基于三维磁极阵列的新型三自由度球型驱动器关键技术研究

深入分析和研究球型驱动器的基本工作原理，将二维磁极分布拓展到三维空间阵列，解决困扰球型驱动器研究的力矩不足和缺乏有效姿态检测方法两大瓶颈问题。深入研究基于三维磁极阵列的空间磁场优化方案，提高球型驱动器输出力矩。同时，将三维磁极阵列和霍尔元件有机结合，提出一种非接触式转子姿态检测方法，克服传统方法中的测量盲区，并提高检测系统的抗环境磁场干扰能力，为实现闭环控制创造条件。在此基础上，为降低或消除球轴承的摩擦力、提高系统工作效率，探讨如何充分利用在传统研究中被忽略的切向磁场产生磁悬浮力。并针对力矩和电流间的高冗余特性，从全局的角度来考虑电流再分配，以提高系统的容错性和能源利用率。本项目的主要意义是通过对基于三维磁极阵列的球型驱动器研究，深入探索新的磁极构型以及相应的理论工具和研究方法，以求在关键技术上有所突破和创新，为球型驱动器的实用化创造条件，并推动多自由度智能驱动器以及相关学科技术的发展。

本课题的目的是基于新型三维磁极阵列，解决困扰球型驱动器研究的关键性技术瓶颈问题。创新之处主要体现在：.1.首次将传统二维磁极分布进行拓展，提出新型三维空间阵列，为球型驱动器磁极构型设计及提高输出力矩找到了新的突破口。.2.将三维磁极阵列与霍尔元件有机结合，提出新型非接触式姿态测量方法，不仅消除了接触测量带来的摩擦力矩和额外惯量，也有效克服了传统霍尔姿态检测中的盲区和易受干扰等缺陷。.3.通过冗余线圈阵列，充分利用在传统研究中不被重视的切向磁场产生磁悬浮力，为削减轴承摩擦力矩，增强系统工作效率提供了一个“变废为宝”的方法。. 围绕以上创新点，项目主要完成了以下研究内容：.1.系统化地分析了球型驱动器的各种磁极阵列，完成了三维磁极阵列构型设计及磁路优化研究；2.基于空间多区域三维复杂磁场分布特性，提出了等效激励线圈等方法，解决了驱动器高精度磁场建模问题；3.建立了驱动器力矩与磁悬浮力模型，完成了输出特性分析；4.深入研究了基于三维磁极阵列的新型非接触式姿态测量方法，通过实验验证了其能有效克服测量盲区，提高姿态测量精度；5.为增强驱动器抗干扰能力，设计了基于单神经元自适应的控制器，可实现系统参数自我调节，提高系统鲁棒性及控制精度；6. 完成了样机与电流控制器等的优化设计、加工及装配；7.完成了空间磁向量场、可变姿态输出力矩、三维姿态测量等多个实验台的设计、加工与搭建，以及相关实验研究。以上研究内容已满足并超过预期计划。. 初步取得如下成果：1.在IEEE/ASME Trans. on Mech.(IF:4.008)、Applied Physics Letters(IF:3.739)、IEEE Trans. on Ind. Elec.(IF:6.515)、Sci. Rep.(IF:5.078)等行业内顶级期刊和国际会议发表论文20篇，其中SCI 9篇(Q1区8篇，Q2区1篇)；受到国际同行积极关注和引用；2.入选教育部“新世纪优秀人才”计划；3.获IEEE国际会议最优论文奖1项；4.受邀在澳大利亚IEEE/ASME AIM国际会议就球型驱动器发展做大会讲座(tutorial)；5.授权发明专利3项；6.培养博士生1人，硕士生4人，其中已毕业学生获北航优秀毕业论文2项；7.与航天五院合作，将相关技术应用于多自由度力矩陀螺，已完成样机试制。