(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
球状キャップ状の固定子本体と前記固定子本体内にある回転子本体、
前記固定子本体は永久磁石で作成され、前記永久磁石は磁化され複数の磁極を形成し、
前記回転子本体は各電機子が珪素鋼片を複数積層してなる回転子鉄心を有する多層の電機子を有し、
一層の前記電機子に第一層コイルが巻かれ、
多層の前記電機子は、珪素鋼片積層方向のベクトルを法線ベクトルとする平面であって、前記回転子本体の前記珪素鋼片積層方向に沿って該珪素鋼片積層体の中央を通る前記平面に関して面対称になるように配置され、
前記一層の前記電機子に第二層コイルが巻かれ、前記第二層コイルは、前記一層の電機子と面対称となるもう一つの電機子の第二層コイルと電気的に接続されることを特徴とする球状ヒンジユニバーサル回転電機。
【請求項２】
隣接する二層の前記電機子の間に間隔層が設けられることを特徴とする請求項１に記載の球状ヒンジユニバーサル回転電機。
【請求項３】
多層の前記電機子及び多層の前記間隔層はボルトによって固定連結することを特徴とする請求項２に記載の球状ヒンジユニバーサル回転電機。
【請求項４】
前記ボルトは回転子軸と連結することを特徴とする請求項３に記載の球状ヒンジユニバーサル回転電機。
【請求項５】
前記回転子本体は球状をしていることを特徴とする請求項１に記載の球状ヒンジユニバーサル回転電機。
【請求項６】
ボルトの両端にそれぞれ一つのナットが設けられ、前記ナットは円錐台状をなし、前記ナットが回転子本体中心に近い一端の断面面積が回転子本体中心を離れる一端の断面面積より小さいことを特徴とする請求項３に記載の球状ヒンジユニバーサル回転電機。
【請求項７】
ハウジングが設けられ、前記ハウジングはマグネットヨークと前記マグネットヨーク外にある遮蔽層を有し、前記固定子本体の外壁は前記マグネットヨークの内壁に接着することを特徴とする請求項１に記載の球状ヒンジユニバーサル回転電機。
【請求項８】
前記ハウジングに空気取入口が設けられ、
ポンプアセンブリを含まないことを特徴とする請求項７に記載の球状ヒンジユニバーサル回転電機。
【請求項９】
前記ハウジングに空気取入口が設けられ、
ポンプアセンブリを含むことを特徴とする請求項７に記載の球状ヒンジユニバーサル回転電機。
【請求項１０】
前記ハウジングが前記固定子本体の欠け口に近い所に環状突起が設けられ、前記突起は前記ハウジングの外壁に前記回転子本体の周方向に沿って延びることを特徴とする請求項７に記載の球状ヒンジユニバーサル回転電機。
【請求項１１】
前記電機子の層数は二層以上であり、多層の前記電機子の前記回転子鉄心の直径は前記回転子本体の中心から前記回転子本体両端へ次第に逓減することを特徴とする請求項１に記載の球状ヒンジユニバーサル回転電機。
【請求項１２】
請求項１に記載の球状ヒンジユニバーサル回転電機を含むロボット。
【請求項１３】
少なくとも二つの方向に回転できる関節を含み、該関節の回転は前記球状ヒンジユニバーサル回転電機の駆動によって獲得することを特徴とする請求項１２に記載のロボット。
【請求項１４】
前記第一層コイルに通電し、前記回転子本体を第一軸線を回転させて、前記第二層コイルに通電し、前記回転子本体を第二軸線を回転させて、前記第一軸線と前記第二軸線が異なることを特徴とする請求項１に記載の球状ヒンジユニバーサル回転電機の使用方法。
【請求項１５】
球状キャップ状の永久磁石を磁化して複数の磁極を形成し、固定子本体に作成すること、
珪素鋼板材料を数枚の直径の異なる珪素鋼片に切断し、前記珪素鋼片を積層して多層の電機子を形成すること、
ボルトを使って多層の前記電機子を貫通し固定して、隣接する二層の前記電機子の間に間隔層が設けられること、
一層の前記電機子の回転子鉄心に第一層コイルが巻かれること、
多層の前記電機子は、珪素鋼片積層方向のベクトルを法線ベクトルとする平面であって、前記回転子本体の前記珪素鋼片積層方向に沿って該珪素鋼片積層体の中央を通る前記平面に関して面対称になるように配置されること、
前記一層の前記電機子に第二層コイルが巻かれ、前記第二層コイルは、前記一層の電機子と面対称となるもう一つの電機子の第二層コイルと電気的に接続して、球状の回転子本体に作成すること、
前記回転子本体を前記固定子本体内に入れることを特徴とする球状ヒンジユニバーサル回転電機の製造方法。
【請求項１６】
前記電機子の外表面を球面に近づくように前記電機子の外表面に対して精密加工処理を行うことを特徴とする請求項１５に記載の球状ヒンジユニバーサル回転電機の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
中国特許出願番号２０１３１０４５９２０１．３とアメリカ特許出願番号１４／０８８０５６と１４／２８８５０４の公開内容はここで全部それぞれに含んで引用される。
【０００２】
本発明は電機分野に関わり、特に三次元球状ヒンジユニバーサル回転電機及びこの電機の製造方法、この電機の作動方法に関わる。
【背景技術】
【０００３】
現代生活の中で使われる大部分の電気製品には電機が設けられる。電機はまた生産製造、軍事設備にも幅広く応用されるが、現有の電機には固定子と回転子を備え、回転子軸は回転子の中に設置され、そして回転子の回転に従って回転し、これによって動力を出力する。現有の電機の回転子軸は電機の軸線をまわって回転するしかないから、平面電機と称されて、即ち電機の回転子軸の運動は一つの自由度しかない。
【０００４】
然しながら、現有の電気設備、工業装置などにとっては、部材が多自由度の運動が必要である。現有の電機は一つの自由度の運動しかできないため、現有の電器設備など応用需要を満足できない。現在、多自由度運動をする設備は、通常複数の電機で駆動されて、一つの電機が一つの自由度運動をして、これは設備に使われる電機数量が多く、設備体積が大きくなるし、設備の生産コストも高くなる。尚、一旦複数の電機の中の一つは運行問題が発生したら、設備の運行に影響するので、設備の作動安定性が悪い。そして、複数の電機が相互協力して作動するには、複数の電機に対して精確にコントロールして、システムに対する制御要求が高い。これは設備の制御に対して高い要求が求められた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の主な目的は多自由度運動が実現できる球状ヒンジユニバーサル回転電機を提供する。
【０００６】
本発明のもう一つの目的は前記球状ヒンジユニバーサル回転電機の製造方法を提供する。
【０００７】
本発明のまたもう一つの目的は前記球状ヒンジユニバーサル回転電機の作動方法を提供する。
【０００８】
本発明が提供する球状ヒンジユニバーサル回転電機は、球状キャップ状の固定子本体を有し、固定子本体は永久磁石で作成され、永久磁石は磁化され複数の磁極を形成する。また、固定子本体内にある回転子本体を有し、回転子本体は多層電機子を有し、毎層電機子は多層珪素鋼片によって積層してなる回転子鉄心を有し、多層電機子が回転子本体において軸方向に沿って対称に配置され、隣接する二層電機子の間に間隔層が設けられ、多層電機子及び多層間隔層はボルトによって固定連結され、ボルトと回転子軸と連結し、そして回転子本体は球状をして、毎層電機子の回転子鉄心に第一層コイルが巻かれ、第一層コイルは同じ層の電機子の回転子鉄心に巻かれ、毎層電機子の回転子鉄心に第二層コイルが巻かれ、第二層コイルは所在電機子の対称とするもう一つの電機子の第二層コイルと電気的に接続する。
【０００９】
毎層電機子の第一層コイルは該電機子に巻かれ、コイルが通電された後、同じ層の電機子に交番磁界が発生し、回転子本体がボルトを回るように回転させる。毎層の電機子にある第二層コイルはすべて対称とするもう一層電機子のコイルと電気的に接続するため、第二層コイルが通電された後、回転子本体は固定子本体の軸線に対して傾斜が発生し、従って、回転子本体が第二の自由度の運動が実現される。第二層コイルを流す電流の大きさ及び通電時間の変更によって、回転子本体の傾斜角度が変えられ、更に回転子本体の傾斜角度を変え、電機の多自由度の運動が実現される。
【００１０】
一つの好ましい方案は、ボルトの両端にそれぞれ一つの円台状ナットが設けられ、ナットが回転子本体中心に近い一端の断面面積は回転子本体中心を離れる一端の断面面積より小さい。
【００１１】
これでわかるように、ボルトと円台状のナットによって多層の電機子の回転子鉄心と間隔層を固定させ、円台状のナットによって一番外層にある二層の電機子を固定させることができ、回転子本体の多層電機子をしっかりと連結することが確保される。
【００１２】
また好ましい方案は、固定子本体外にハウジングが設けられ、ハウジングはマグネットヨークとマグネットヨーク外にある遮蔽層を有する。
【００１３】
固定子本体はマグネットヨークによって磁界の伝導を実現し、遮蔽層は外部の妨害信号を遮蔽でき、外部の磁界が球状ヒンジユニバーサル回転電機に対する影響を避ける。
【００１４】
更に好ましい方案は、ハウジングに空気取入口が設けられ、空気取入口外にポンプアセンブリが設けられる。こうすると、ポンプアセンブリは高圧空気を固定子本体と回転子本体の間に注入し、固定子本体と回転子本体の間に磁気隙間を形成させ、回転子本体が固定子本体に対して回転するようになる。
【００１５】
更にまた好ましい方案は、ハウジングが固定子本体の欠け口に近寄る所に環状突起が設けられ、突起はハウジングの外壁に回転子本体の周方向に沿って延びる。ハウジング上に設置した突起はハウジングの強度を強め、ハウジングが外力作用を受けて発生する変形を避ける。
【００１６】
本発明のもう一つの目的を実現するため、本発明が提供する球状ヒンジユニバーサル回転電機の製造方法は、球状キャップ状の永久磁石を磁化して複数の磁極を形成し、固定子本体に作成する。珪素鋼板材料を数枚の直径の異なる珪素鋼片に切断し、珪素鋼片を積層して多層電機子を形成し、ボルトを使って多層電機子を貫通して固定し、隣接する二層電機子の間に間隔層が設けられ、毎層の電機子の回転子鉄心に第一層コイルが巻かれ、第一層コイルは同じ層の電機子の回転子鉄心に巻かれ、毎層の電機子の回転子鉄心に第二層コイルが巻かれ、第二層コイルは所在電機子の対称とするもう一つの電機子の第二層コイルと電気的に接続して、球状の回転子本体に作成し、回転子本体を固定子本体内に入れる。
【００１７】
前記方案から見てわかるように、電機の固定子本体を球状キャップ状に加工して、回転子本体を球状に加工して、毎層電機子の第一層コイルが通電された後、発生した交番磁界は、回転子本体がボルトの軸線を回転するようにする。第二層コイルが通電された後、回転子本体は固定子本体の軸線に対して傾斜が発生し、従って、電機の多自由度の運動が実現できる。
【００１８】
一つの好ましい方案として、ボルトを使って電機子を固定した後、多層電機子の外表面を球面に近づきくように電機子の外表面に対して精密加工処理を行う。
【００１９】
多層電機子の外表面を球面に近づく形状に加工することは、回転子本体が固定子本体内で回転しやすくなり、回転子本体が固定子本体内で円滑に回転できることが確保されることは明らかになる。
【００２０】
前記のもう一つの目的を実現するため、本発明が提供する前記球状ヒンジユニバーサル回転電機の作動方法は第一層コイルに通電し、回転子本体をボルトの軸線を回転させて、第二層コイルに通電し、回転子本体を固定子本体の軸線に対して傾斜に回転させることで、電機の多自由度の運動が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明による球状ヒンジユニバーサル回転電機の第一実施例のポンプアセンブリのある構造図である。
【図２】本発明による球状ヒンジユニバーサル回転電機の第一実施例のポンプアセンブリのある構造分解図である。
【図３】本発明による球状ヒンジユニバーサル回転電機の第一実施例のポンプアセンブリのある断面図である。
【図４】本発明による球状ヒンジユニバーサル回転電機の第一実施例のポンプアセンブリのある構造中、回転子本体の構造分解拡大図である。
【図５】本発明による球状ヒンジユニバーサル回転電機の第一実施例において、回転子本体一層電機子の回転子鉄心と一層間隔層の構造拡大図である。
【図６】本発明による球状ヒンジユニバーサル回転電機の第一実施例のポンプアセンブリのある構造中、回転子本体のもう一つ視角の構造図である。
【図７】本発明による球状ヒンジユニバーサル回転電機の第一実施例のポンプアセンブリのある構造中、一枚の珪素鋼片の構造図である。
【図８】本発明による球状ヒンジユニバーサル回転電機の第一実施例の中で、回転子本体一層電機子に巻かれた第一層コイルの展開図である。
【図９】本発明による球状ヒンジユニバーサル回転電機の第一実施例のポンプアセンブリのある構造中、回転子本体が対称する二層電機子に巻かれた第二層コイルの展開図である。
【図１０】本発明による球状ヒンジユニバーサル回転電機の第一、第二実施例の電機子の第一層コイルの制御電路原理図である。
【図１１】本発明による球状ヒンジユニバーサル回転電機の第一、第二実施例の電機子の第二層コイルの制御電路原理図である。
【図１２】本発明による球状ヒンジユニバーサル回転電機の第二実施例のポンプアセンブリのない構造図である。
【図１３】本発明による球状ヒンジユニバーサル回転電機の第二実施例のポンプアセンブリのない断面図である。
【図１４】本発明による球状ヒンジユニバーサル回転電機の第二実施例のポンプアセンブリのない構造分解図である。
【図１５】本発明による球状ヒンジユニバーサル回転電機の第一実施例のポンプアセンブリのある構造と第二実施例のポンプアセンブリのない構造対比図である。
【００２２】
以下は図面と実施例を参照して本発明について詳しく説明する。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の球状ヒンジユニバーサル回転電機に関して、一つの実施例において、球状ヒンジユニバーサル回転電機はポンプアセンブリを有し、もう一つの実施例において、球状ヒンジユニバーサル回転電機はポンプアセンブリを有しない。以下は図面によって二つの実施例を説明する。
【００２４】
第一実施例：
図１を参照して、第一実施例により、球状ヒンジユニバーサル回転電機は大体の球状キャップ状をするハウジング３１を有し、回転子本体はハウジング３１内に入れられて、そして回転子本体は球状であり、ハウジング３１に対して多方向運動ができる。従って、本発明の電機は伝動の平面電機と違って、本発明の電機は多自由度の運動が実現でき、三次元電機と称することができる。
【００２５】
図２と図３を参照して、本発明の電機は球状キャップ状の固定子本体３０を有し、固定子本体３０は永久磁石で作成され、そして複数の磁極に磁化される。実際に応用する時、必要に応じて、永久磁石を８極或いは１６極の磁化ができる。そして固定子本体３０は一つの完全の永久磁石に限らなく、複数の永久磁石から繋ぎ合わせてなることができる。そして、一つ一つの永久磁石は相応の磁極に磁化でき、これによって永久磁石の磁化が実現しやすくなり、固定子３０の製造にも便利である。
【００２６】
図２と図３に示すように、固定子本体３０の複数の磁極は異なる平面の円周方向にすべて間隔を置いて配置されるので、これは回転子本体が異なる方向に運動し、例えば回転子本体が軸線を回転すること或いは傾斜することに役立つ。
【００２７】
固定子本体３０の外はハウジング３１を有し、ハウジング３１は大体の球状キャップ状をして、それは、導磁性材料で作成されたマグネットヨーク３２及び内層外にある遮蔽層３３を含み、マグネットヨーク３２は固定子本体３０の外にあり、固定子本体３０の外壁は接着剤などでマグネットヨーク３２の内壁に接着して、固定子本体３０とハウジング３１との固定連結が実現できる。
【００２８】
遮蔽層３３はアルミ或いはアルミ合金など材料で作成され、外部の磁界を遮蔽し吸収するのに用い、外部の磁界が回転子本体に対する影響を避けるし、回転子本体が形成した磁界が外部の設備に対する磁界干渉を避けるようにする。遮蔽層３３は二次射出成形の方式を通してマグネットヨーク３２に形成され、これで遮蔽層３３はマグネットヨーク３２と固定し連結される。
【００２９】
図２を参照して、ハウジング３１と固定子本体３０の製造、組立の便利を図るため、ハウジング３１と固定子本体３０は二つの球状キャップ状の殻体３５、３６から構成される。殻体３６のエッジの所に殻体３６のエッジから殻体３６の径方向に沿って外に引き伸ばした板体３７が設けられ、板体３７に複数の貫通孔３８が設けられ、そして板体３７の上端に半円柱状体３９が設けられている。
【００３０】
図２を参照して、殻体３５のエッジの所に板体４０が設けられ、板体４０に複数の凸柱４１が設けられ、そして板体３７の上端に半円柱状体４２が設けられている。殻体３５と殻体３６が整列された後、板体３７と板体４０が接続して、凸柱４１が貫通孔３８内に挿入し、殻体３５と殻体３６との固定連結が実現される。そして、二つの半円柱状体３９、４２が接続された後、空気取入口４５を形成し、外部の空気が空気取入口４５を通してハウジング３１内に流れ込む。
【００３１】
図１−３を参照して、空気取入口４５の上方にポンプホルダー４７が設けられ、ポンプホルダー４７内にポンプアセンブリ５０が設置され、ポンプアセンブリ５０の一端に空気取入口５１が設けられ、そしてポンプアセンブリ５０の下端は空気取入口４５と貫通する。空気は空気取入口５１からポンプアセンブリ５０に流れ込んだ後、ポンプアセンブリ５０の圧縮を通して高圧空気を形成し、空気取入口４５からハウジング３１内に流れ込む。
【００３２】
図２と図３を参照して、ポンプアセンブリ５０の上方にまた十字軸ロックリング５３が設けられ、ポンプアセンブリ５０をハウジング３１に固定するのに用いる。そして、十字軸ロックリング５３は複数のネジ５４によってポンプホルダー４７に固定される。
【００３３】
図２と図３を参照して、ハウジング３１は固定子本体３０の欠け口に近い所に環状の突起５５が設けられ、突起５５はハウジング３１の外壁に固定子本体３０の周方向に沿って延びる。こうすると、突起５５によって、ハウジング３１が固定子本体３０の欠け口にある所の強度が強まれ、ハウジング３１の損害を避け、電機の使用寿命を延長する。
【００３４】
図２−６を参照して、固定子本体３０内に球状の回転子本体６０が設置されている。回転子本体６０は多層電機子を有し、毎層電機子は回転子鉄心６１を含む。図５を参照して、回転子鉄心６１は多層珪素鋼片６２から積層してなる。図６を参照して、隣接する二層回転子鉄心６１の間に間隔層６８が設けられている。多層電機子の回転子鉄心６１は回転子本体６０の軸方向に沿って対称に配置される。
【００３５】
図６に示すように、本実施例の回転子本体６０は８層電機子を有し、８層電機子が対応する回転子鉄心はそれぞれＤ１、Ｃ１、Ｂ１、Ａ１、Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２であり、その中、Ａ１とＡ２は対称に設置され、Ｂ１とＢ２は対称に設置され、Ｃ１とＣ２は対称に設置され、Ｄ１とＤ２は対称に設置され、相互対称となる二つの回転子鉄心の大きさは同じである。そして、多層電機子の回転子鉄心６１の直径は回転子本体６０の中心から両端へ次第に逓減する。
【００３６】
図６を参照して、毎層電機子の回転子鉄心６１の多層珪素鋼片６２の直径が異なる。毎層電機子の回転子鉄心６１の多層珪素鋼片６２の直径は回転子本体６０の中心から両側へ次第に逓減するので、回転子本体６０が大体球状をしている。
【００３７】
図７を参照して、一つの実施例により、回転子鉄心６１の各珪素鋼片６２は大体円環状をして、その中間部に円形の貫通孔６４が設けられ、複数の珪素鋼片６２を積層して回転子鉄心６１を形成した後、貫通孔６４はボルト穴を形成する。貫通孔６４外側にあるのは珪素鋼片６２のマグネットヨーク部６３であり、マグネットヨーク部６３の外に珪素鋼片６２周方向に沿って複数の巻線スロット６５が設けられ、各巻線スロット６５の溝は外向けに設置される。マグネットヨーク部６３に複数の位置決め穴６６が設けられ、積層して回転子鉄心６１が形成された後、ビンなどを使って位置決め穴６６を貫通して多層珪素鋼片６２が固定される。
【００３８】
図６を参照して、一つの実施例により、両側の回転子鉄心６１の間にある間隔層６８も多層珪素鋼片から積層してなるのである。間隔層６８の珪素鋼片の直径は回転子鉄心６１の珪素鋼片６２より小さい。そして、間隔層６８の珪素鋼片の中間部にも貫通孔が設けられる。ただ間隔層６８の珪素鋼片に巻線スロットが設置されない。従って、間隔層６８にコイルを巻かない。
【００３９】
図６を参照して、一つの実施例により、多層回転子鉄心６１と多層間隔層６８はボルト７０によって固定される。図３を参照して、ボルト７０は一本の円柱形のネジ棒７１を含み、ネジ棒７１の両端外壁に外ネジ山が設けられている。図４を参照して、ネジ棒７１の中間部にネジ棒７１両端を貫通する貫通孔７２が設けられている。ネジ棒７１の両端にそれぞれナット７３、７５が設けられ、各ナット７３、７５はすべて円錐台状をなし、そしてナット７３、７５の断面面積は回転子本体６０の中心から外向けへ次第に大きくなり、従ってナット７３、７５は回転子本体６０に近い一端の断面面積は回転子本体６０を離れる一端の断面面積より小さい。
【００４０】
そして、各ナット７３、７５内壁にそれぞれ内ネジ山が設けられ、内ネジ山はネジ棒７１両端の外ネジ山と噛みあって、これでナット７３、７５をネジ棒７１の両端に固定させる。各ナット７３、７５にもナット７３、７５の上下二つの表面を貫通する貫通孔７４、７６が設けられている。こうすると、ボルト７０はその軸方向の二つの表面を貫通する貫通孔を有する。
【００４１】
図６を参照して、一つの実施例により、回転子本体６０の多層回転子鉄心６１及び間隔層６８はボルト７０によって固定され、ボルト７０は毎層電機子の回転子鉄心６１及び間隔層６８中間部のボルト穴を貫通する。ボルト７０の二つのナット７３、７５が円錐台状であるため、回転子本体６０を組み立てる時、ネジ棒７１に毎層電機子の回転子鉄心６１及び間隔層６８を整列した後、ナット７３、７５をそれぞれネジ棒７１の両端に締め、これで多層回転子鉄心６１をボルト７０に固定させることができ、そして多層回転子鉄心６１のセルフロックが実現できる。
【００４２】
一つの実施例により、たとえ毎層回転子鉄心６１の直径がより大きく、即ち毎層回転子鉄心６１の面積がより大きい時、複数の固定軸を使って多層回転子鉄心６１及び間隔層６８を貫通して多層回転子鉄心６１を固定させることができる。
【００４３】
一つの実施例により、毎層電機子の回転子鉄心６１に二層のコイルが巻かれ、第一層コイルは同じ層電機子の回転子鉄心６１の巻線スロット内に巻かれている。図８を参照して、一つの実施例により、本実施例の回転子鉄心６１は２４スロット８極の巻線方式を採用し、回転子鉄心６１に共に２４個のコイルが巻かれている。一つ目のコイルはスロット１とスロット３の間に巻かれ、二つ目のコイルはスロット２とスロット４の間に巻かれ、三つ目のコイルはスロット３とスロット５の間に巻かれ、このように類推して、即ち各コイルは一つのスロットの間隔に置いての二つのスロットの間に巻かれている。そして、スロット１とスロット３の間に巻かれるコイルはスロット１３とスロット１５の間に巻かれるコイルと接続して、このように類推していく。第一層コイルの巻き方は現有の普通の非同期式交流電機の巻き方と同じである。
【００４４】
こうすると、８層電機子の第一層コイルが通電された後、毎層電機子のコイルが回転磁界を形成し、該磁界が固定子本体３０の磁界に対して回転し、従って回転子本体６０が固定子本体３０に対して回転し、そして回転子本体６０がボルト７０の軸方向を回転する。こうすると、８層電機子が８つの普通平面電機の回転子に相当する。
【００４５】
一つの実施例により、８層電機子の回転子鉄心６１には第二層目コイルが巻かれている。図９に示すように、一つの実施例により、同じ層電機子に巻かれた第二層コイルも２４個のコイルを含む。例えば、電機子Ａ１に巻かれた１つ目のコイルはスロット１とスロット３の間に巻かれ、２つ目のコイルはスロット２とスロット４の間に巻かれ、３つ目のコイルはスロット３とスロット５の間に巻かれ、このように類推して、即ち各コイルが一つのスロットの間隔においての二つのスロットの間に巻かれている。
【００４６】
然しながら、電機子Ａ１に巻かれたスロット１とスロット３の間のコイルは電機子Ａ１にあるスロット１３とスロット１５の間のコイルと電気的に接続しないで、電機子Ａ２にあるスロット１３とスロット１５の間のコイルと電気的に接続する。電機子Ａ１に巻かれたスロット４とスロット６の間のコイルは電機子Ａ２に巻かれたスロット１６とスロット１８の間のコイルと電気的に接続する。このように類推して、言い換えれば、毎層電機子にある一つのコイルは対称となる電機子にあるもう一つのコイルと電気的に接続する。
【００４７】
こうすると、一つの実施例により、第二層コイルに通電した後、二つの対称電機子に回転磁界が形成され、そして磁界が固定子本体３０の回転方向に対して回転子本体６０のボルト７０の軸線を回転するわけではなく、回転子本体６０の固定子本体３０の軸線に対して傾斜が発生する。たとえボルト７０の軸線をＺ軸として、Ｚ軸に垂直し、且つ回転子本体６０円心の所在平面をＸＯＹ平面とするなら、第一層コイルが通電された後、回転子本体６０がＺ軸を回転し、第二層コイルが通電された後、回転子本体６０がＺ軸に対して傾斜が発生し、ＸＯＺ平面での回転或いはＹＯＺ平面での回転が実現される。
【００４８】
毎層電機子の第二層コイルはすべて対称となる電機子の第二層コイルと電気的に接続するため、毎層電機子に形成された磁界は重ねてかなり大きな力を形成して回転子本体６０の回転を押し付ける。
【００４９】
勿論、他の実施例により、コイルの巻き方は多種の変化ができる。例えば、電機子Ａ１、Ａ２に第一層コイルだけ巻かれ、電機子Ｂ１、Ｂ２に第二層コイルだけ巻かれる。或いは、電機子Ａ１、Ａ２にある第二層コイルが通電される時、回転子本体６０をＸＯＺ平面で回転させ、電機子Ｂ１、Ｂ２にある第二層コイルが通電されるとき、回転子本体６０をＹＯＺ平面で回転させ、電機子Ｃ１、Ｃ２にある第二層コイルが通電される時、回転子本体６０をＸＯＺ平面と４５°となる平面内で回転するなど、異なる電機子の第二層コイルに通電することにより、球状ヒンジユニバーサル回転電機が異なる方向に回転することが実現される。
【００５０】
一つの実施例により、ボルト７０の中間部に貫通孔が設けられるため、そして、毎層間隔層６８に回転子鉄心６１の径方向に沿って延びる貫通孔が設けられ、即ち間隔層６８の貫通孔はボルト７０の貫通孔に垂直となる。こうすると、異なるコイルを接続する接続線は間隔層６８にある貫通孔及びボルト７０の貫通孔を通して、接続線は回転子本体６０の表面に飛び出すことができず、接続線に対する保護には役立つ。尚、接続線の外に保護層をつけることができ、例えば熱収縮チューブを被せるなど、接続線の破損を避けるようにする。
【００５１】
図2と図3に示すように、回転子本体６０の下端に回転子軸５８が設けられ、回転子軸５８はボルト７０と固定連結し、回転子本体６０が回転する時、回転子軸５８の回転を動かして、これで外に動力を出力する。そして、回転子本体６０の下方に制御信号線チューブ５６が設けられ、チューブ５６はＴ字チューブであり、回転子本体６０にあるコイルの電源線、制御信号線などはすべてチューブ５６を通して外部の電源線、制御チップなどと電気的に接続する。
【００５２】
一つの実施例により、図１０に示したのは、毎層電機子の第一層コイルの制御電路である。制御電路の中で、制御チップは電力管に制御信号を出力し、例えばパルス幅変調信号は、電力管の開通と遮断を制御し、外部の電流を第一層コイルに流して、回転子本体６０をＺ軸を正方向に回転させる或いは反方向に回転させることが実現される。
【００５３】
一つの実施例により、図１１に示したのは、毎層電機子の第二層コイルの制御電路であり、制御チップも電力線に制御信号を出力して、回転子本体６０がＸＯＺ平面における正方向回転或いは反方向回転を制御する。或いは、ＹＯＺ平面における正方向回転或いは反方向回転を制御する。毎層電機子の第二層コイルの制御電路は第一層コイルの制御電路のハードウェア構成と同じである。
【００５４】
好ましいのは、本実施例の球状ヒンジユニバーサル回転電機はステップモータであり、即ち電機は毎回の運動がより小さい角度しか回転しないが、連続的に制御信号を出力することによって、連続的に第一層コイル或いは第二層コイルに電流を流して、電機が急速に回転する或いは回ることが実現できる。そして、回る角度は流した電流の時間長さによって調整できる。これによって、電機は全方向に回転することが実現できる。
【００５５】
本実施例の球状ヒンジユニバーサル回転電機を製造する時、まず球状キャップ状の永久磁石を磁化して複数の磁極に形成し、磁極の数量は実際情況によって決める。それから、電機のハウジングを製造する。ハウジングは二層あって、内層は導磁性材料で作成されたマグネットヨークであり、外層はアルミなど金属で作成された遮蔽層である。それから、固定子本体をハウジング内に固定する。例えば接着剤によって固定子本体の外壁をマグネットヨークの内壁に接着する。
【００５６】
その後、電機の回転子本体を製造する。珪素鋼板を直径の異なる複数の珪素鋼片に切断し、各珪素鋼片の中間部に貫通孔を有し、そして珪素鋼片の周方向に複数の巻線スロットが設けられている。それから、複数の珪素鋼片を積層して回転子鉄心を形成し、回転子鉄心を積層する時、同じ回転子鉄心にある複数の珪素鋼片の直径が次第に増加する或いは次第に逓減することを確保することが必要である。
【００５７】
次は、珪素鋼板を切断して間隔層の珪素鋼片を形成し、間隔層の珪素鋼片の中間部に貫通孔を有するが、周方向には巻線スロットを設けない。間隔層の珪素鋼片の直径は回転子鉄心の珪素鋼片の直径より小さい。その後、ボルトを使って、多層回転子鉄心及び間隔層を貫通して、ナットを回転子鉄心に締めて、多層回転子鉄心の固定が実現される。
【００５８】
次は、自動工作機械を使って多層回転子鉄心の外表面に対して精密加工処理を行い、多層電機子の回転子鉄心の外表面を球面に近づくようにする。それから、毎層電機子の回転子鉄心にコイルを巻き、毎層電機子に二層コイルを巻き、第一層コイルは同じ層電機子に巻かれ、且つ同じ層電機子に複数の第一層コイルが電気的に接続する。第二層コイルは電機子に巻かれた後、第二層コイルと該電機子の対称となるもう一層電機子に巻かれた第二層コイルを電気的に接続する。
【００５９】
最後は、回転子本体を固定子本体内に入れ、ハウジングにポンプアセンブリなど部品を組み立てて、これで球状ヒンジユニバーサル回転電機の製造が完成することになる。
【００６０】
本発明によるもう一つの実施例。  
図１２〜図１５を参照して、本実施例の球状ヒンジユニバーサル回転電機８０は、ハウジング１０１を有し、ハウジング１０１は二つの半球状の殻体から構成され、ハウジング１０１内に固定子本体１０２が設けられ、固定子本体１０２は永久磁石から磁化してなり、そして永久磁石は複数の磁極に磁化される。
【００６１】
固定子本体１０２内に回転子本体１０３が入れてあり、第一実施例の回転子本体と同じ、本実施例の回転子本体１０３も多層電機子１０４の構成を有する。毎層電機子１０４は多層珪素鋼片で作成された回転子鉄心を有し、回転子鉄心に二層のコイルが巻かれ、コイルの巻き方は第一実施例と同じである。回転子本体１０３内に回転子軸１０５が設けられ、そして球状ヒンジユニバーサル回転電機８０の天面に空気取入口１０６が設けられ、空気取入口１０６は外部の空気配管と繋がり、高圧空気は外部の空気配管から空気取入口１０６に入ることができる。
【００６２】
図１５から見てわかるように、本実施例と第一実施例と異なる点はポンプアセンブリが設置されていないことである。従って、本発明の球状ヒンジユニバーサル回転電機はポンプアセンブリ構造を有するものとポンプアセンブリ構造を有しないものの異なる実施例に分けられる。
【００６３】
本発明の球状ヒンジユニバーサル回転電機の応用の一つはロボットであり、例えば人工知能ロボットに関節部品とする駆動電機である。例えば、本発明の電機を使うことによって、人工知能ロボットの頸椎回転は三次元自由度回転が実現でき、肩関節部品も三次元自由度回転が実現でき、従来の二つの電機が必要とする状況が変えられる。一つの球状ヒンジ電機によって三つの自由度空間回転が実現でき、本当の生体工学効果が実現される。他は腰椎、骨盤部、腕部に使われた球状ヒンジ電機は同じく生き生きした構造表現が出て、例えば、アクション映画「トランスフォーマー」の関節は全部球状ヒンジ電機に交換して、効果が更に生き生きとして、ロボットの手足の全方向運動が実現できる。
【００６４】
本発明による球状ヒンジユニバーサル回転電機は各種設備に応用でき、軍事火器装置に応用すると、火器の多方向回転が実現される。
【００６５】
前記の方案から見てわかるように、本発明による球状ヒンジユニバーサル回転電機はボルトの軸線を回転するだけでなく、多方向の回転が実現できる。従って三次元電機と称される。それは軍事設備、家庭電器に応用でき、三次元運動設備の小型化が実現できる。
【００６６】
勿論、前記実施例は本発明の好ましい実施形態だけであり、実際応用される時、もっと多くの変更があってよい。例えば、電機は実際応用により、三相電機或いは単相電機に製造できる。又は、ハウジングの固定子本体の欠け口に突起を設けない。又は、電機子の層数は八層ではなく、六層、十層などにするなど。二以上の偶数であればＯＫである。そして、多層電機子は回転子本体の軸方向に対称に配置され、このような変更も本発明の目的が実現できる。
【００６７】
最後に強調する必要なのは、本発明は前記実施形態に限りなく、例えば回転子本体にある電機子層数の変更、毎層電機子の珪素鋼片数量の変更など変化も本発明請求項の保護範囲に含まれるべきである。
【００６８】
特許請求範囲に関して、特別な説明を除いて、使われた言葉、例えば「一」「一つ」「少なくとも一つ」或いは「少なくとも一部分」は特徴の前書に使われ、請求範囲がこの一類の特徴に限定する旨ではない。前記の陳述内容すべて陳述性質であり、限定的な陳述ではない。従って、本分野の技術者が容易で簡単に修正することができて、これらは特許請求範囲の要旨から脱していない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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