專利名稱：電磁調(diào)壓式多自由度球形超聲波電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超聲波電機(jī)制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種多自由度球形超聲波電機(jī)。
技術(shù)背景超聲波電機(jī)和傳統(tǒng)的電磁式電機(jī)相比，具有低速大轉(zhuǎn)矩、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)行無噪聲、 結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、斷電自鎖、無電磁干擾問題等，可廣泛應(yīng)用于航空航天、微型機(jī)械、 機(jī)器人、機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)、光學(xué)儀器等領(lǐng)域。多自由度球形超聲波電機(jī)不僅具有這些傳統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn)，而且可以實(shí)現(xiàn)球形轉(zhuǎn)子的空間多自由度運(yùn)動(dòng)，將其應(yīng)用于機(jī)器人關(guān)節(jié)、仿生視覺 等裝置中可大大簡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)快速、準(zhǔn)確的定位。由于球形超聲波電機(jī)特殊的轉(zhuǎn)子形式，其預(yù)壓力裝置的設(shè)計(jì)問題一直是一個(gè)難點(diǎn)， 目前的一些方案存在預(yù)壓力小、結(jié)構(gòu)不可靠、預(yù)壓力不易調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)，限制了球形超聲 波電機(jī)的應(yīng)用。在超聲波電機(jī)中，定轉(zhuǎn)子預(yù)壓力是一個(gè)重要的參數(shù)，直接影響到電機(jī)的 定子諧振頻率、轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性。因此，當(dāng)超聲波電機(jī)運(yùn)行時(shí)，若能根據(jù)反饋信號調(diào)節(jié) 定轉(zhuǎn)子預(yù)壓力的大小，對預(yù)壓力進(jìn)行主動(dòng)控制，并結(jié)合傳統(tǒng)的定子調(diào)壓、調(diào)頻、調(diào)相控 制方法，可以構(gòu)建更靈活、有效的控制系統(tǒng)，擴(kuò)大超聲波電機(jī)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)范圍，改善超 聲波電機(jī)的運(yùn)行性能。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提出一種定轉(zhuǎn)子預(yù)壓力可調(diào)的多自由度 球形超聲波電機(jī)，從而使電機(jī)結(jié)構(gòu)更為可靠、定轉(zhuǎn)子預(yù)壓力可控，改善了電機(jī)的運(yùn)行特 性，提高了電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。為此，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案一種電磁調(diào)壓式多自由度球形超聲波電機(jī)，包括機(jī)殼、帶有輸出軸的球轉(zhuǎn)子和固定 在機(jī)殼上的定子，其特征在于，在所述的球轉(zhuǎn)子外套有耐磨圓環(huán)，在所述圓環(huán)的表面設(shè) 置有多個(gè)永磁磁片，在機(jī)殼上還固定有多對電磁極，每個(gè)電磁極由鐵芯和纏繞鐵芯的繞 組線圈構(gòu)成，電磁極的對數(shù)與所述磁片極對數(shù)相同，位置與所述磁片相對應(yīng)，通過改變 電磁極繞組線圈的電流來調(diào)節(jié)永磁磁片和電磁極之間的作用力。本發(fā)明的多自由度球形超聲波電機(jī)，最好還包括連接在圓環(huán)與機(jī)殼之間的彈簧；磁 片在圓環(huán)表面是N、 S極交替，且均勻分布。本發(fā)明的電機(jī)所采用的定子可以是如下結(jié)構(gòu)，釆用彈性金屬平板，其一面設(shè)置有驅(qū) 動(dòng)足，另一面設(shè)置有三相壓電片。本發(fā)明提供的球形超聲波電機(jī)，其實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)是通過對粘貼在定子上的壓電片上施加高頻信號，激發(fā)出定子的彎曲振動(dòng)，通過摩擦力驅(qū)動(dòng)球轉(zhuǎn)子進(jìn)行多自由度旋轉(zhuǎn)。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，通過控制電磁極勵(lì)磁電流，可調(diào)節(jié)磁力的大小和方向，與彈簧的拉力合成后，改變定轉(zhuǎn)子之間的預(yù)壓力。本發(fā)明具有如下的突出的技術(shù)效果1.電磁調(diào)壓式球形超聲波電機(jī)在具有低速大轉(zhuǎn)矩、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、斷電自鎖、無電磁 干擾等超聲波電機(jī)傳統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)空間上的多自由度運(yùn)動(dòng)，將其應(yīng)用于機(jī)器人、 精密儀器等領(lǐng)域，可大大簡化機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。2. 電磁調(diào)壓式球形超聲波電機(jī)采用平板形定子結(jié)構(gòu)，與柱形定子結(jié)構(gòu)相比，電機(jī)結(jié) 構(gòu)簡單，可進(jìn)一步減小電機(jī)體積，擴(kuò)大電機(jī)應(yīng)用范圍。3. 電磁調(diào)壓式球形超聲波電機(jī)具有包括電機(jī)機(jī)殼、永磁體、彈簧、電磁極在內(nèi)的電 機(jī)預(yù)壓力與支撐裝置，電機(jī)結(jié)構(gòu)可靠，且提高了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩及斷電后的保持力矩。4. 電磁調(diào)壓式球形超聲波電機(jī)通過調(diào)節(jié)電磁極的勵(lì)磁電流，可以改變磁力與彈簧拉 力的合力，實(shí)現(xiàn)定轉(zhuǎn)子預(yù)壓力的主動(dòng)控制，可獲得不同的轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性，增強(qiáng)了電機(jī) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。


圖l電磁調(diào)壓式球形超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)圖。圖中標(biāo)號名稱為l機(jī)殼；2球轉(zhuǎn)子；3定子；4螺栓；5耐磨圓環(huán)；6永磁磁片；7 彈簧；8電磁極；9墊片 圖2定子結(jié)構(gòu)圖。圖中標(biāo)號名稱為3-l金屬彈性板；3-2驅(qū)動(dòng)足 圖3壓電片排列方式示意圖。 圖中標(biāo)號名稱為3-3壓電片圖4永磁體磁片排列方式示意圖。
具體實(shí)施方式
電磁調(diào)壓式球形超聲波電機(jī)包括電機(jī)本體、預(yù)壓力電磁控制系統(tǒng)兩部分，其中，電機(jī)本體部分由機(jī)殼l、球轉(zhuǎn)子2和定子3構(gòu)成，預(yù)壓力電磁控制系統(tǒng)由耐磨圓環(huán)5、永磁 磁片6、彈簧7、電磁極8構(gòu)成。電機(jī)基本結(jié)構(gòu)如圖l所示。電機(jī)機(jī)殼1為方柱形，其寬度略大于球轉(zhuǎn)子2直徑。定子3為方形彈性金屬平板3-1， 其正面粘貼4個(gè)驅(qū)動(dòng)足3-2，背面粘貼壓電片3-3，在定子兩條對角線的交點(diǎn)，利用螺栓 4將定子固定在機(jī)殼上。定子結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，壓電片排列方式如圖3所示。球轉(zhuǎn)子采 用非導(dǎo)磁材料制成，帶有輸出軸，在上面套著由耐磨材料構(gòu)成的圓環(huán)5，圓環(huán)上表面粘貼 N、 S極交替的永磁磁片6，磁片均勻分布，磁極排列方式如圖3所示。在圓環(huán)下表面、與每塊磁片中心相對的位置連接彈簧7，彈簧的另一端連接到機(jī)殼l底部，彈簧的拉力可 將球轉(zhuǎn)子壓緊在定子上。電磁極8固定在機(jī)殼頂部，其位置與磁片位置對應(yīng)，兩者之間 是空氣隙，相鄰兩個(gè)電磁極組成一對極，極對數(shù)與磁片極對數(shù)相同，機(jī)殼兼作磁路的磁 軛。電磁極包括鐵芯和纏繞鐵芯的繞組線圈兩部分，當(dāng)在繞組線圈中通電時(shí)，即可產(chǎn)生 電磁場。在本發(fā)明的電磁調(diào)壓式多自由度球形超聲波電機(jī)中，定轉(zhuǎn)子之間的預(yù)壓力是由彈簧 的拉力和電磁極、磁片之間的磁力合成的。電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，保持耐磨圓環(huán)和球轉(zhuǎn)子接 觸，彈簧的伸長量基本不變，即彈簧拉力保持恒定，當(dāng)電磁極的極性與相對的磁片不同 時(shí)，磁片和耐磨圓環(huán)受到向上的引力，削弱了耐磨圓環(huán)作用在定子上的壓力，即減小了 定轉(zhuǎn)子預(yù)壓力；改變電磁極勵(lì)磁電流的方向，可使電磁極的極性與磁片相同，則耐磨圓 環(huán)受到向下的斥力，即可增大定轉(zhuǎn)子預(yù)壓力；改變電流的大小，可以調(diào)節(jié)磁極磁場的強(qiáng) 度，從而控制磁引力或磁斥力的幅值?？梢姡陔姶耪{(diào)壓式多自由度球形超聲波電機(jī)中， 定轉(zhuǎn)子之間的預(yù)壓力與定子激勵(lì)的幅值、頻率、相位一樣，均是可控的，因此可以構(gòu)建 更靈活、更有效的控制系統(tǒng)，提高電機(jī)的運(yùn)行性能。電磁調(diào)壓式球形超聲波電機(jī)中，當(dāng)A、 B和C三相壓電片3-3施加高頻激勵(lì)時(shí)，可激 發(fā)出定子彈性板的彎曲振動(dòng)，控制三相激勵(lì)的相位關(guān)系，可以改變定子驅(qū)動(dòng)足的橢圓運(yùn) 動(dòng)軌跡，從而實(shí)現(xiàn)球轉(zhuǎn)子的三自由度旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電磁調(diào)壓式球形超聲波電機(jī)運(yùn)行時(shí)，通過對A、 B、 C三相壓電片激勵(lì)電壓和電磁 極勵(lì)磁電流的協(xié)調(diào)控制，可以獲得電機(jī)不同的運(yùn)行特性，構(gòu)建更靈活的控制系統(tǒng)。需要說明的是，本發(fā)明中，連接耐磨圓環(huán)和機(jī)殼底部的彈簧不是必要技術(shù)特征。若 去掉連接耐磨圓環(huán)和機(jī)殼底部的彈簧，僅控制繞組線圈電流的大小而不改變其方向，使 電磁極與永磁磁片間恒為斥力，利用電磁斥力壓緊定轉(zhuǎn)子，這也是可行的。本實(shí)施例利 用彈簧的拉力來保持電機(jī)球轉(zhuǎn)子與定子之間的預(yù)壓力，可使電機(jī)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固可靠。
權(quán)利要求
1. 一種電磁調(diào)壓式多自由度球形超聲波電機(jī)，包括機(jī)殼、帶有輸出軸的球轉(zhuǎn)子和固定在機(jī)殼上的定子，其特征在于，在所述的球轉(zhuǎn)子外套有耐磨圓環(huán)，在所述圓環(huán)的表面設(shè)置有多個(gè)永磁磁片，在機(jī)殼上還固定有多對電磁極，每個(gè)電磁極由鐵芯和纏繞鐵芯的繞組線圈構(gòu)成，電磁極的對數(shù)與所述磁片極對數(shù)相同，位置與所述磁片相對應(yīng)，通過改變電磁極繞組線圈的電流來調(diào)節(jié)永磁磁片和電磁極之間的作用力。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度球形超聲波電機(jī)，其特征在于，所述電機(jī)還包括連接 在圓環(huán)與機(jī)殼之間的彈簧。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2任意一項(xiàng)所述的多自由度球形超聲波電機(jī)，其特征在于，所述的 磁片在所述圓環(huán)表面N、 S極交替，且均勻分布。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3任意一項(xiàng)所述的多自由度球形超聲波電機(jī)，其特征在于，所述定 子為彈性金屬平板，其一面設(shè)置有驅(qū)動(dòng)足，另一面設(shè)置有三相壓電片。
全文摘要
本發(fā)明屬于超聲波電機(jī)制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種電磁調(diào)壓式多自由度球形超聲波電機(jī)，包括機(jī)殼、帶有輸出軸的球轉(zhuǎn)子和固定在機(jī)殼上的定子，在所述的球轉(zhuǎn)子外套有耐磨圓環(huán)，在所述圓環(huán)的表面設(shè)置有多個(gè)永磁磁片，在機(jī)殼上還固定有多對電磁極，每個(gè)電磁極由鐵芯和纏繞鐵芯的繞組線圈構(gòu)成，電磁極的對數(shù)與所述磁片極對數(shù)相同，位置與所述磁片相對應(yīng)，通過改變電磁極繞組線圈的電流來調(diào)節(jié)永磁磁片和電磁極之間的作用力。本發(fā)明的多自由度球形超聲波電機(jī)，結(jié)構(gòu)更為可靠，轉(zhuǎn)子預(yù)壓力可控，改善了電機(jī)的運(yùn)行特性，提高電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。
文檔編號H02N2/00GK101267171SQ200810052908
公開日2008年9月17日 申請日期2008年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月25日
發(fā)明者史婷娜, 夏長亮, 斌 李 申請人:天津大學(xué)