TWI502861B - 球鉸萬向回轉電機結構及其製造方法、工作方法以及運用示例 - Google Patents

Description

球鉸萬向回轉電機結構及其製造方法、工作方法以及運用示例

本發明係有關一種球鉸萬向回轉電機結構及其製造方法、工作方法以及運用示例，涉及電機領域，為最新型電機，尤其是涉及一種三維球鉸萬向回轉電機以及這種電機的製造方法、這種電機的工作方法，該電機並適於提供仿生機器人的轉動結構、關節部位以一個支點作多個自由度的轉動，該電機更可廣泛地運用於需為多個自由度轉動的設備、機具、電器產品及其他需要實施三維運動的範圍等。

本發明是基於2011年5月3日向臺灣智慧財產局遞交的申請號為100115399的發明專利申請第8頁、第9頁的內容、圖21-9b-joints ball-motor-3D-2；圖23-9b-joints ball-motor-無泵座結構；圖24-joint ball-轉子體；圖25-3D SPA-9b-joints ball-motor-無泵座結構；圖26-joint ball-轉子體-3D-110107；圖27永磁體立體圖示；而更新發展的，作進一步實質審查申請。

本發明並已優先於大陸、澳門以及美國等國申請專利。

現代人們生活使用的電器產品大多設有電機，電機也廣泛應用在生產製造、軍事設備上，現有的電機具有定子以及轉子，轉子軸安裝在轉子中並隨轉子的旋轉而旋轉，並由此輸出動力。由於現有的電機的轉子軸只能繞電機的軸線旋轉，因此可以稱為平面電機，即電機的轉子軸的運動只有一個自由度。

參見第一圖，現有的一些電機具有殼體10以及位於殼體10兩端的端蓋11、12，殼體10以及端蓋11、12圍成一個腔體，腔體內安裝有定子15以及轉子18，定子15具有定子鐵芯16以及繞置在定子鐵芯16上的線圈17，轉子18安裝在定子15內，並可相對於定子15旋轉，轉子軸19安裝在轉子18內，且與轉子18過盈配合，轉子軸19在轉子18的帶動下旋轉，從而向外輸出動力。

定子鐵芯16通常由多片形狀相同的定子沖片疊壓而成，參見第二圖，定子沖片20由矽鋼板材衝壓而成，其大致呈圓環狀，並具有位於外周緣的軛部21，且軛部21呈圓環狀，定子沖片20還設有自軛部21沿定子沖片20的徑向向定子沖片20的中部延伸的多個齒22，相鄰的兩個齒22之間形成一個繞線槽23，線圈繞置在齒22上。

並且，定子沖片20的中部設置一個中空的內圓孔24，多片定子沖片20疊壓形成定子鐵芯16後，定子沖片20的內圓孔24形成轉子孔，轉子安裝到轉子孔內。

轉子鐵芯也由轉子沖片疊壓而成，轉子鐵芯上可以繞置轉子線圈或者在轉子鐵芯上鑄鋁形成轉子18，定子線圈17通電後，交流電在定子線圈17內形成交變的磁場，轉子18在交變的磁場推動下旋轉，從而帶動轉子軸19旋轉，因此，定子15為電機的電樞，其接收電能並產生交變的磁場。

然而，現有的電器設備、工業裝置等需要部件能夠做多個自由度的運動，由於現有的電機只能做一個自由度的運動，不能滿足現有電器設備等的應用需求，現在做多個自由度運動的設備通常由多個電機驅動，每一個電機驅動設備做一個自由度運動，這導致設備使用的電機數量較多、體積較大，也導致設備的生產成本較高。

另外，一旦多個電機中的一個運行出現問題，則影響設備的運行，設備的工作穩定性較差，並且，多個電機的相互配合工作，需要對多個電機進行精確的控制，對系統的控制要求很高，這對設備的控制提出了很高的要求。

有鑑於上述缺失弊端，本發明人認為其有急待改正之必要，遂以其從事相關產品設計製造之多年經驗，及其一貫秉持具有之優良設計理念，針對以上不良處加以研究創作，在經過不斷的努力後，終乃推出本發明球鉸萬向回轉電機結構及其製造方法、工作方法以及運用示例，其以優良創新性之產品結構開拓出一個全新的電機領域，使人類工業經濟領域完全地跨越一大步。

本發明的主要目的是提供一種能夠實現以一個支點作多個自由度運動的球鉸萬向回轉電機。

本發明的另一目的是提供一種製造上述的球鉸萬向回轉電機的方法。

本發明的再一目的是提供一種上述球鉸萬向回轉電機的工作方法。

為實現本發明的主要目的，本發明提供的球鉸萬向回轉電機 具有球缺狀的定子本體，定子本體由永磁體製成，永磁體被磁化形成多個磁極，還具有位於定子本體內的轉子本體，轉子本體具有多層電樞，每一層電樞具有由多層矽鋼片疊壓而成的轉子鐵芯，多層電樞在轉子本體上沿軸向對稱佈置，相鄰的兩層電樞之間設有間隔層，多層電樞以及多層間隔層通過螺栓固定連接，螺栓與轉子軸連接，且轉子本體呈球狀，每一層電樞的轉子鐵芯上繞置有第一層線圈，第一層線圈繞置在同一層電樞的轉子鐵芯上，每一層電樞的轉子鐵芯上繞置有第二層線圈，第二層線圈與所在電樞的對稱的另一電樞的第二層線圈電連接。

由上述方案可見，球鉸萬向回轉電機的定子本體為球缺狀，且轉子本體上設置多層電樞，每一層電樞的第一層線圈繞置在該電樞上，線圈通電後在同一層電樞上形成交變的磁場，從而推動轉子本體繞螺栓旋轉，由於每一層電樞上的第二次線圈均與對稱的另一層電樞上的線圈電連接，因此第二層線圈通電後使轉子本體相對於定子本體的軸線發生傾斜，從而實現轉子本體在第二個自由度上的運動，隨著流經第二層線圈的電流大小以及通電時間的改變，可以改變轉子本體的傾斜角度，進而改變轉子本體的傾斜角度，實現電機以一個支點作多個自由度的運動。

上述之螺栓，該螺栓的兩端分別設有一個圓錐狀螺帽，螺帽靠近轉子本體中心的一端橫截面面積小於遠離轉子本體中心一端的橫截面面積，由此可見，通過螺栓與圓錐狀的螺帽將多層電樞的轉子鐵芯與間隔層固定，通過圓錐狀的螺帽能夠將位於最外層的兩層電樞固定，確保轉子本體的多層電樞連接牢靠。

另外，上述之定子本體，該定子本體外設有外殼，殼體具有磁軛以及位於磁軛外的遮罩層，可見，定子本體通過磁軛實現磁 場的傳導，而遮罩層可以將外部的干擾信號遮罩，避免外部的磁場對球鉸萬向回轉電機造成影響。

另外，上述之定子本體的外殼，該外殼上設有進氣口，進氣口外設有氣泵元件，這樣，氣泵元件將高壓的空氣注入到定子本體與轉子本體之間，使定子本體與轉子本體之間形成磁隙，以便於轉子本體相對於定子本體旋轉。

另外，上述之定子本體的外殼，該外殼靠近定子本體的缺口處設有環狀的凸部，凸部在外殼的外壁上沿轉子本體的周向延伸，可見，通過設置在外殼上的凸部加強外殼的強度，避免外殼受外力作用發生變形。

為實現本發明的另一目的，本發明提供的球鉸萬向回轉電機的製造方法包括將球缺狀的永磁體磁化形成多個磁極，製成定子本體，將矽鋼板材切割製成多片直徑不相等的矽鋼片，將矽鋼片疊壓形成多層電樞，使用螺栓穿過並固定多層電樞，相鄰的兩層電樞之間設有間隔層，在每一層電樞的轉子鐵芯上繞置第一層線圈，第一層線圈繞置在同一層電樞的轉子鐵芯上，在每一層電樞的轉子鐵芯上繞置第二層線圈，第二層線圈與所在電樞對稱的另一電樞的第二層線圈電連接，製成球狀的轉子本體，將轉子本體裝入定子本體內。

由上述可見，將電機的定子本體加工成球缺狀，且將轉子本體加工成球形，每一層電樞上的第一層線圈通電後產生的交變磁場可以推動轉子本體繞螺栓的軸線旋轉，第二層線圈通電後可以使轉子本體相對於定子本體的軸線發生傾斜，從而實現電機的以一個支點作多個自由度的運行。

經上述進一步之界定，該使用螺栓將電樞固定後，對電樞的 外表面進行精加工處理，使多層電樞的外表面接近於球面，由此可見，將多層電樞的外表面加工成接近於球面的形狀，更利於轉子本體在定子本體內旋轉，可以確保轉子本體在定子本體內順暢地轉動。

為實現上述的再一目的，本發明提供的上述球鉸萬向回轉電機的工作方法包括向第一層線圈通電使轉子本體繞螺栓的軸線旋轉，向第二層線圈通電使轉子本體相對於定子本體的軸線傾斜地轉動，經此，由上述方案可見，通過向第一層線圈以及第二層線圈通電，轉子本體不但可以繞螺栓的軸線旋轉，還可以相對於定子本體的軸線傾斜地轉動，從而實現電機以一個支點作多個自由度的運動。

本發明不僅實現了上述之各項目的，更於電機領域中開創全新的運用結構的新領域，可有效解決現有技術不足克服的諸多難題者。

30‧‧‧定子本體

31‧‧‧外殼

32‧‧‧磁軛

33‧‧‧遮罩層

35‧‧‧殼體

36‧‧‧殼體

37‧‧‧板體

38‧‧‧通孔

39‧‧‧半圓柱狀體

40‧‧‧板體

41‧‧‧凸柱

42‧‧‧半圓柱狀體

45‧‧‧進氣口

47‧‧‧氣泵固定座

50‧‧‧氣泵元件

51‧‧‧進氣口

53‧‧‧十字軸鎖緊環

54‧‧‧螺釘

55‧‧‧凸部

56‧‧‧控制信號線管筒

58‧‧‧轉子軸

60‧‧‧轉子本體

61‧‧‧轉子鐵芯

62‧‧‧矽鋼片

63‧‧‧軛部

64‧‧‧通孔

65‧‧‧繞線槽

66‧‧‧定位孔

68‧‧‧間隔層

70‧‧‧螺栓

71‧‧‧螺杆

72‧‧‧通孔

73‧‧‧螺帽

74‧‧‧通孔

75‧‧‧螺帽

76‧‧‧通孔

79‧‧‧球鉸萬向回轉電機有泵座

80‧‧‧球鉸萬向回轉電機無泵座

81‧‧‧底座

82‧‧‧行星齒輪機構

83‧‧‧氣管

84‧‧‧支撐軸

85‧‧‧基板

90‧‧‧Y型座

101‧‧‧外殼

102‧‧‧定子本體

103‧‧‧轉子本體

104‧‧‧電樞

105‧‧‧轉子軸

106‧‧‧進氣口

【習知符號說明】

10‧‧‧殼體

11‧‧‧端蓋

12‧‧‧端蓋

15‧‧‧定子

16‧‧‧定子鐵芯

17‧‧‧線圈

18‧‧‧轉子

19‧‧‧轉子軸

20‧‧‧定子沖片

21‧‧‧軛部

22‧‧‧齒

23‧‧‧繞線槽

24‧‧‧內圓孔

第一圖：現有電機的剖視圖

第二圖：現有一種定子沖片的結構放大圖

第三圖：本發明球鉸萬向回轉電機第一實施例的結構圖

第四圖：本發明球鉸萬向回轉電機第一實施例的結構分解圖

第五圖：本發明球鉸萬向回轉電機第一實施例的剖視圖

第六圖：第五圖中A-A向的剖視圖

第七圖：本發明球鉸萬向回轉電機第一實施例中定子本體與外殼的結構分解圖

第八圖：本發明球鉸萬向回轉電機第一實施例中轉子本體的結構 放大圖

第九圖：本發明球鉸萬向回轉電機第一實施例中轉子本體的結構分解放大圖

第十圖：本發明球鉸萬向回轉電機第一實施例中螺栓與螺帽的結構分解放大圖

第十一圖：本發明球鉸萬向回轉電機第一實施例中轉子本體一層電樞的轉子鐵芯與一層間隔層的結構放大圖

第十二圖：本發明球鉸萬向回轉電機第一實施例中轉子本體另一視角的結構圖

第十三圖：本發明球鉸萬向回轉電機第一實施例中一片矽鋼片的結構圖

第十四圖：本發明球鉸萬向回轉電機第一實施例中轉子本體一層電樞上繞置的第一層線圈的展開圖

第十五圖：本發明球鉸萬向回轉電機第一實施例中轉子本體對稱兩層電樞上繞置的第二層線圈的展開圖

第十六圖：本發明球鉸萬向回轉電機第一實施例的一個控制電路原理圖

第十七圖：本發明球鉸萬向回轉電機第一實施例電樞的第一層線圈的控制電路原理圖

第十八圖：本發明球鉸萬向回轉電機第一實施例電樞的第二層線圈的控制電路原理圖

第十九圖：本發明球鉸萬向回轉電機第二實施例的結構圖

第二十圖：本發明球鉸萬向回轉電機第二實施例的剖視圖

第二十一圖：本發明球鉸萬向回轉電機第二實施例的結構分解圖

第二十二圖：本發明球鉸萬向回轉電機第一實施例與第二實施例 的展示圖

第二十三圖：應用本發明球鉸萬向回轉電機第二實施例的平衡回轉體的結構圖

第二十四圖：應用本發明球鉸萬向回轉電機第二實施例的平衡回轉體的Y型座的結構圖

第二十五圖：應用本發明球鉸萬向回轉電機第二實施例的平衡回轉體的底座的結構圖以下結合附圖及實施例對本發明作進一步說明。

本發明係有關一種球鉸萬向回轉電機結構及其製造方法、工作方法以及運用示例，所述之球鉸萬向回轉電機，按供氣方式可以分為帶有氣泵元件結構(有氣泵)與不帶有氣泵元件的結構(無氣泵)，下面通過兩個實施例分別說明帶有氣泵元件結構與不帶有氣泵元件的結構。

第一實施例(有氣泵)：

參見第三圖，本實施例具有一個大致呈球缺狀的外殼31，轉子本體裝在外殼31內，且轉子本體為球狀，可以相對於外殼31進行多個方向運動，因此，本發明的電機有別於傳動的平面電機，本發明的電機能夠實現以一個支點作多個自由度的運動，可以稱為三維電機。

參見第四圖與第五圖，本發明的電機具有一個球缺狀的定子本體30，定子本體30由永磁體製成，且被磁化成多個磁極。實際應用時，可以根據需要將永磁體磁化成八極或者十六極，並且，定子本體30不一定為一個完整的永磁體，可以由多塊永磁體拼接 而成，且每一塊永磁體被磁化成相應的磁極，這樣可以方便地實現永磁體的磁化，也方便定子本體30的製造。

如第五圖與第六圖所示，定子本體30的多個磁極在不同平面的圓周方向上均是間隔佈置的，這有利於轉子本體在不同的方向上運動，包括繞轉子本體的軸線旋轉或者傾斜。

定子本體30外套裝有外殼31，外殼31大致呈球缺狀，其包括導磁材料製成的磁軛32以及位於內層外的遮罩層33，磁軛32位於定子本體30外，定子本體30的外壁可以通過膠水等黏接在磁軛32的內壁上，從而實現定子本體30與外殼31的固定連接。

遮罩層33由鋁或者鋁合金等材料製成，用於遮罩並吸收外部的磁場，避免外部的磁場對轉子本體造成影響，也避免轉子本體形成的磁場對外部的設備造成磁場干擾，遮罩層33可以通過二次注塑的方式形成在磁軛32上，因此遮罩層33與磁軛32固定連接。

參見第七圖，為了便於外殼31與定子本體30的製造、組裝，外殼31以及定子本體30由兩個半球缺狀的殼體35、36構成，殼體36的邊緣處設有自殼體36的邊緣沿殼體36的徑向向外延伸的板體37，板體37上設有多個通孔38，且板體37的上端設有半圓柱狀體39。

相對應的，殼體35的邊緣處也設有板體40，板體40上設有多個凸柱41，且板體37的上端設有半圓柱狀體42，殼體35與殼體36對接後，板體37與板體40對接，凸柱41***到通孔38內，從而實現殼體35與殼體36的固定連接，並且，兩個半圓柱狀體39、42對接後形成進氣口45，外部的空氣可以通過進氣口45流進外殼31內。

回看第四圖與第五圖，進氣口45的上方設有氣泵固定座47， 氣泵固定座47內安裝有氣泵元件50，氣泵元件50的一端設有進氣口51，且氣泵組件50的下端與進氣口45連通，空氣從進氣口51流進氣泵組件50後，經過氣泵組件50的壓縮形成高壓空氣，並從進氣口45流進外殼31內。

氣泵組件50的上方還設有十字軸鎖緊環53，用於將氣泵元件50固定在外殼31上，並且，十字軸鎖緊環53通過多個螺釘54固定在氣泵固定座47上。

外殼31靠近定子本體30的缺口處設有環狀的凸部55，凸部55在外殼31的外壁上沿定子本體30的周向延伸，這樣，通過凸部55可以增加外殼31在定子本體30的缺口處的強度，避免外殼31的損壞，延長電機的使用壽命。

定子本體30內裝有球狀的轉子本體60，參見第八圖與第九圖，轉子本體60具有多層電樞，每一層電樞包括轉子鐵芯61，轉子鐵芯61由多層矽鋼片疊壓而成，且相鄰的兩層轉子鐵芯61之間設有間隔層68，多層電樞的轉子鐵芯61沿轉子本體60的軸向對稱佈置，如第十二圖所示的，本實施例的轉子本體60具有八層電樞，八層電樞對應的轉子鐵芯分別是D1、C1、B1、A1、A2、B2、C2、D2，其中A1與A2對稱設置，B1與B2對稱設置，C1與C2對稱設置，D1與D2對稱設置，相互對稱的兩個轉子鐵芯大小相同，並且，多層電樞層的轉子鐵芯61的直徑自轉子本體60的中心向兩端逐漸遞減。

參見第十一圖，每一層電樞的轉子鐵芯61的多層矽鋼片62的直徑不相等，從第十二圖可見，每一層電樞的轉子鐵芯61的多層矽鋼片62的直徑是自轉子本體60的中心向兩側逐漸遞減，因此轉子本體60大致呈球形。

參見第十三圖，轉子鐵芯61的每一片矽鋼片62大致呈圓環狀，其中部設有圓形的通孔64，多片矽鋼片62疊壓形成轉子鐵芯61後，通孔64形成螺栓孔，位於通孔64外側的是矽鋼片62的軛部63，軛部63外沿矽鋼片62的周向上設有多個繞線槽65，每一個繞線槽65的槽口均朝外設置，軛部63上還設有多個定位孔66，疊壓形成轉子鐵芯61後可以使用銷釘等穿過定位孔66以固定多層矽鋼片62。

位於兩側轉子鐵芯61之間的間隔層68也是由多層矽鋼片疊壓而成，間隔層68的矽鋼片的直徑小於轉子鐵芯61的矽鋼片62，且間隔層68的矽鋼片中部也設有通孔，但間隔層68的矽鋼片不設置繞線槽，因此間隔層68上並不繞置線圈。

從第八圖可見，多層轉子鐵芯61與多層間隔層68由螺栓70固定，參見第十圖，螺栓70包括一根圓柱形的螺杆71，螺杆71的兩端外壁上設有外螺紋(第十圖中未示)，且螺杆71的中部具有貫穿螺杆71兩端的通孔72，螺杆71的兩端分別設有一個螺帽73、75，每一個螺帽73、75均為圓錐狀，且螺帽73、75的橫截面積自轉子本體60的中心向外逐漸增大，因此螺帽73、75靠近轉子本體60一端的橫截面積小於遠離轉子本體60一端的橫截面積。

並且，每一個螺帽73、75內壁上分別設有內螺紋，內螺紋與螺杆71兩端的外螺紋配合，由此可以將螺帽73、75固定在螺杆71的兩端，每一個螺帽73、75上也設有貫穿螺帽73、75上下兩個表面的通孔74、76，這樣，螺栓70具有一個貫穿其軸向兩個表面的通孔。

轉子本體60的多層轉子鐵芯61以及間隔層68通過兩頭具外錐形螺帽73、75的螺栓70固定，螺栓70穿過每一層電樞的轉子鐵芯 61以及間隔層68中部的螺栓孔，由於螺栓70的兩個螺帽73、75為圓錐狀，組裝轉子本體60時，將每一層電樞的轉子鐵芯61以及間隔層68套裝到螺杆71外後，將螺帽73、75分別旋入螺杆71的兩端，即可以將多層轉子鐵芯61固定在螺栓70上，並實現多層轉子鐵芯61的自鎖。

當然，如果每一層轉子鐵芯61的直徑較大，即每一層轉子鐵芯61的面積較大時，可以使用多根固定軸穿過多層轉子鐵芯61以及間隔層68以將多層轉子鐵芯61固定。

每一層電樞的轉子鐵芯61上繞置有兩層線圈，第一層線圈繞置在同一層電樞的轉子鐵芯61的繞線槽內，參見第十四圖，本實施例的轉子鐵芯61採用二十四槽八極的繞線方式，轉子鐵芯61上一共繞置有24個線圈，第一個線圈繞置在1槽與3槽之間，第二個線圈繞置在2槽與4槽之間，第三個線圈繞置在3槽與5槽之間，如此類推，即每一個線圈繞置在間隔一個槽的兩個槽之間，並且，繞置在1槽與3槽之間的線圈跟繞置在13槽與15槽之間的線圈連接，如此類推，第一層線圈的繞置方式與現有的普通非同步交流電機的繞線方式相同。

這樣，當八層電樞上的第一層線圈通電後，每一層電樞的線圈形成旋轉的磁場，該磁場相對於定子本體30的磁場旋轉，因此轉子本體60相對於定子本體30旋轉，且轉子本體60繞螺栓70的軸向旋轉，這樣，八層電樞相當於八個普通平面電機的轉子，球鉸萬向回轉電機以現有的普通電機工作方式工作。

八層電樞的轉子鐵芯61上還繞置有第二層線圈，如第十五圖所示，繞置在同一層電樞上的第二層線圈也包括24個線圈，如繞置在電樞A1上的第一個線圈繞置在1槽與3槽之間，第二個線圈繞 置在2槽與4槽之間，第三個線圈繞置在3槽與5槽之間，如此類推，即每一個線圈繞置在間隔一個槽的兩個槽之間。

然而，繞置在電樞A1上的1槽與3槽之間的線圈並不是跟電樞A1上的13槽與15槽之間的線圈電連接，而是跟電樞A2上的13槽與15槽之間的線圈電連接，繞置在電樞A1的4槽與6槽之間的線圈跟電樞A2上的16槽與18槽之間的線圈電連接，如此類推，也就是每一層電樞上的一個線圈與對稱電樞上的另一個線圈電連接。

這樣，向第二層線圈通電後，兩個對稱的電樞上形成旋轉的磁場，且磁場相對於定子本體30的旋轉方向並不是繞轉子本體60的螺栓70的軸線旋轉，而是相對於轉子本體60的定子本體30的軸線發生傾斜，假設以螺栓70軸線為Z軸，以垂直於Z軸且轉子本體60圓心所在的平面為XOY平面，則第一層線圈通電後，轉子本體60繞Z軸旋轉，第二層線圈通電後，轉子本體60相對於Z軸發生傾斜，實現在XOZ平面內的轉動或者在YOZ平面內的轉動。

由於每一層電樞上的第二層線圈均與對稱的電樞上的第二層線圈電連接，每一層電樞上形成的磁場疊加以形成較大的力推動轉子本體60的旋轉。

當然，線圈的繞置方式可以有多種的變化，例如，在電樞A1、A2上只繞置第一層線圈，在電樞B1、B2上只繞置第二層線圈，或者，電樞A1、A2上的第二層線圈通電時使轉子本體60在XOZ平面內轉動，而電樞B1、B2上的第二層線圈通電時使轉子本體60在YOZ平面內轉動，電樞C1、C2上的第二層線圈通電時使轉子本體60在與XOZ平面成45°的平面內轉動等，通過向不同的電樞的第二層線圈通電，可以實現球鉸萬向回轉電機在不同的方向上轉動。

由於螺栓70的中部設有通孔，並且，在每一層間隔層68上開 設沿轉子鐵芯61徑向延伸的通孔，即間隔層68的通孔與螺栓70的通孔垂直，這樣，連接不同線圈的連接線可以穿過間隔層68上的通孔以及螺栓70的通孔，連接線不會在轉子本體60的表面上飛出，也有利於對連接線的保護，另外，可以在連接線外包裹保護層，如包裹熱縮管等，避免連接線受損。

回看第四圖與第五圖，轉子本體60的下端設有轉子軸58，轉子軸58與螺栓70固定連接，轉子本體60旋轉時帶動轉子軸58旋轉，由此向外輸出動力，並且，轉子本體60下方還設有控制信號線管筒56，控制信號線管筒56為三通筒體，轉子本體60上的線圈的電源線、控制信號線等均通過控制信號線管筒56與外部的電源線、控制晶片等電連接。

對每一層電樞的第一層線圈的控制電路如第十六圖所示，第一層線圈的控制電路的電原理如第十七圖所示，控制晶片向功率管輸出控制信號，如脈衝寬度調製信號，控制功率管的通斷，外部的電流載入到第一層線圈上實現轉子本體60繞Z軸正向旋轉或反向旋轉。

對每一層電樞的第二層線圈的控制電路與第一層線圈的控制電路的硬體構成相同，第二層線圈的控制電路的電原理如第十八圖所示，控制晶片也是向功率管輸出控制信號以控制轉子本體60在XOZ平面內的正向轉動或反向轉動，或者在YOZ平面內的正向轉動或者反向轉動。

優選地，本實施例的球鉸萬向回轉電機為步進電機，即電機每次運動只旋轉一個較小的角度，通過連續地輸出控制信號，由此實現連續地向第一層線圈或第二層線圈載入電流，可以實現電機快速地旋轉或轉動，且轉動的角度可以根據載入的電流的時間 長度調節，這樣電機可以實現全方向地旋轉。

製造本實施例的球鉸萬向回轉電機時，首先將球缺狀的永磁體磁化形成多個磁極，磁極的數量根據實際情況確定，然後，製造電機的外殼，外殼具有兩層，內層為導磁材料製成的磁軛，外層為鋁等金屬製成的遮罩層，然後將定子本體固定在外殼內，該可透過膠水將定子本體的外壁黏接在磁軛的內壁上；然後，製造電機的轉子本體，將矽鋼板材切割成直徑大小不等的多片矽鋼片，每一片矽鋼片的中部具有一個通孔，且矽鋼片的周向上設有多個繞線槽，然後，將多片矽鋼片疊壓形成轉子鐵芯，疊壓轉子鐵芯時，需要確保同一個轉子鐵芯上的多片矽鋼片的直徑逐漸遞增或逐漸遞減；接著，使用矽鋼板材切割形成間隔層的矽鋼片，間隔層的矽鋼片的中部具有通孔，但周向上不設置繞線槽，間隔層的矽鋼片的直徑小於轉子鐵芯的矽鋼片的直徑，然後，使用螺栓穿過多層轉子鐵芯以及間隔層，並將螺帽旋入轉子鐵芯上，實現多層轉子鐵芯的固定；接著，使用自動機床對多層轉子鐵芯的外表面進行精加工處理，使多層電樞的轉子鐵芯的外表面接近於球面，然後，在每一層電樞的轉子鐵芯上繞置線圈，每一層電樞上繞置兩層線圈，第一層線圈繞置在同一層電樞上，且同一層電樞上的多個第一層線圈電連接。第二層線圈繞置在電樞上後，將第二層線圈與繞置在該電樞對稱的另一層電樞的第二層線圈電連接；最後，將轉子本體裝到定子本體內，在外殼上安裝氣泵元件等器件，即完成球鉸萬向回轉電機的製造。

第二實施例(無氣泵)：

參見第十九圖至第二十一圖，本實施例的球鉸萬向回轉電機無泵座80具有外殼101，外殼101由兩個半球狀的殼體構成，外殼101內設有定子本體102，定子本體102由永磁體經過磁化而成，且永磁體被磁化成多個磁極。

定子本體102內裝有轉子本體103，與第一實施例的轉子本體相同，本實施例的轉子本體103也具有多層電樞104構成，每一次電樞104具有多層矽鋼片製成的轉子鐵芯，且轉子鐵芯上繞置有兩層線圈，線圈的繞置方式與第一實施例相同，轉子本體103內設有轉子軸105，且球鉸萬向回轉電機無泵座80的頂部設有一個進氣口106，進氣口106可與外部的氣管連接，高壓空氣可以從外部的氣管流進進氣口106內。

從第二十二圖可見，本實施例與第一實施例的不同點在於不設置氣泵組件，因此本發明的球鉸萬向回轉電機可以分為帶有氣泵元件的結構與不帶有氣泵元件的結構，不帶氣泵元件結構的球鉸萬向回轉電機可以應用在機器人上作為關節部件，此類結構可以廣泛地應用在智慧型仿生機械人上作為關節部件，如頸椎轉動可以實現三維自由度轉動，肩膀關節部件可以改變過往需要二個電機的狀況，用一個球鉸電機可以實現三個自由度空間轉動，那是真正的仿生效果，其他的關節部件，如腰椎、盤骨部位、大腿、手腕部位，若使用上述的球鉸電機同樣出現較生動的結構表現，如動作片『變形金剛』的關節全部換成球鉸電機，效果將會是更加生動、活潑、有生氣，實現了機器人肢體的全方位運動。

本發明的球鉸萬向回轉電機可以應用在各種設備中，如應用在機器人上作為關節部件的驅動電機，從而實現機器人肢體的全方位運動，或者，應用在軍事的火器裝置上，實現火器的多方位 轉動。

參見第二十三圖至第二十五圖，本發明球鉸萬向回轉電機無泵座80應用在一種平衡回轉體上，平衡回轉體具有一個圓形的底座81，底座81上設置有行星齒輪機構82，底座81上設有一根支撐軸84，支撐軸84與球鉸萬向回轉電機無泵座80的轉子軸58固定連接，因此球鉸萬向回轉電機無泵座80的轉子本體60不會相對於底座81發生運動。

球鉸萬向回轉電機無泵座80的外殼31上固定連接有一塊Y型座90，Y型座90的上方還固定有一塊基板85，機槍等火器可以安裝在基板85上，另外，氣管83的一端連接到底座81上，另一端與球鉸萬向回轉電機無泵座80的氣泵組件50的進氣口51相連。

球鉸萬向回轉電機無泵座80工作時，由於轉子本體60固定在支撐軸84上，定子本體30帶動外殼31相對於轉子本體60轉動，從而帶動基板85轉動，並由此帶動機槍等轉動，從而實現多個角度的瞄準。

當然，球鉸萬向回轉電機無泵座80除了應用在機槍的安裝、固定外，還可以應用在導彈等發射裝置上。

從上述的方案可見，本發明的球鉸萬向回轉電機不單可以繞螺栓的軸線旋轉，還可以實現多個方向的轉動，因此可以稱為三維電機，其可以應用在機器人仿生設備、軍事設備設置家用電器設備上，可以實現三維運動設備的小型化。

當然，上述實施例僅是本發明優選的實施方式，實際應用時可以有更多的改變，例如：電機可以根據其實際應用，製造成三相電機或者單相電機；或者，在外殼在定子本體的缺口處不設置凸部；又或者，電樞的層數不一定是八層，可以是六層、十層等 ，只要是二以上的偶數即可，且多層電樞在轉子本體的軸向上對稱佈置，這樣的改變也能實現本發明的目的。

最後需要強調的是，本發明不限於上述實施方式，如轉子本體上電樞層數的改變、每一層電樞的矽鋼片數量的改變等變化也應該包括在本發明權利要求的保護範圍內。

綜上所述，本發明的球鉸萬向回轉電機不單可以繞螺栓的軸線旋轉，還可以實現多個方向(X_Y=360°；X_Z=90~120°；Y_Z=90~120°)的轉動，因此可以稱為三維電機，當知本發明具有新穎性、創造性，完全開拓出一個全新的電機分支領域，且本發明未見之於任何刊物，當符合專利法第21、22條之規定。

唯以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，當不能以之限定本發明之範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

31‧‧‧外殼

47‧‧‧氣泵固定座

53‧‧‧十字軸鎖緊環

55‧‧‧凸部

56‧‧‧控制信號線管筒

103‧‧‧轉子本體

105‧‧‧轉子軸

106‧‧‧進氣口

Claims (9)

1. 一種球鉸萬向回轉電機結構，其包括：球缺狀的定子本體，所述定子本體由永磁體製成，所述永磁體被磁化形成多個磁極；位於所述定子本體內的轉子本體，所述轉子本體呈球狀，所述轉子本體具有多層電樞，每一層電樞具有由多層矽鋼片疊壓而成的轉子鐵芯，所述轉子鐵芯的每一片矽鋼片的外沿周向上設有多個繞線槽，每一個繞線槽的槽口均朝外設置，多層所述電樞在所述轉子本體上沿軸向對稱佈置，相鄰的兩層電樞之間設有直徑小於所述轉子鐵芯直徑的間隔層，多層電樞以及多層所述間隔層通過兩頭具外錐形螺帽的螺栓自鎖固定連接，所述螺栓與轉子軸連接；至少一層所述電樞的所述轉子鐵芯上繞置有第一層線圈，所述第一層線圈繞置在同一層電樞的所述轉子鐵芯上；至少一層所述電樞的所述轉子鐵芯上繞置有第二層線圈，所述第二層線圈與所在電樞的對稱的另一電樞的第二層線圈電連接。
2. 如申請專利範圍第1項所述之球鉸萬向回轉電機結構，其中，所述定子本體外設有外殼，所述殼體具有磁軛以及位於所述磁軛外的遮罩層，所述定子本體的外壁黏接在所述磁軛的內壁上。
3. 如申請專利範圍第2項所述之球鉸萬向回轉電機結構，其中，所述外殼上設有進氣口，為無氣泵之結構，該結構能作為智能型仿生机械人的關節部件，該部件可為：頸椎轉動、肩膀關節、腰椎 至盤骨至大腿部位、手腕部位，該可完全實現機器人肢體的全方位運動。
4. 如申請專利範圍第3項所述之球鉸萬向回轉電機結構，其中，所述進氣口外設有氣泵組件。
5. 如申請專利範圍第2項所述之球鉸萬向回轉電機結構，其中，所述外殼靠近所述定子本體的缺口處設有環狀的凸部，所述凸部在所述外殼的外壁上沿所述定子本體的周向延伸。
6. 如申請專利範圍第1項所述之球鉸萬向回轉電機結構，其中，所述電樞的層數為二以上，多層所述電樞的所述轉子鐵芯的直徑自所述轉子本體的中心向所述轉子本體的兩端逐漸遞減。
7. 一種球鉸萬向回轉電機的製造方法，其包括：將球缺狀的永磁體磁化形成多個磁極，製成定子本體；將矽鋼板材切割製成多片直徑不相等的矽鋼片，將所述矽鋼片疊壓形成多層電樞，使用螺栓穿過並固定多層所述電樞，相鄰的兩層所述電樞之間設有間隔層，多層所述電樞以及多層所述間隔層通過兩頭具外錐形螺帽的螺栓自鎖固定連接；在每一層所述電樞的轉子鐵芯上繞置第一層線圈，所述第一層線圈繞置在同一層電樞的所述轉子鐵芯上；在每一層所述電樞的所述轉子鐵芯上繞置第二層線圈，所述第二層線圈與所在電樞對稱的另一電樞的第二層線圈電連接，製成球狀的轉子本體；將所述轉子本體裝入所述定子本體內。
8. 如申請專利範圍第7項所述之球鉸萬向回轉電機的製造方法，其中，使用螺栓將所述電樞固定後，對所述電樞的外表面進行精加工處理，使多層所述電樞的外表面成為圓球面。
9. 一種球鉸萬向回轉電機的工作方法，該電機具有球缺狀的定子本體，所述定子本體由永磁體製成，所述永磁體被磁化形成多個磁極；所述定子本體內裝有轉子本體，所述轉子本體具有多層電樞，每一層電樞具有由多層矽鋼片疊壓而成的轉子鐵芯，所述轉子鐵芯的每一片矽鋼片的外沿周向上設有多個繞線槽，每一個繞線槽的槽口均朝外設置，多層所述電樞在所述轉子本體上沿軸向對稱佈置，多層所述電樞以及多層所述間隔層通過兩頭具外錐形螺帽的螺栓自鎖固定連接，所述螺栓與轉子軸連接，且所述轉子本體呈球狀；至少一層所述電樞的所述轉子鐵芯上繞置有第一層線圈，所述第一層線圈繞置在同一層電樞的所述轉子鐵芯上；至少一層所述電樞的所述轉子鐵芯上繞置有第二層線圈，所述第二層線圈與所在電樞的對稱的另一電樞的第二層線圈電連接；該方法包括：向所述第一層線圈通電使所述轉子本體繞所述螺栓的軸線旋轉，向所述第二層線圈通電使所述轉子本體相對於所述定子本體的軸線傾斜地轉動。