一種基于正六面體劃分的永磁球形電機

賈冕茜，凌有鑄，強 勇，方愿捷

常規(guī)單自由度電機只能繞一個軸做一維旋轉(zhuǎn)，常規(guī)的多自由度運動往往由多個單自由度運動相互配合實現(xiàn)。多自由度電機在一個關(guān)節(jié)處可以代替多個單自由度電機，有效的簡化機械臂結(jié)構(gòu)。

多自由度電機在具備單自由度的電機不可替代的優(yōu)勢的同時，球形電機的結(jié)構(gòu)，球面的劃分，定子線圈和轉(zhuǎn)子磁極分布，給球形電機走向應(yīng)用帶來了難題。目前，針對多自由度電機的結(jié)構(gòu)開展了廣泛的研究，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所提出的基于正多面體的球形電機和基于SVPWM方式的控制器［1］，新加坡南洋理工大學和國內(nèi)北京航空航天大學聯(lián)合研究的直流永磁球形電機和洛倫茲力的控制方式［2］，國內(nèi)的天津大學提出和設(shè)計基于Halbach陣列的球形電機［3］，合肥工業(yè)大學完成了永磁球形步進電機的控制系統(tǒng)的研究［4－5］。三自由度電機的結(jié)構(gòu)也因設(shè)計者的不同而不同，控制方法也因電機結(jié)構(gòu)的不同而不同。電機的結(jié)構(gòu)決定了控制方法實現(xiàn)的難易。

傳統(tǒng)的永磁同步電機的矢量控制方法已經(jīng)非常成熟，利用傳統(tǒng)電機易于控制的優(yōu)勢，對日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)總合研究所提出的正多面體球形電機進行改進設(shè)計，提出一種基于正六面體劃分的球形電機結(jié)構(gòu)。

1 基于正6－8面體劃分的球形電機

永磁球形電機的結(jié)構(gòu)類型繁雜，電機結(jié)構(gòu)因設(shè)計者的不同而異，球形電機要實現(xiàn)多自由度，因此它在空間上應(yīng)該可以繞任意軸旋轉(zhuǎn)，但是球面的均勻劃分對這種極需要空間對稱性的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法提出了挑戰(zhàn)。

鑒于球面只能被特定的內(nèi)接正多面體均勻劃分，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所提出了一種基于正6－8面體的球形電機，該電機定子和轉(zhuǎn)子均為球面，見圖1。

圖1 基于正6－8面體的球形電機實物圖

轉(zhuǎn)子是由6個球面軸承和定子球殼所支撐。轉(zhuǎn)子球面內(nèi)接正六面體，在正六面體和球面的交點處交替放置極性不同的永磁體，永磁體共計8個，材料均為稀土永磁釹鐵硼，在球面正對正六面體的中心處各放置一個鐵芯，如圖2左圖。轉(zhuǎn)子內(nèi)徑為52mm，厚度為5mm，永磁體的直徑為20mm，厚度為5mm，轉(zhuǎn)子外表面被丙烯材料的球殼包圍，球殼內(nèi)徑78mm，厚度為4mm。

定子球殼也是由丙烯材料制成，內(nèi)外徑分別為90mm、110mm，共25個電樞線圈被分布在球面位置。球面被正八面體劃分，在定子上的虛擬八面體的6個頂點各有一個電樞線圈。定子上的虛擬八面體的12條棱上的中心處各分布一個電樞線圈。在球面正對正八面體的中心處各放置一個線圈（因為正八面體的上表面放置輸出軸，球面正對正八面體的上表面不放置線圈，共計7個線圈），如圖2右圖。電樞線圈的內(nèi)外徑和厚度分別為5mm，20mm和8mm，線圈匝數(shù)為153。

圖2 基于正6－8面體的球形電機定子轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

鑒于正八面體的每一個面的三個頂點和三條棱中心處均有一個電樞線圈，這三對電樞線圈在空間互成120度，當電機內(nèi)部轉(zhuǎn)子的內(nèi)接正六面體的一個面正好處于這三對電樞線圈的范圍中時，交替的轉(zhuǎn)子磁極和空間互成120度角的電樞線圈這種結(jié)構(gòu)使得傳統(tǒng)的單自由度電機的矢量控制成為可能。

該電機的一個俯視圖如圖3所示，電樞線圈1和1＇構(gòu)成線圈對（1，1＇）；電樞線圈2和2＇構(gòu)成線圈對（2，2＇）；電樞線圈3和3＇構(gòu)成線圈對（3，3＇），給處于正八面體面中心的一個線圈通電，線圈吸引轉(zhuǎn)子正六面體中心面的鐵芯，兩者構(gòu)成電機的旋轉(zhuǎn)中心軸，再給該面上的線圈對（1，1＇）、（2，2＇）和（3，3＇）通上三相正弦波，電機可以繞著指定的軸旋轉(zhuǎn)，并且當正八面體的正對面同時施以同樣的電流，則電機的轉(zhuǎn)矩會加倍。

圖3 基于正6－8面體的球形電機

基于正6－8面體劃分的球形電機的控制策略可以應(yīng)用普通單自由度電機的矢量控制，給選定旋轉(zhuǎn)軸所在的電樞線圈通電吸引轉(zhuǎn)子內(nèi)部附近的電樞線圈，同時給旋轉(zhuǎn)軸四周的6個電樞線圈按矢量控制方法使球形電機繞指定軸旋轉(zhuǎn)。

2 基于正六面體永磁球形電機結(jié)構(gòu)

基于正6－8面體劃分的球形電機具備多自由度的優(yōu)勢同時，當旋轉(zhuǎn)軸進行切換時，電機的運行變得不可控，處于正八面體中心的電樞線圈只吸引位于線圈附近的鐵芯，吸引的過程嚴重影響了電機可控性，同時，輸出軸的位置也因此產(chǎn)生了變化，造成電機運行的不穩(wěn)定性和不連續(xù)性。在基于正6－8面體劃分的球形電機的基礎(chǔ)上，對該種電機進行改進。

該電機的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，電機的定子和轉(zhuǎn)子均為球面，轉(zhuǎn)子球面被正六面體劃分，與基于正6－8面體劃分的球形電機一致。在正六面體的頂點上交替放置N、S極的永磁體，并在正六面體的每個面的中心位置放置一個鐵芯。

定子球面依然被正六面體劃分，球面被正六面體的6個面所截。在每個正六面體面和球體所交的圓上，每隔60°分布一個電樞線圈，同時中心處分布一個電樞線圈，在空間上組成互成120°的三個線圈對。圖4展示了該電機定子的主視圖、左視圖和仰視圖。主視圖中標記中心吸附轉(zhuǎn)子鐵芯的電樞線圈為1號線圈。（11，11＇），（12，12＇）和（13，13＇）構(gòu)成1組中互成120°的三個線圈對。左視圖中，標記吸附轉(zhuǎn)子鐵芯的中心電樞線圈為3號線圈。（43，13＇）、（12，42＇）和（31，31＇）構(gòu)成了3組中的線圈對。在仰視圖中，中心線圈為5號線圈。（41，11＇）、（52，52＇）和（53，53＇）構(gòu)成了5組中的線圈對。在這種劃分法中，例如12＇和13號線圈處在分界線上的線圈是相鄰兩面公用線圈，在圖中以綠色標出。在球面的頂端分布6個線圈組合5組線圈組是對稱的，沒有放置中心線圈，上表面在實際中被制成自由運動的輸出軸的運動范圍。

圖4 電機主視圖、左視圖、仰視圖

3 SVPWM控制策略

設(shè)計的這種電機的控制仍與傳統(tǒng)的永磁同步電機的控制方法一樣，用SVPWM產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，要使電機圍繞1號軸進行旋轉(zhuǎn)，給1號電樞線圈通電吸引對應(yīng)的鐵芯，給（11，11＇），（12，12＇）和（13，13＇）線圈組通三相交流電，轉(zhuǎn)子可以繞1號線圈軸向旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)子位置回到初始位置后，給3號電樞線圈通電，選擇旋轉(zhuǎn)軸，并給（43，13＇）、（12，42＇）和（31，31＇）三組線圈供給三相交流電，就完成了1號線圈的正交軸的旋轉(zhuǎn)。同樣，給底部的線圈通電獲得繞第三個正交軸的旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)后只需回到初始位置即可進行下次旋轉(zhuǎn)。

因此電機的控制，必須先通過一個旋轉(zhuǎn)軸選擇器、SVPWM產(chǎn)生器和電壓型逆變器，旋轉(zhuǎn)軸選擇器通過對指定旋轉(zhuǎn)軸的判斷，選擇對應(yīng)的線圈和電樞線圈組，通過SVPWM產(chǎn)生器，產(chǎn)生PWM波，控制逆變器實現(xiàn)電機的旋轉(zhuǎn)。系統(tǒng)控制方框圖如圖5所示。

圖5 基于正六面體球形電機電機控制系統(tǒng)框圖

4 結(jié)束語

通過改進基于正6－8面體劃分的球形電機的定子電樞線圈分布，基于正六面體的永磁球形電機，可以完成繞三個正交的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。相較于正6－8面體劃分的球形電機的結(jié)構(gòu)有更好的穩(wěn)定性，易控性和實用性。

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