CN85104531B - 球形转子力矩电动机 - Google Patents

Abstract

本发明属于力矩电动机。本发明球形转子力矩电动机由空气轴承，球形转子和定子构成。定子为非整体式结构，是由一条绕球形转子四周的有限带宽内的三个定子部件和托盘构成。三个定子部件的绕组通电后，能使球形转子分别产生围绕Ｘ轴，Ｙ轴和Ｚ轴的转动力矩，电动机的力矩由各转动力矩的矢量和所决定，分别调节各定子部件绕组的电流就可以调节电动机的力矩大小，并使力矩方向在空间任意变化，从而实现球形转子的空间运动。

Description

球形转子力矩电动机

本发明属于力矩电动机。

一般的力矩电动机的转子呈圆柱形或圆盘形。定子由一个嵌有绕组的整体铁芯构成。绕组通电产生力矩，力矩的大小可以调节，其方向沿圆周的切线方向。转子围绕其固定轴线旋转，转子上的各点作圆周运动。法国专利FR2452193采用二个定子磁场部件，彼此对于XOX′轴和YOY′轴对称布置，在同一磁场部件上嵌有在球面经线槽和纬线槽内的二组线圈，从而使球形转子产生空间转动的力矩。由于它采取了共磁路结构，因此很难实现在各个轴线方向上高精度地控制转动力矩的大小。

本发明的目的是提供一种新结构的球形转子力矩电动机，该电动机能够高精度地控制各轴转动力矩的大小，其力矩方向能在空间任意变化，能实现转子及其负载（如装有控制装置和仪表的平台）在空间的运动。例如，它可以作为飞行物体姿态控制模拟试验的干扰力矩源，能用于模拟飞行物体（如卫星）在空间飞行时所受到的引力、空气动力等干扰力矩，有助于试验研究物体在干扰力矩作用下的飞行姿态以及控制装置对飞行姿态的影响。

本发明的球形转子力矩电动机是将定子的输入电能转变成转子在空间任意方向上的机械力矩输出。它由一个空气轴承支撑的球形转子和一个非整体式结构的定子组成。这种定子与现有力矩电动机的定子不同，它由一条绕球形转子四周的有限带宽内的三个定子部件和固定这三个定子部件的托盘构成，该有限带宽的中心轴线称为Z轴，该轴也是球形转子的Z方向中心轴线。定子部件的安装原则是各定子形成单独的磁路结构，三个定子分别通以交流电后，能使球形转子分别产生围绕Z轴、X轴和Y轴的转动力矩。X轴和Y轴彼此正交并且与Z轴垂直。本发明电动机可以高精度地控制转子在一定空间圆锥角度的输出力矩的大小和方向，并能够带动与球形转子Z轴方向上相连接的负载在空间转动。每个定子部件由一块或数块弧形定子（包括定子铁芯和绕组）构成。其弧形定子的块数根据使用要求的最大输出力矩而定，在弧形定子的电磁参数相同的条件下，力矩要求越大，需要的块数越多。

为了清楚地说明本发明内容，给予三个定子部件以命名：当一个定子部件的绕组通电后，产生使球形转子围绕X轴运动的力矩称为X轴力矩T_X，该定子部件称为A定子;同理，另一个定子部件的绕组通电后，产生使球形转子围绕Y轴运动的力矩称为Y轴力矩T_y，该定子部件称为B定子;当第三个定子部件的绕组通电后，产生使球形转子围绕Z轴运动的力矩称为Z轴力矩Tz，该定子部件称为C定子以下的叙述采用了这些命名。

当A、B、C定子的绕组通电后，球形转子力矩电动机的力矩矢量T为;

T＝T_x+T_y+T_z ①

电动机的力矩值为

T＝ $\sqrt{{\mathrm{Tx}}^2{\mathrm{+Ty}}^2{\mathrm{+Tz}}^2}$ ②

电动机力矩与Z轴的夹角为

θz＝tg^-1T_z/T ③

式①-③表明：电动机力矩大小及其方向随各轴力矩而定。当调节各个定子部件绕组的电流时，就能相应地改变各轴力矩，从而改变电动机力矩的大小和方向，使转子能按力矩的方向在有限角度空间内运动。由于采用单磁路结构，各轴的转动力矩可以分别通过A、B、C三个定子来控制，因而可以高精度地控制干扰力矩的大小，其精度可以达到毫克厘米数量级。

下面结合附图详细说明本发明的内容，结构特点和具体实施例。

图1 球形转子力矩电动机总装配图。

图2 图1所示球形转子力矩电动机AA剖面。

图3 图2所示球形转子力矩电动机DOD剖面。

图4 球形转子力矩电动机定子铁芯图。

图5 球形转子力矩电动机定子绕组展开图。

图6 球形转子力矩电动机空心转子结构图。

图7 球形转子力矩电动机实心转子结构图。

图1表明，本发明球形转子力矩电动机由空气轴承1，球形转子2和定子3构成。所说的定子为非整体式结构，它是由一条绕球形转子四周的有限带宽内的三个定子部件和固定这三个定子部件的托盘4构成。如图1所示，在垂直于这条有限带宽方向的电动机轴5上（也就是在Z轴的方向上），安装与球形转子相连的负载。负载包括平台6以及装在平台上的控制装置和仪表7。空气轴承1为圆球弧形，当空气轴承有气压时，转子就浮起来，并在外力作用下在空间自由运动。

在本实施例电动机中（见图2），C定子由四块弧形定子8_a、8_b8_c、8_d组成;A定子和B定子分别由二块弧形定子9_a、9_b及10_a、10_b组成;A定子铁芯9a、9b装入支架12a、12b;B定子铁芯10a、10b装入支架11a、11b;C定子铁芯8a、8b、8c、8d装入支架13a、13b、13c、13d。A、B、C定子是被安置在一条绕球形转子四周的有限带宽内，它们之间的位置关系如图2所示，垂直于Z轴并通过转子球心的C定子的铁芯纵断面与该定子铁芯的叠片平行，并且与A、B定子的与铁芯叠片平行的纵断面垂直;A、B定子的与铁芯叠片平行的纵断面在上述垂直于Z轴的平面上彼此正交。在实例中，C定子的弧形定子的块数为A、B定子的弧形定子块数的二倍是根据确定的技术要求（绕Z轴的转动力矩为绕X轴、Y轴的转动力矩的二倍）而定的。

在图3中，A、B、C定子都安置在围绕球四周的一条有限宽带内。这条有限带宽的宽度等于弧形定子的宽度，而弧形定子的宽度与球形转子在空间的运动角度有关，如果球形转子在空间运动的角度大，或者说有较大的空间输出范围，弧形定子的宽度就窄;以防止负载，如实验平台与定子相碰。这样，可以根据负载的几何尺寸和需要的转子空间运动角度决定定子带宽。本实例的电动机定子带宽占球中心角48°，而转子在空间运动的最大圆锥角度为2×69°。在图3中，各定子部件的支架用螺钉14与定子托盘4连接。在无气压时，球形转子坐落在空气轴承边缘镶有的尼龙环15上，这样可以防止球形转子在静止时与空气轴承碰撞，并减少了球形转子的静摩擦力矩，缩短了起动时间。

图4表示球形转子力矩电动机某定子部件的弧形定子铁芯。定子铁芯的齿槽形状可以设计得不一样，但为了简化工艺起见，本实例中各定子部件采用相同形状的定子铁芯，但定子铁芯的厚度随所要求的力矩而定。一般来说，在定子绕组匝数相同的条件下，力矩要求越大定子铁芯越厚。定子铁芯用硅钢片制成。八块弧形定子铁芯装配后，它们的内表面都在同一个圆球面上。绕组嵌置在定子铁芯内，铁芯的槽数和绕组的连结方式随控制电源而定，若电动机采用M相电源控制则槽数应选择为2M的倍数。绕组可以采用双层叠绕或单层绕制。本实例中的电动机采用三相电源控制，铁芯槽数为6槽，单层绕组并按星形连结，其连结方式如图5所示。

图6表示球形转子力矩电动机的空心转子结构图。这种空心球形转子能在沿任意轴转动时，保持其重心指向球心，适应气浮的要求，从而保证负载平台和安装在上面的各种仪表不会因为球形转子的运动而倾倒。本实例的空心转子由两个空心半圆球结合而成，其材料是非导磁金属材料，如1Cr 18N_i 9T_i;采用这种材料既符合实际被模拟装置的物理性能，又可以减少由定子经转子、平台返回到定子的杂散磁力线，从而减少了对平台上试验仪器的电磁干扰，保证了仪器工作的准确度，在没有上述技术要求时，也可以采用导磁材料，如电工纯铁。图7表示球形转子力矩电动机实心转子结构图。实心球形转子加工工艺简单，但由于它比空心球形转子的惯量大，电动机的响应频率将会降低。

Claims (3)

1、一种由空气轴承1、球形转子2，非整体式定子3构成的，沿Z轴的方向在轴5上安装与球形转子相连的负载6和7的力矩电动机，其特征在于非整体式结构的A、B、C三组定子安装在环绕Z轴并在球形转子2四周的一条有限带宽内，垂直于Z轴并且通过球形转子2球心的C定子的与铁芯叠片平行的纵断面，与A定子和B定子的与铁芯叠片平行的纵断面垂直，A定子和B定子在垂直于Z轴的平面上彼此正交，所说的A定子、B定子和C定子都被固定在定子托盘4上，定子托盘安装在空气轴承1支架上。

2、按权利要求1所述的力矩电动机，其特征是球形转子2用非导磁金属材料制成。

3、按权利要求1所述的力矩电动机，其特征是圆球弧形的空气轴承1的边缘上镶有尼龙环15。

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