賈冕茜，凌有鑄，強(qiáng) 勇，方愿捷

常規(guī)單自由度電機(jī)只能繞一個(gè)軸做一維旋轉(zhuǎn)，常規(guī)的多自由度運(yùn)動(dòng)往往由多個(gè)單自由度運(yùn)動(dòng)相互配合實(shí)現(xiàn)。多自由度電機(jī)在一個(gè)關(guān)節(jié)處可以代替多個(gè)單自由度電機(jī)，有效的簡(jiǎn)化機(jī)械臂結(jié)構(gòu)。

多自由度電機(jī)在具備單自由度的電機(jī)不可替代的優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，球形電機(jī)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(jī)走向應(yīng)用帶來了難題。目前，針對(duì)多自由度電機(jī)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(jī)和基于SVPWM方式的控制器［1］，新加坡南洋理工大學(xué)和國(guó)內(nèi)北京航空航天大學(xué)聯(lián)合研究的直流永磁球形電機(jī)和洛倫茲力的控制方式［2］，國(guó)內(nèi)的天津大學(xué)提出和設(shè)計(jì)基于Halbach陣列的球形電機(jī)［3］，合肥工業(yè)大學(xué)完成了永磁球形步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)的研究［4－5］。三自由度電機(jī)的結(jié)構(gòu)也因設(shè)計(jì)者的不同而不同，控制方法也因電機(jī)結(jié)構(gòu)的不同而不同。電機(jī)的結(jié)構(gòu)決定了控制方法實(shí)現(xiàn)的難易。

傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)的矢量控制方法已經(jīng)非常成熟，利用傳統(tǒng)電機(jī)易于控制的優(yōu)勢(shì)，對(duì)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(jī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，提出一種基于正六面體劃分的球形電機(jī)結(jié)構(gòu)。

1 基于正6－8面體劃分的球形電機(jī)

永磁球形電機(jī)的結(jié)構(gòu)類型繁雜，電機(jī)結(jié)構(gòu)因設(shè)計(jì)者的不同而異，球形電機(jī)要實(shí)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(duì)這種極需要空間對(duì)稱性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)，該電機(jī)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(jī)實(shí)物圖

轉(zhuǎn)子是由6個(gè)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(diǎn)處交替放置極性不同的永磁體，永磁體共計(jì)8個(gè)，材料均為稀土永磁釹鐵硼，在球面正對(duì)正六面體的中心處各放置一個(gè)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(gè)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(gè)頂點(diǎn)各有一個(gè)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(gè)電樞線圈。在球面正對(duì)正八面體的中心處各放置一個(gè)線圈（因?yàn)檎嗣骟w的上表面放置輸出軸，球面正對(duì)正八面體的上表面不放置線圈，共計(jì)7個(gè)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(jī)定子轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

鑒于正八面體的每一個(gè)面的三個(gè)頂點(diǎn)和三條棱中心處均有一個(gè)電樞線圈，這三對(duì)電樞線圈在空間互成120度，當(dāng)電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子的內(nèi)接正六面體的一個(gè)面正好處于這三對(duì)電樞線圈的范圍中時(shí)，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(jī)的矢量控制成為可能。

該電機(jī)的一個(gè)俯視圖如圖3所示，電樞線圈1和1＇構(gòu)成線圈對(duì)（1，1＇）；電樞線圈2和2＇構(gòu)成線圈對(duì)（2，2＇）；電樞線圈3和3＇構(gòu)成線圈對(duì)（3，3＇），給處于正八面體面中心的一個(gè)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(jī)的旋轉(zhuǎn)中心軸，再給該面上的線圈對(duì)（1，1＇）、（2，2＇）和（3，3＇）通上三相正弦波，電機(jī)可以繞著指定的軸旋轉(zhuǎn)，并且當(dāng)正八面體的正對(duì)面同時(shí)施以同樣的電流，則電機(jī)的轉(zhuǎn)矩會(huì)加倍。

圖3 基于正6－8面體的球形電機(jī)

基于正6－8面體劃分的球形電機(jī)的控制策略可以應(yīng)用普通單自由度電機(jī)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(shí)給旋轉(zhuǎn)軸四周的6個(gè)電樞線圈按矢量控制方法使球形電機(jī)繞指定軸旋轉(zhuǎn)。

2 基于正六面體永磁球形電機(jī)結(jié)構(gòu)

基于正6－8面體劃分的球形電機(jī)具備多自由度的優(yōu)勢(shì)同時(shí)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行切換時(shí)，電機(jī)的運(yùn)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(yán)重影響了電機(jī)可控性，同時(shí)，輸出軸的位置也因此產(chǎn)生了變化，造成電機(jī)運(yùn)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(jī)的基礎(chǔ)上，對(duì)該種電機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。

該電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，電機(jī)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(jī)一致。在正六面體的頂點(diǎn)上交替放置N、S極的永磁體，并在正六面體的每個(gè)面的中心位置放置一個(gè)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(gè)面所截。在每個(gè)正六面體面和球體所交的圓上，每隔60°分布一個(gè)電樞線圈，同時(shí)中心處分布一個(gè)電樞線圈，在空間上組成互成120°的三個(gè)線圈對(duì)。圖4展示了該電機(jī)定子的主視圖、左視圖和仰視圖。主視圖中標(biāo)記中心吸附轉(zhuǎn)子鐵芯的電樞線圈為1號(hào)線圈。（11，11＇），（12，12＇）和（13，13＇）構(gòu)成1組中互成120°的三個(gè)線圈對(duì)。左視圖中，標(biāo)記吸附轉(zhuǎn)子鐵芯的中心電樞線圈為3號(hào)線圈。（43，13＇）、（12，42＇）和（31，31＇）構(gòu)成了3組中的線圈對(duì)。在仰視圖中，中心線圈為5號(hào)線圈。（41，11＇）、（52，52＇）和（53，53＇）構(gòu)成了5組中的線圈對(duì)。在這種劃分法中，例如12＇和13號(hào)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(biāo)出。在球面的頂端分布6個(gè)線圈組合5組線圈組是對(duì)稱的，沒有放置中心線圈，上表面在實(shí)際中被制成自由運(yùn)動(dòng)的輸出軸的運(yùn)動(dòng)范圍。

圖4 電機(jī)主視圖、左視圖、仰視圖

3 SVPWM控制策略

設(shè)計(jì)的這種電機(jī)的控制仍與傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)的控制方法一樣，用SVPWM產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，要使電機(jī)圍繞1號(hào)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，給1號(hào)電樞線圈通電吸引對(duì)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(hào)線圈軸向旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)子位置回到初始位置后，給3號(hào)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(hào)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(gè)正交軸的旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)后只需回到初始位置即可進(jìn)行下次旋轉(zhuǎn)。

因此電機(jī)的控制，必須先通過一個(gè)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(duì)指定旋轉(zhuǎn)軸的判斷，選擇對(duì)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(shí)現(xiàn)電機(jī)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(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過改進(jìn)基于正6－8面體劃分的球形電機(jī)的定子電樞線圈分布，基于正六面體的永磁球形電機(jī)，可以完成繞三個(gè)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(jī)的結(jié)構(gòu)有更好的穩(wěn)定性，易控性和實(shí)用性。

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