磁悬浮球形电动机的国内外研究现状、原理特点及关键技术

当前, 机器人、机械手等做空间多维运动的精密装置得到了广泛的应用, 这类装置往往需要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三维运动, 从而导致系统复杂、体积庞大、效率低下、 精度不够、响应迟缓以及动态性能较差等.

在这种情况下, 能够提供多自由度运动的球形电动机得到了人们的广泛重视.

国外对于球形电动机的研究起步较早, 80 年代以来, Kaneko 等人首 先推出了永磁直流球形电动机 ; 特殊支撑结构的永磁型球形电动机在日本被研制 ; 美国Johns Hopkins 大学 Gregor y S. Chirikjian和 David Stein 等人推出了永磁球形步进电动机; 法国格勒诺布尔电工实验室与里昂大学联合研制异步型球形电动机 ; Lee 等人推出了变磁阻型球形电动机;Laithwaite 等人推出了一种感应型球形电动机等.

目前在国外有少数人和单位研究多自由度球形超声电机, 自1993 年日本河井元良等推出并研制了三自由度超声电机的原理性样机 之后, 日本其他学者以及法国等各个国家开始研究三自由度超声电机. 至今三自由度超声电机样机的最大转速已达到了187r/ min, 最大力矩达到了 0. 11N / m.

对球形电动机的研究, 国内也取得了一些显著的成就: 1990 年华中理工大学黄声华等人研制出双馈型球形电动机及其控制系统 ; 合肥工业大学推出的一种新型双极永磁球形电动机具有电磁关系简单、 控制容易的特点; 浙江大学曹志彤等人推出了一种结构简单、高力矩、快响应的新型超磁致球电机 ; 吉林工业大学的吴献威和程光明等人研制了多自由度球形超声电机的原理性样机 .

上述电动机各有其优缺点, 如变磁阻型球电机通过控制定子绕组电流来实现三维运动, 转子上无绕组,结构精巧, 但其缺点是控制变量太多( 共需控制11 个绕组电流) ;

直流型球电机由于没有解决耦合问题, 最大偏角只能达15b双馈感应型球电机从理论上实现了转矩与角速度的解耦控制, 即对任意的转子位置及角速度都能产生空间三维全可控制转矩, 其缺点是转子上有绕组和电刷, 使得电机的制造复杂;

多自由度球形超声电机的结构较为复杂, 电机的制造成本高, 不利于在实际中应用.机械轴承的磨损问题始终是电机向高速、超高速方向发展的一个瓶颈问题: 机械摩擦不仅增加了转子的摩擦阻力, 而且会造成部件发热, 严重时甚至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.

轴承的性能大大影响了电机的可靠性和装备利用率.磁悬浮球形电动机, 即无轴承球形电动机, 不需要设计专门的机械轴承, 而用磁悬浮技术实现电动机转子在旋转时的自悬浮控制.

电机的转子为球形转子, 铁心的表面开有经、纬度槽. 在经度槽内嵌有两套正弦分布的绕组, 在纬度槽内也嵌有一套正弦分布的绕组. 这三套绕组的轴线相互正交, 可以产生空间任意轴线的旋转磁场. 转子铁心结构如图1 所示.

定子铁心内表面也是一个球面, 以便与球形转子配合形成均匀的定、转子气隙. 定子铁心也开有经、纬度槽, 其中经度槽内嵌有两套正弦分布的绕组, 纬度槽内也嵌有一套正弦分布的绕组.

定子的三套绕组的轴线相互正交, 以便产生与转子类似的旋转磁场. 定子铁心结构如图2 所示.

定子上除了放置三套两两正交的转矩绕组以外, 另外还放置三套两两正交的悬浮力绕组. 三套转矩绕组分别通以适当的电流, 则三套绕组就可以在空间上形成三个互相正交的磁势向量, 三个向量在空间上合成便可形成一个空间磁势向量.

控制三套绕组的电流就可以控制电机定子磁场的磁场方向和幅值. 转子在此旋转磁场的控制下,可以作空间定点运动. 三套悬浮力绕组分别通以与转矩绕组中相同频率的电流, 且满足其生成的磁场与转矩绕组生成的磁场旋转方向一致, 则可以保证转子在定点旋转的过程中始终保持稳定的悬浮状态.

悬浮力产成机理如图 3 所示.

3 磁悬浮球形电动机的关键技术

3. 1 机电能量转换数学模型

磁悬浮球形电动机与普通的电动机一样是一种通过磁场耦合方式的机电能量转换装置, 其产生的电磁悬浮力和电磁转矩是电能通过磁场耦合转换为机械能的结果.

因此, 研究磁悬浮球形电动机的能量转换尤为重要. 表达能量关系的基本方程主要有磁链方程、电压方程、电磁悬浮力和电磁转矩方程以及其等效电路等.在建立这些数学模型时, 要把边界条件变化( 如转子与定子之间偏心引起的圆周气隙变化等) 的因素考虑进去.

3. 2 控制策略

与普通电动机不同的是, 磁悬浮球形电动机要实现无约束三维旋转运动, 在控制方面必须满足以下三个条件:

( 1) 控制转子的稳定悬浮. 通常为了使电机的转速平稳尽可能使转矩绕组产生的气隙磁场保持恒定, 而主要通过控制悬浮力绕组电流产生的气隙磁场调节磁悬浮力的大小. 因此悬浮力绕组的励磁方式和控制方法对磁悬浮球形电动机的控制具有特殊的意义.

( 2) 在机械结构上允许电动机转子绕空间任意方向的轴线旋转. 因此, 磁悬浮球形电动机的转子运动将从一维电动机的定轴转动扩展为空间定点旋转, 转子角速度矢量也由定向的标量变为方向任意的空间矢量.

( 3)为了产生空间方向任意可控的电磁转矩, 磁悬浮球形电动机的合成磁场的幅度及其轴线的方向也应该是完全可控的因此磁悬浮球形电动机的控制策略是影响系统性能的关键技术.

随着我国经济进一步长足的发展, 产品要走向国际市场, 在国际市场占据一定的份额, 必须提高质量, 在特殊的电气传动领域改变传统的传动和传输方式, 从减少产品污染和环境污染, 改善工作环境, 降低产生成本, 提高生活质量. 因此, 磁悬浮球形电动机具有很大的潜在市场. 积极开展磁悬浮球形电动机的研究和应用具有现实和长远意义.

麦格米特：控股子公司苏州直为已有“一种用于机器人一体化关节结构的球形电机”专利，目前处于研发阶段

金融界3月1日消息，有投资者在互动平台向麦格米特提问：你好，请问公司旗下苏州直为直线电机、球形电机、DD马达等等驱动器是否有人形机器人专用型号?

公司回答表示：公司控股子公司苏州直为精驱控制技术有限公司已有“一种用于机器人一体化关节结构的球形电机”的相关专利布局，目前尚处于前期研发阶段。

本文源自金融界AI电报

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