氣泵組件，因此本發(fā)明的球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機可以分為帶有氣泵組件的結(jié)構(gòu)與不帶有氣泵組件的結(jié)構(gòu)。不帶氣泵組件結(jié)構(gòu)的球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機可以應(yīng)用在機器人上作為關(guān)節(jié)部件，此類結(jié)構(gòu)可以廣泛地應(yīng)用在智能型仿生機械人上作為關(guān)節(jié)部件，如頸椎轉(zhuǎn)動可以實現(xiàn)三維自由度轉(zhuǎn)動，肩膀關(guān)節(jié)部件可以改變過往需要二個電機的狀況，用一個球鉸電機可以實現(xiàn)三個自由度空間轉(zhuǎn)動，那是真正的仿生效果。其他的關(guān)節(jié)部件，如腰椎、盤骨部位、大腿、手腕部位，若使用上述的球鉸電機同樣出現(xiàn)較生動的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)，如動作片“變形金剛”的關(guān)節(jié)全部換成球鉸電機，效果將會是更加生動、活潑、有生氣，實現(xiàn)了機器人肢體的全方位運動。
[0093]本發(fā)明的球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機可以應(yīng)用在各種設(shè)備中，如應(yīng)用在機器人上作為關(guān)節(jié)部件的驅(qū)動電機，從而實現(xiàn)機器人肢體的全方位運動?；蛘撸瑧?yīng)用在軍事的火器裝置上，實現(xiàn)火器的多方位轉(zhuǎn)動。
[0094]參見圖23至圖25，本發(fā)明球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機80應(yīng)用在一種平衡回轉(zhuǎn)體上，平衡回轉(zhuǎn)體具有一個圓形的底座81，底座81上設(shè)置有行星齒輪機構(gòu)82，底座81上設(shè)有一根支撐軸84，支撐軸84與球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機80的轉(zhuǎn)子軸58固定連接，因此球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機80的轉(zhuǎn)子本體60不會相對于底座81發(fā)生運動。
[0095]球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機80的外殼31上固定連接有一塊Y型座90，Y型座90的上方還固定有一塊基板85,機槍等火器可以安裝在基板85上。另外，氣管83的一端連接到底座81上，另一端與球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機80的氣泵組件50的進氣口 51相連。
[0096]球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機80工作時，由于轉(zhuǎn)子本體60固定在支撐軸84上，定子本體30帶動外殼31相對于轉(zhuǎn)子本體60轉(zhuǎn)動,從而帶動基板85轉(zhuǎn)動,并由此帶動機槍等轉(zhuǎn)動,從而實現(xiàn)多個角度的瞄準(zhǔn)。
[0097]當(dāng)然，球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機80除了應(yīng)用在機槍的安裝、固定外，還可以應(yīng)用在導(dǎo)彈等發(fā)射裝置上。
[0098]從上述的方案可見，本發(fā)明的球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機不單可以繞螺栓的軸線旋轉(zhuǎn)，還可以實現(xiàn)多個方向的轉(zhuǎn)動，因此可以稱為三維電機，其可以應(yīng)用在機器人仿生設(shè)備、軍事設(shè)備設(shè)置家用電器設(shè)備上，可以實現(xiàn)三維運動設(shè)備的小型化。
[0099]當(dāng)然，上述實施例僅是本發(fā)明優(yōu)選的實施方式，實際應(yīng)用時可以有更多的改變，例如，電機可以根據(jù)其實際應(yīng)用，制造成三相電機或者單相電機；或者，在外殼在定子本體的缺口處不設(shè)置凸起；又或者，電樞的層數(shù)不一定是八層，可以是六層、十層等，只要是二層上即可，且多層電樞在轉(zhuǎn)子本體的軸向上對稱布置，這樣的改變也能實現(xiàn)本發(fā)明的目的。
[0100]最后需要強調(diào)的是，本發(fā)明不限于上述實施方式，如轉(zhuǎn)子本體上電樞層數(shù)的改變、每一層電樞的硅鋼片數(shù)量的改變等變化也應(yīng)該包括在本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機，其特征在于:包括球缺狀的定子本體，所述定子本體由永磁體制成，所述永磁體被磁化形成多個磁極；位于所述定子本體內(nèi)的轉(zhuǎn)子本體，所述轉(zhuǎn)子本體具有多層電樞，每一層所述電樞具有由多層硅鋼片疊壓而成的轉(zhuǎn)子鐵芯，多層所述電樞在所述轉(zhuǎn)子本體上沿軸向?qū)ΨQ布置，相鄰的兩層電樞之間設(shè)有間隔層，多層所述電樞以及多層所述間隔層通過螺栓固定連接，所述螺栓與轉(zhuǎn)子軸連接，且所述轉(zhuǎn)子本體呈球狀； 至少一層所述電樞的所述轉(zhuǎn)子鐵芯上繞制有第一層線圈，所述第一層線圈繞制在同一層電樞的所述轉(zhuǎn)子鐵芯上； 至少一層所述電樞的所述轉(zhuǎn)子鐵芯上繞制有第二層線圈，所述第二層線圈與所在電樞的對稱的另一電樞的第二層線圈電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機，其特征在于: 所述螺栓的兩端分別設(shè)有一個圓臺狀螺帽，所述螺帽靠近所述轉(zhuǎn)子本體中心的一端橫截面面積小于遠離所述轉(zhuǎn)子本體中心一端的橫截面面積。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機，其特征在于: 所述定子本體外設(shè)有外殼，所述殼體具有磁軛以及位于所述磁軛外的屏蔽層，所述定子本體的外壁粘接在所述磁軛的內(nèi)壁上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機，其特征在于: 所述外殼上設(shè)有進氣口。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所`述的球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機，其特征在于: 所述進氣口外設(shè)有氣泵組件。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機，其特征在于: 所述外殼靠近所述定子本體的缺口處設(shè)有環(huán)狀的凸起，所述凸起在所述外殼的外壁上沿所述定子本體的周向延伸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機，其特征在于: 所述電樞的層數(shù)為二以上，多層所述電樞的所述轉(zhuǎn)子鐵芯的直徑自所述轉(zhuǎn)子本體的中心向所述轉(zhuǎn)子本體的兩端逐漸遞減。
8.球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機的制造方法，其特征在于:包括 將球缺狀的永磁體磁化形成多個磁極，制成定子本體； 將硅鋼板材切割制成多片直徑不相等的硅鋼片，將所述硅鋼片疊壓形成多層電樞，使用螺栓穿過并固定多層所述電樞，相鄰的兩層所述電樞之間設(shè)有間隔層； 在每一層所述電樞的轉(zhuǎn)子鐵芯上繞制第一層線圈，所述第一層線圈繞制在同一層電樞的所述轉(zhuǎn)子鐵芯上； 在每一層所述電樞的所述轉(zhuǎn)子鐵芯上繞制第二層線圈，所述第二層線圈與所在電樞對稱的另一電樞的第二層線圈電連接，制成球狀的轉(zhuǎn)子本體； 將所述轉(zhuǎn)子本體裝入所述定子本體內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機的制造方法，其特征在于: 使用螺栓將所述電樞固定后，對所述電樞的外表面進行精加工處理，使多層所述電樞的外表面接近于球面。
10.球鉸萬向回轉(zhuǎn)電機的工作方法，該電機具有球缺狀的定子本體，所述定子本體由永磁體制成，所述永磁體被磁化形成多個磁極； 所述定子本體內(nèi)裝有轉(zhuǎn)子本體，所述轉(zhuǎn)子本體具有多層電樞，多層所述電樞在所述轉(zhuǎn)子本體上沿軸向?qū)ΨQ布置，多層所述電樞以及多層所述間隔層通過螺栓固定連接，所述螺栓與轉(zhuǎn)子軸連接，且所述轉(zhuǎn)子本體呈球狀； 至少一層所述電樞的所述轉(zhuǎn)子鐵芯上繞制有第一層線圈，所述第一層線圈繞制在同一層電樞的所述轉(zhuǎn)子鐵芯上； 至少一層所述電樞的所述轉(zhuǎn)子鐵芯上繞制有第二層線圈，所述第二層線圈與所在電樞的對稱的另一電樞的第二層線圈電連接； 該方法包括: 向所述第一層線圈通電使所述轉(zhuǎn)子本體繞所述螺栓的軸線旋轉(zhuǎn)，向所述第二層線圈通電使所述轉(zhuǎn)子本體相對于所述定子本體的軸線傾斜地轉(zhuǎn)動。
【文檔編號】H02K15/03GK103780041SQ201310543509
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月8日
【發(fā)明者】何國華 申請人:何國華