專利名稱：電磁調(diào)壓式多自由度球形超聲波電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于超聲波電機制造技術領域，涉及一種多自由度球形超聲波電機。
技術背景超聲波電機和傳統(tǒng)的電磁式電機相比，具有低速大轉(zhuǎn)矩、動態(tài)響應快、運行無噪聲、 結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、斷電自鎖、無電磁干擾問題等，可廣泛應用于航空航天、微型機械、 機器人、機床進給機構(gòu)、光學儀器等領域。多自由度球形超聲波電機不僅具有這些傳統(tǒng) 優(yōu)點，而且可以實現(xiàn)球形轉(zhuǎn)子的空間多自由度運動，將其應用于機器人關節(jié)、仿生視覺 等裝置中可大大簡化系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)運動機構(gòu)快速、準確的定位。由于球形超聲波電機特殊的轉(zhuǎn)子形式，其預壓力裝置的設計問題一直是一個難點， 目前的一些方案存在預壓力小、結(jié)構(gòu)不可靠、預壓力不易調(diào)節(jié)的缺點，限制了球形超聲 波電機的應用。在超聲波電機中，定轉(zhuǎn)子預壓力是一個重要的參數(shù)，直接影響到電機的 定子諧振頻率、轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性。因此，當超聲波電機運行時，若能根據(jù)反饋信號調(diào)節(jié) 定轉(zhuǎn)子預壓力的大小，對預壓力進行主動控制，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)，擴大超聲波電機的動態(tài)調(diào)節(jié)范圍，改善超 聲波電機的運行性能。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術的上述不足，提出一種定轉(zhuǎn)子預壓力可調(diào)的多自由度 球形超聲波電機，從而使電機結(jié)構(gòu)更為可靠、定轉(zhuǎn)子預壓力可控，改善了電機的運行特 性，提高了電機控制系統(tǒng)設計的靈活性。為此，本發(fā)明采用如下的技術方案一種電磁調(diào)壓式多自由度球形超聲波電機，包括機殼、帶有輸出軸的球轉(zhuǎn)子和固定 在機殼上的定子，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 置有多個永磁磁片，在機殼上還固定有多對電磁極，每個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，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，最好還包括連接在圓環(huán)與機殼之間的彈簧；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，其一面設置有驅(qū) 動足，另一面設置有三相壓電片。本發(fā)明提供的球形超聲波電機，其實質(zhì)性特點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，通過摩擦力驅(qū)動球轉(zhuǎn)子進行多自由度旋轉(zhuǎn)。電機運行時，通過控制電磁極勵磁電流，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)子之間的預壓力。本發(fā)明具有如下的突出的技術效果1.電磁調(diào)壓式球形超聲波電機在具有低速大轉(zhuǎn)矩、動態(tài)響應快、斷電自鎖、無電磁 干擾等超聲波電機傳統(tǒng)優(yōu)點基礎上，可實現(xiàn)空間上的多自由度運動，將其應用于機器人、 精密儀器等領域，可大大簡化機械系統(tǒng)的設計。2. 電磁調(diào)壓式球形超聲波電機采用平板形定子結(jié)構(gòu)，與柱形定子結(jié)構(gòu)相比，電機結(jié) 構(gòu)簡單，可進一步減小電機體積，擴大電機應用范圍。3. 電磁調(diào)壓式球形超聲波電機具有包括電機機殼、永磁體、彈簧、電磁極在內(nèi)的電 機預壓力與支撐裝置，電機結(jié)構(gòu)可靠，且提高了電機的輸出轉(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通過調(diào)節(jié)電磁極的勵磁電流，可以改變磁力與彈簧拉 力的合力，實現(xiàn)定轉(zhuǎn)子預壓力的主動控制，可獲得不同的轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性，增強了電機 控制系統(tǒng)設計的靈活性。


圖l電磁調(diào)壓式球形超聲波電機結(jié)構(gòu)圖。圖中標號名稱為l機殼；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。圖中標號名稱為3-l金屬彈性板；3-2驅(qū)動足 圖3壓電片排列方式示意圖。 圖中標號名稱為3-3壓電片圖4永磁體磁片排列方式示意圖。
具體實施方式
電磁調(diào)壓式球形超聲波電機包括電機本體、預壓力電磁控制系統(tǒng)兩部分，其中，電機本體部分由機殼l、球轉(zhuǎn)子2和定子3構(gòu)成，預壓力電磁控制系統(tǒng)由耐磨圓環(huán)5、永磁 磁片6、彈簧7、電磁極8構(gòu)成。電機基本結(jié)構(gòu)如圖l所示。電機機殼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個驅(qū)動足3-2，背面粘貼壓電片3-3，在定子兩條對角線的交點，利用螺栓 4將定子固定在機殼上。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固定在機殼頂部，其位置與磁片位置對應，兩者之間 是空氣隙，相鄰兩個電磁極組成一對極，極對數(shù)與磁片極對數(shù)相同，機殼兼作磁路的磁 軛。電磁極包括鐵芯和纏繞鐵芯的繞組線圈兩部分，當在繞組線圈中通電時，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中，定轉(zhuǎn)子之間的預壓力是由彈簧 的拉力和電磁極、磁片之間的磁力合成的。電機正常運行時，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，當電磁極的極性與相對的磁片不同 時，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)子預壓力；改變電磁極勵磁電流的方向，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)子預壓力；改變電流的大小，可以調(diào)節(jié)磁極磁場的強 度，從而控制磁引力或磁斥力的幅值?？梢?，在電磁調(diào)壓式多自由度球形超聲波電機中， 定轉(zhuǎn)子之間的預壓力與定子激勵的幅值、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)，提高電機的運行性能。電磁調(diào)壓式球形超聲波電機中，當A、 B和C三相壓電片3-3施加高頻激勵時，可激 發(fā)出定子彈性板的彎曲振動，控制三相激勵的相位關系，可以改變定子驅(qū)動足的橢圓運 動軌跡，從而實現(xiàn)球轉(zhuǎn)子的三自由度旋轉(zhuǎn)。當電磁調(diào)壓式球形超聲波電機運行時，通過對A、 B、 C三相壓電片激勵電壓和電磁 極勵磁電流的協(xié)調(diào)控制，可以獲得電機不同的運行特性，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)和機殼底部的彈簧不是必要技術特征。若 去掉連接耐磨圓環(huán)和機殼底部的彈簧，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。本實施例利 用彈簧的拉力來保持電機球轉(zhuǎn)子與定子之間的預壓力，可使電機結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固可靠。
權利要求
1. 一種電磁調(diào)壓式多自由度球形超聲波電機，包括機殼、帶有輸出軸的球轉(zhuǎn)子和固定在機殼上的定子，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)的表面設置有多個永磁磁片，在機殼上還固定有多對電磁極，每個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，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)權利要求1所述的多自由度球形超聲波電機，其特征在于，所述電機還包括連接 在圓環(huán)與機殼之間的彈簧。
3. 根據(jù)權利要求1或2任意一項所述的多自由度球形超聲波電機，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)權利要求1至3任意一項所述的多自由度球形超聲波電機，其特征在于，所述定 子為彈性金屬平板，其一面設置有驅(qū)動足，另一面設置有三相壓電片。
全文摘要
本發(fā)明屬于超聲波電機制造技術領域，涉及一種電磁調(diào)壓式多自由度球形超聲波電機，包括機殼、帶有輸出軸的球轉(zhuǎn)子和固定在機殼上的定子，在所述的球轉(zhuǎn)子外套有耐磨圓環(huán)，在所述圓環(huán)的表面設置有多個永磁磁片，在機殼上還固定有多對電磁極，每個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，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，結(jié)構(gòu)更為可靠，轉(zhuǎn)子預壓力可控，改善了電機的運行特性，提高電機控制系統(tǒng)設計的靈活性。
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