一种基于气体静压轴承支撑的球形电机制造技术

本发明专利技术涉及一种基于气体静压轴承支撑的球形电机，包括转子、底座、固定在底座上的定子外壳，在定子外壳上设有用于安装定子线圈的螺纹孔，所述的定子线圈包括定子线圈架，其特征在于，在定子线圈架的端部固定有气体静压轴承，气体静压轴承包括轴承主体和位于轴承主体中部的节流器，轴承主体的表面为曲率与转子外表面曲率一致的弧形表面，在定子线圈架内开设有与节流器相通的压缩气体通道。

A spherical motor supported by aerostatic bearing

【技术实现步骤摘要】
一种基于气体静压轴承支撑的球形电机
本专利技术属于球形电机结构设计领域，涉及到球形电机的定子结构及转子支撑结构的设计。
技术介绍
对于雷达、全景摄像机、机械手臂等一些需要多自由度运动的领域，传统上需要多个电机进行配合驱动，这样不仅会使驱动结构复杂、体积庞大，而且使得系统动态性能差、控制精度低、可靠性差。单轴可实现三自由度运动的球形电机应运而生，有望改善传统多自由度驱动装置的动态性能、控制性能及可靠性能。但球形电机特殊的球体结构一方面要实现对球形转子大区间的多自由度运动的支撑，另一方面要基于有限的定子半封闭空间尽量提高其功率密度，因此其球面转子支撑结构成为球形电机发展的瓶颈。目前现有的支撑结构包括有接触支撑和无接触支撑两种形式：一、有接触支撑结构1.万向节轴承支撑。2004年，北京航空航天大学提出了一种采用万向节支撑转子的结构。其中转子为空心半球结构，万向节定点支撑半球结构的上定点，球心与万向节十字轴中心重合。这样的转子支撑结构解决了球形电机的偏心问题，但也限制了球形电机的运动角度，由于转子底部需要安装支撑轴承万向节，转子做成了空心半球结构，底部支撑结构限制了转子的运动空间，导致转子运动角度过小。另外采用万向节支撑转子的支撑结构比较复杂，限制了定子线圈的安装空间，从而降低了球形电机的功率密度。2.环状滚珠轴承支撑。2009年，安徽大学提出了采用顶部与底部安装滚珠支撑，该方法虽然同样不存在偏心问题，但接触支撑方式给球形电机的工作寿命造成了影响。同时由于需要安装环状滚珠，使得支撑结构占用了定子线圈的安装空间，从而降低了球形电机的功率密度，不利于球形电动机的小型化发展。3.弧面轴承支撑。2008年，天津大学提出了一种环形弧面接触的支撑结构，该结构不存在偏心问题，但是摩擦力矩比较大，虽然通过添加润滑剂等措施减小的运动误差，但是其摩擦力矩依然是球形电机动态性能恶化的主要原因。上述接触式支撑结构在电机运转过程中均属于接触式支撑，增加了机械摩擦损耗，降低了电机的运转效率。二、无接触支撑结构1.磁悬浮轴承支撑。2011年，扬州大学提出了一种磁悬浮球形电机，该电机不需要特殊的机械轴承就可以实现定转子之间的稳定气隙，减少了电机运转过程中的摩擦损耗，但需要定子上额外的三组绕组来提供悬浮力，这无疑增加了定子线圈的控制复杂度，同时悬浮力绕组争夺转矩绕组的有效空间，使得电机的功率密度减小。2.液体滑动轴承。2018年，河北科技大学提出了一种液体悬浮的球形电机，依靠定子和转子之间的液体保持气隙，减小了摩擦损耗，同时液体可达到对电机冷却降温的作用。依靠液体悬浮的球形电机不存在磁悬浮的磁路耦合、控制复杂的问题，但对电机的密封性有一定的要求，存在泄漏腐蚀的危险。3.气体静压轴承。2017年，扬州大学提出了一种磁-气混合轴承的球形电机。气体静压轴承的工作原理与液体滑动轴承相似，只是把润滑介质换成了气体。相较于上述接触式支撑结构可有效减小电机运转过程中的摩擦损耗，同时流通的气体还可以起到冷却降温的作用。相较于磁悬浮支撑不存在磁路耦合的问题，相较于液体滑动轴承不存在液体泄漏腐蚀的问题，从而使得电机控制相对简单。但不可避免的，上述所有支撑结构均存在安装位置和定子线圈争夺安装空间的问题，使得球形电机功率密度不高。本专利技术提出将表面弧形的气体静压轴承应用于转子支撑结构，并将其安装在定子线圈内部，从而保证电机气隙并减少电机运转过程中摩擦的产生，避免转子支撑结构占用定子线圈安装空间，解决支撑结构限制转子运动角度的问题。为了满足气体静压轴承对作用表面光滑度的要求，提出在转子表面覆盖一层亚克力有机玻璃罩以减少对转子表面光滑度的要求。
技术实现思路
本专利技术提出一种球形电机的定子及转子支撑结构，主要体现为采用气体静压轴承支撑转子实现非接触转子支撑，来提高球形电机的寿命，同时气体静压轴承内嵌于球形电机的定子线圈内部，将支撑结构与定子线圈一体化，可以避免转子支撑结构与定子线圈争夺安装空间问题，从而提高球形电机的功率密度。技术方案如下：一种基于气体静压轴承支撑的球形电机，包括转子、底座、固定在底座上的定子外壳，在定子外壳上设有用于安装定子线圈的螺纹孔，所述的定子线圈包括定子线圈架，其特征在于，在定子线圈架的端部固定有气体静压轴承，气体静压轴承包括轴承主体和位于轴承主体中部的节流器，轴承主体的表面为曲率与转子外表面曲率一致的弧形表面，在定子线圈架内开设有与节流器相通的压缩气体通道。优选地，在球形电机转子表面覆盖有亚克力有机玻璃壳，以满足气体静压轴承对作用表面光滑度的要求。所述的螺纹孔既用于安装定子线圈，也用于调节球形电机气隙的大小。转子赤道层设有用于镶嵌永磁体的柱形槽。本专利技术的技术效果如下：1.采用气体静压轴承作为球形电机的转子支撑结构可避免机械摩擦的产生，同时气体可起到对电机冷却降温的作用。2.采用将表面弧形的气体静压轴承内嵌于定子线圈，一方面实现电机的稳定气隙，减小气体静压轴承自激振荡，另一方面可避免转子支撑结构和定子线圈互相争夺定子空间的问题，支撑结构不需要额外占用定子壳内的空间，从而提高球形电机的功率密度，同时有利于球形电机的小型化发展。3.提出在转子表面覆盖一层亚克力有机玻璃罩，以满足气体静压轴承对作用表面光滑度的要求，同时降低球形电机转子的机械制造难度，良好的耐磨性能和耐热性能则可避免电机工况下对转子表面的磨损，从而延长球形电机工作寿命。附图说明图1表面弧形的气体静压轴承结构示意图图2定子线圈架结构示意图图3气体静压轴承与定子线圈架组合示意图图4带有亚克力材料转子罩的球形电机转子图5球形电机剖面图图中标号：1压缩气体、2节流器、3气膜、4轴承主体、5滑动件、6定子线圈架、7法兰盘、8输出轴、9底座、10转子、11定子外壳、12定子线圈、13气体静压轴承、14柱形槽、15托盘、16底座固定螺母、17拧紧螺母、18定子外壳固定螺母、19组合定子线圈架、20亚克力材料转子罩、21转子永磁极表1亚克力材料的部分性能指标。具体实施方式本专利技术提出一种球形电机的定子结构及转子支撑结构设计。主要涉及到将表面弧形的气体静压轴承内嵌于球形电机的定子线圈中作为转子的支撑结构，并在球形电机转子上覆盖一层亚克力有机玻璃壳以满足气体静压轴承对作用表面光滑度的要求。以下将结合附图对本专利技术进行具体说明。如图1所示为表面弧形的气体静压轴承的结构示意图。气体静压轴承是滑动轴承形式中的一种，其结构和工作原理与液体滑动轴承类似，不同的是采用气体(多为空气)为润滑介质。当外部压缩气体1通过节流器2进入轴承间隙，就会在间隙中形成一层具有一定承载和刚度的润滑气膜3，依靠该气膜的润滑支承作用将轴浮起在轴承主体4中。对于气体静压轴承，采用外压供气是其基本工作方式，节流器是其结构的关键。气体静压轴承为非接触式支撑结构，可有效减少电机运行中的摩擦阻力。本专利技术将气体静压轴承应用于球形电机以实现对电机转子的无接触支撑，鉴本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于气体静压轴承支撑的球形电机，包括转子、底座、固定在底座上的定子外壳，在定子外壳上设有用于安装定子线圈的螺纹孔，所述的定子线圈包括定子线圈架。其特征在于，在定子线圈架的端部固定有气体静压轴承，气体静压轴承包括轴承主体和位于轴承主体中部的节流器，轴承主体的表面为曲率与转子外表面曲率一致的弧形表面，在定子线圈架内开设有与节流器相通的压缩气体通道。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于气体静压轴承支撑的球形电机，包括转子、底座、固定在底座上的定子外壳，在定子外壳上设有用于安装定子线圈的螺纹孔，所述的定子线圈包括定子线圈架。其特征在于，在定子线圈架的端部固定有气体静压轴承，气体静压轴承包括轴承主体和位于轴承主体中部的节流器，轴承主体的表面为曲率与转子外表面曲率一致的弧形表面，在定子线圈架内开设有与节流器相通的压缩气体通道。

【专利技术属性】
技术研发人员：李洪凤，赵艳粉，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12