專利名稱：多物理場(chǎng)混合驅(qū)動(dòng)三自由度球形電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電機(jī)制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種三自由度球形電機(jī)。
背景技術(shù)：
隨著科技的進(jìn)步，多自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。傳統(tǒng)的多自由度運(yùn)動(dòng) 是由多臺(tái)單自由度電機(jī)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)的，不可避免的帶來(lái)機(jī)構(gòu)龐大、傳動(dòng)精度低、控制困難等問(wèn) 題。因此，多自由度電機(jī)及控制系統(tǒng)的研究越來(lái)越受重視，其中，可以實(shí)現(xiàn)俯仰、傾斜和旋轉(zhuǎn) 三個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的球形電機(jī)，具有更廣泛的應(yīng)用前景，但涉及的問(wèn)題也更復(fù)雜。
超聲波球形電機(jī)是一類利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的新型多自由 度電機(jī)。球形轉(zhuǎn)子放置在柱形/平板定子上，通過(guò)激勵(lì)定子上的A、 B、 C三相壓電片，激發(fā) 出定子的不同振動(dòng)模態(tài)，定子表面質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生圍繞不同軸旋轉(zhuǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而通過(guò)定轉(zhuǎn)子 間的摩擦力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。然而，目前超聲波球形電機(jī)還存在以下問(wèn)題1、預(yù)壓力裝置不 完善。超聲波電機(jī)為了獲得理想的輸出轉(zhuǎn)矩，必須保證定轉(zhuǎn)子之間較高的摩擦力，這就需要 提高定子施加在轉(zhuǎn)子上的壓力。更重要的是，定轉(zhuǎn)子預(yù)壓力是超聲波電機(jī)的重要參數(shù)，直接 影響到定轉(zhuǎn)子之間的接觸狀態(tài)和能量傳遞過(guò)程，進(jìn)而影響到超聲波電機(jī)的性能指標(biāo)等。由 于定轉(zhuǎn)子的特殊形狀以及多自由度的運(yùn)動(dòng)方式，超聲波球形電機(jī)的預(yù)壓力裝置還不完善， 一般由永磁磁片或彈簧構(gòu)成的簡(jiǎn)單裝置構(gòu)成，不易獲得較高的預(yù)壓力，且控制不靈活。2、能 量傳遞界面較小，輸出轉(zhuǎn)矩小。超聲波電機(jī)是利用摩擦力傳遞能量的，因此定轉(zhuǎn)子的接觸 面在很大程度上影響電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能。與定轉(zhuǎn)子本身的尺寸相比，超聲波電機(jī)能量傳遞界 面較小，限制了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。若簡(jiǎn)單地增大定子尺寸，雖能增加定轉(zhuǎn)子接觸面積，但隨 著尺寸的增加，定子諧振頻率降低，當(dāng)諧振頻率低于超聲頻帶時(shí)，電機(jī)運(yùn)行將產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪 聲，另外，超聲波電機(jī)的功率近似與諧振頻率的平方成正比，增大定子尺寸勢(shì)必影響到電機(jī) 的輸出功率。

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，提出一種包括電磁場(chǎng)、摩擦力在內(nèi)的 多種物理場(chǎng)混合驅(qū)動(dòng)的三自由度球形電機(jī)，該電機(jī)結(jié)構(gòu)可靠，利用徑向電磁力建立定轉(zhuǎn)子 間的預(yù)壓力，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子預(yù)壓力的可控；利用切向電磁力產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與定轉(zhuǎn)子間摩擦力 產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩共同驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子，實(shí)現(xiàn)三自由度運(yùn)動(dòng)，改善了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性，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 —種多物理場(chǎng)混合驅(qū)動(dòng)三自由度球形電機(jī)，包括支撐部分、定子和球形轉(zhuǎn)子三部 分，其中， 所述支撐部分包括底座，固定在底座上的球形定子殼，定子殼頂端開(kāi)設(shè)有圓孔；定 子殼上半球沿與赤道平行方向均勻分布一層或一層以上的繞組安裝孔； 所述定子包括定子繞組和超聲振子，所述定子繞組由繞組軸和線圈構(gòu)成，繞組軸 的直徑略小于繞組安裝孔內(nèi)徑，其頂部穿過(guò)壓縮彈簧置于繞組安裝孔內(nèi)，線圈的兩端分別放置有頂部擋片，在與球形轉(zhuǎn)子相接觸的頂部擋片上粘貼有摩擦層；超聲振子固定在底座 上，其上端為內(nèi)錐形，與球形轉(zhuǎn)子相配合； 所述球形轉(zhuǎn)子沿赤道平行方向均勻嵌入多層永磁體磁極，每一層磁極N、 S極交
替，上、下兩層磁極N、S極交替，其上固定有從定子頂端圓孔伸出的輸出軸。 作為優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的多物理場(chǎng)混合驅(qū)動(dòng)三自由度球形電機(jī)，定子線圈產(chǎn)
生的電磁轉(zhuǎn)矩與超聲振子產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩共同驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子，定子線圈產(chǎn)生的電磁徑向力
作為球形轉(zhuǎn)子與超聲振子間的預(yù)壓力；球形轉(zhuǎn)子和繞組軸由非導(dǎo)磁材料制成。 本發(fā)明的有益效果有 1、多物理場(chǎng)混合驅(qū)動(dòng)三自由度球形電機(jī)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(jiǎn)化機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 2、多物理場(chǎng)混合驅(qū)動(dòng)三自由度球形電機(jī)具有斷電自鎖能力，無(wú)需機(jī)械抱閘等外部 裝置，這對(duì)于位置伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)十分有利。 3、多物理場(chǎng)混合驅(qū)動(dòng)球形電機(jī)利用電磁力建立了球形轉(zhuǎn)子與超聲振子間的預(yù)壓 力，解決了超聲波球形電機(jī)中定轉(zhuǎn)子預(yù)壓力裝置不完善、預(yù)壓力控制困難的問(wèn)題，通過(guò)控制 不同繞組的電流幅值、方向，可實(shí)現(xiàn)定轉(zhuǎn)子預(yù)壓力的主動(dòng)控制。 4、通過(guò)控制定子繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與超聲振子產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩在時(shí)間和空間 上的幅值、相位關(guān)系，多物理場(chǎng)混合驅(qū)動(dòng)三自由度球形電機(jī)可使電磁轉(zhuǎn)矩與摩擦轉(zhuǎn)矩協(xié)同 驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子，提高了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。 5、與普通永磁式球形電機(jī)相比，多物理場(chǎng)混合驅(qū)動(dòng)球形電機(jī)定子繞組數(shù)目減少 1/2，數(shù)學(xué)模型中電磁轉(zhuǎn)矩矩陣維數(shù)降低，可簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。


圖1多物理場(chǎng)混合驅(qū)動(dòng)三自由度球形電機(jī)結(jié)構(gòu)圖。
圖中標(biāo)號(hào)名稱為1球轉(zhuǎn)子；2彈簧；3定子繞組；4螺栓；5支撐螺栓；6底座；7輸
出軸；8定子殼；9超聲振子；9. 1壓電片；9. 2金屬?gòu)椥泽w 圖2定子殼示意圖。
圖中標(biāo)號(hào)名稱為8. 1安裝孔 圖3轉(zhuǎn)子球體結(jié)構(gòu)圖。
圖中標(biāo)號(hào)名稱為1. 1永磁體磁極 圖4定子繞組結(jié)構(gòu)圖。 圖中標(biāo)號(hào)名稱為3. 1繞組軸；3. 2線圈；3. 3擋片；3. 4摩擦層
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的多物理場(chǎng)混合驅(qū)動(dòng)三自由度球形電機(jī)包括支撐部分、定子和球形轉(zhuǎn)子三 部分，其中，支撐部分包括定子殼8、彈簧2、底座6和支撐螺栓5，定子包括定子繞組3、超聲 振子9，球形轉(zhuǎn)子1上固定輸出軸7。電機(jī)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。 定子殼8為球形結(jié)構(gòu)，通過(guò)螺栓4固定在底座上6，定子殼頂端開(kāi)圓孔，輸出軸7由 此伸出連接輸出轉(zhuǎn)矩和力，圓孔大小由電機(jī)俯仰角決定。定子殼上半球沿赤道均勻分布多 層繞組安裝孔8. 1，安裝孔8. 1為通孔，安裝孔的層數(shù)和密度可根據(jù)不同的控制力和控制精度要求進(jìn)行調(diào)整。定子繞組3由繞組軸3. 1和線圈3. 2構(gòu)成，在繞組軸3. 1上固定圓盤形 擋片3. 3防止線圈3. 2滑動(dòng)，在頂部擋片上粘貼摩擦層3. 4以提高摩擦力。繞組軸3. 1直 徑略小于安裝孔，可在安裝孔內(nèi)徑向滑動(dòng)，為了減小齒槽轉(zhuǎn)矩，繞組軸3. 1為非導(dǎo)磁材料制 成。繞組軸3. 1穿過(guò)彈簧2放置在繞組安裝孔8. 1內(nèi)。球轉(zhuǎn)子1壓迫定子繞組3使彈簧2 處于壓縮狀態(tài)。 由于彈簧2處于壓縮狀態(tài)，因此定子繞組3在彈簧力的作用下被壓緊在轉(zhuǎn)子1上。
由于定子繞組均勻分布，在多個(gè)彈簧作用下轉(zhuǎn)子將受到垂直向下的壓力，進(jìn)而被壓緊在超
聲振子9上。超聲振子9采用蘭杰文振子結(jié)構(gòu)，由螺栓將4塊彈性體9. 2和3組壓電陶瓷
片及其電極9. 1等部分緊固起來(lái)。超聲振子9由4個(gè)緊固螺栓5固定在底座6上。 需要說(shuō)明的是，超聲振子可采用其他結(jié)構(gòu)，例如圓盤形、方柱形彈性體表面粘貼壓
電片等結(jié)構(gòu)，此時(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)可做相應(yīng)調(diào)整。 球轉(zhuǎn)子1采用非導(dǎo)磁材料制成，沿赤道均勻嵌入多層永磁體磁極1. 1，如圖3所示。 每一層磁極N、S極交替，上、下兩層磁極N、S極交替。為了提高超聲振子9與球轉(zhuǎn)子1的接 觸面積，并保持穩(wěn)定接觸，超聲振子頂端為內(nèi)錐形。 電機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于轉(zhuǎn)子磁極的空間分布，轉(zhuǎn)子磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)包含R、 9 、①三個(gè) 分量，定子繞組通電后定子繞組受到的洛倫茲力將包含徑向分量和切向分量。洛倫茲力的 徑向分量不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，但當(dāng)其足夠大且與彈簧的壓力方向相反時(shí)，彈簧被壓縮，定子繞 組將與轉(zhuǎn)子分離，不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦阻力作用。此時(shí)，球形轉(zhuǎn)子將受到沿徑向的反 作用力，當(dāng)多個(gè)繞組產(chǎn)生的反作用力的合力指向超聲振子時(shí)，則球形轉(zhuǎn)子仍被壓緊在超聲 振子上，即電磁力作為球形轉(zhuǎn)子與超聲振子間的預(yù)壓力。與此同時(shí)，按照一定的相序激勵(lì)超 聲振子的三相壓電片，則振子表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)球轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)偏航、 傾斜和旋轉(zhuǎn)三自由度運(yùn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子偏離初始位置時(shí)，通過(guò)改變通電繞組以及繞組電流的大 小、和方向，可保持轉(zhuǎn)子和超聲振子之間的預(yù)壓力。 另一方面，洛倫茲力的切向分量的反作用力作用在球形轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，不 同定子繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩按照矢量合成原理合成最終的轉(zhuǎn)矩，此轉(zhuǎn)矩與通電定子繞組的 空間位置、電流大小、電流方向有關(guān)。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)控制不同定子繞組的導(dǎo)通、關(guān)斷以及 導(dǎo)通時(shí)電流的大小、方向，可使總的合成電磁轉(zhuǎn)矩與超聲振子產(chǎn)生的摩擦力矩在時(shí)間、空間 上具有穩(wěn)定的相位關(guān)系，二者將疊加同步驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，因此電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩將大大提高。
電機(jī)停止運(yùn)行時(shí)，定子繞組斷電，電磁斥力消失，彈簧回復(fù)原位重新將定子繞組壓 緊在球形轉(zhuǎn)子上，在多個(gè)繞組共同作用下，球形轉(zhuǎn)子被進(jìn)一步壓緊在超聲振子上。球形轉(zhuǎn)子 與定子繞組、球形轉(zhuǎn)子與超聲振子間的摩擦力將保持電機(jī)自鎖。 這里以本發(fā)明的實(shí)施例為中心展開(kāi)了詳細(xì)的說(shuō)明，所描述的優(yōu)選方式或某些特性 的具體體現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)理解為本說(shuō)明書僅僅是通過(guò)給出實(shí)施例的方式來(lái)描述本發(fā)明，實(shí)際上在 組成、構(gòu)造和使用的某些細(xì)節(jié)上會(huì)有所變化，例如，部件的組合和組配、轉(zhuǎn)子磁極的排列方 式、超聲振子的結(jié)構(gòu)，這些變形和應(yīng)用都應(yīng)該屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種多物理場(chǎng)混合驅(qū)動(dòng)三自由度球形電機(jī)，包括支撐部分、定子和球形轉(zhuǎn)子三部分，其中，所述支撐部分包括底座，固定在底座上的球形定子殼，定子殼頂端開(kāi)設(shè)有圓孔；定子殼上半球沿與赤道平行方向均勻分布一層或一層以上的繞組安裝孔；所述定子包括定子繞組和超聲振子，所述定子繞組由繞組軸和線圈構(gòu)成，繞組軸的直徑略小于繞組安裝孔內(nèi)徑，其頂部穿過(guò)壓縮彈簧置于繞組安裝孔內(nèi)，線圈的兩端分別放置有頂部擋片，在與球形轉(zhuǎn)子相接觸的頂部擋片上粘貼有摩擦層；超聲振子固定在底座上，其上端為內(nèi)錐形，與球形轉(zhuǎn)子相配合；所述球形轉(zhuǎn)子沿赤道平行方向均勻嵌入多層永磁體磁極，每一層磁極N、S極交替，上、下兩層磁極N、S極交替，其上固定有從定子頂端圓孔伸出的輸出軸。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多物理場(chǎng)混合驅(qū)動(dòng)三自由度球形電機(jī)，其特征在于，定子線 圈產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與超聲振子產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩共同驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子，定子線圈產(chǎn)生的電磁徑 向力作為球形轉(zhuǎn)子與超聲振子間的預(yù)壓力。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多物理場(chǎng)混合驅(qū)動(dòng)三自由度球形電機(jī)，其特征在于，球形轉(zhuǎn) 子和繞組軸由非導(dǎo)磁材料制成。
全文摘要
本發(fā)明屬于電機(jī)制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種多物理場(chǎng)混合驅(qū)動(dòng)三自由度球形電機(jī)，包括支撐部分、定子和球形轉(zhuǎn)子三部分。支撐部分包括底座，固定在底座上的球形定子殼，定子殼頂端開(kāi)設(shè)有圓孔；定子殼上半球沿與赤道平行方向均勻分布一層或一層以上的繞組安裝孔；定子包括定子繞組和超聲振子，定子繞組由繞組軸和線圈構(gòu)成，繞組軸的直徑略小于繞組安裝孔內(nèi)徑，其頂部穿過(guò)壓縮彈簧置于繞組安裝孔內(nèi)；超聲振子固定在底座上，其上端為內(nèi)錐形，與球形轉(zhuǎn)子相配合；球形轉(zhuǎn)子沿赤道平行方向均勻嵌入多層永磁體磁極。本發(fā)明的電機(jī)結(jié)構(gòu)可靠，改善了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性，提高了電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。
文檔編號(hào)H02N2/00GK101777851SQ20101012623
公開(kāi)日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2010年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月17日
發(fā)明者史婷娜, 夏長(zhǎng)亮, 李斌, 李桂丹, 李洪鳳 申請(qǐng)人:天津大學(xué)