電磁調壓式多自由度球形超聲波電機制造技術

本發明專利技術屬于超聲波電機制造技術領域，涉及一種電磁調壓式多自由度球形超聲波電機，包括機殼、帶有輸出軸的球轉子和固定在機殼上的定子，在所述的球轉子外套有耐磨圓環，在所述圓環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成，電磁極的對數與所述磁片極對數相同，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節永磁磁片和電磁極之間的作用力。本發明專利技術的多自由度球形超聲波電機，結構更為可靠，轉子預壓力可控，改善了電機的運行特性，提高電機控制系統設計的靈活性。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于超聲波電機制造
，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的電磁式電機相比，具有低速大轉矩、動態響應快、運行無噪聲、 結構簡單、質量輕、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、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 優點，而且可以實現球形轉子的空間多自由度運動，將其應用于機器人關節、仿生視覺 等裝置中可大大簡化系統的設計，實現運動機構快速、準確的定位。由于球形超聲波電機特殊的轉子形式，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、結構不可靠、預壓力不易調節的缺點，限制了球形超聲 波電機的應用。在超聲波電機中，定轉子預壓力是一個重要的參數，直接影響到電機的 定子諧振頻率、轉矩一轉速特性。因此，當超聲波電機運行時，若能根據反饋信號調節 定轉子預壓力的大小，對預壓力進行主動控制，并結合傳統的定子調壓、調頻、調相控 制方法，可以構建更靈活、有效的控制系統，擴大超聲波電機的動態調節范圍，改善超 聲波電機的運行性能。
技術實現思路
本專利技術目的在于克服現有技術的上述不足，提出一種定轉子預壓力可調的多自由度 球形超聲波電機，從而使電機結構更為可靠、定轉子預壓力可控，改善了電機的運行特 性，提高了電機控制系統設計的靈活性。為此，本專利技術采用如下的技術方案一種電磁調壓式多自由度球形超聲波電機，包括機殼、帶有輸出軸的球轉子和固定 在機殼上的定子，其特征在于，在所述的球轉子外套有耐磨圓環，在所述圓環的表面設 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 組線圈構成，電磁極的對數與所述磁片極對數相同，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節永磁磁片和電磁極之間的作用力。本專利技術的多自由度球形超聲波電機，最好還包括連接在圓環與機殼之間的彈簧；磁 片在圓環表面是N、 S極交替，且均勻分布。本專利技術的電機所采用的定子可以是如下結構，釆用彈性金屬平板，其一面設置有驅 動足，另一面設置有三相壓電片。本專利技術提供的球形超聲波電機，其實質性特點是通過對粘貼在定子上的壓電片上施加高頻信號，激發出定子的彎曲振動，通過摩擦力驅動球轉子進行多自由度旋轉。電機運行時，通過控制電磁極勵磁電流，可調節磁力的大小和方向，與彈簧的拉力合成后，改變定轉子之間的預壓力。本專利技術具有如下的突出的技術效果1.電磁調壓式球形超聲波電機在具有低速大轉矩、動態響應快、斷電自鎖、無電磁 干擾等超聲波電機傳統優點基礎上，可實現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的設計。2. 電磁調壓式球形超聲波電機采用平板形定子結構，與柱形定子結構相比，電機結 構簡單，可進一步減小電機體積，擴大電機應用范圍。3. 電磁調壓式球形超聲波電機具有包括電機機殼、永磁體、彈簧、電磁極在內的電 機預壓力與支撐裝置，電機結構可靠，且提高了電機的輸出轉矩及斷電后的保持力矩。4. 電磁調壓式球形超聲波電機通過調節電磁極的勵磁電流，可以改變磁力與彈簧拉 力的合力，實現定轉子預壓力的主動控制，可獲得不同的轉矩一轉速特性，增強了電機 控制系統設計的靈活性。附圖說明圖l電磁調壓式球形超聲波電機結構圖。圖中標號名稱為l機殼；2球轉子；3定子；4螺栓；5耐磨圓環；6永磁磁片；7 彈簧；8電磁極；9墊片 圖2定子結構圖。圖中標號名稱為3-l金屬彈性板；3-2驅動足 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壓式球形超聲波電機包括電機本體、預壓力電磁控制系統兩部分，其中，電機本體部分由機殼l、球轉子2和定子3構成，預壓力電磁控制系統由耐磨圓環5、永磁 磁片6、彈簧7、電磁極8構成。電機基本結構如圖l所示。電機機殼1為方柱形，其寬度略大于球轉子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。定子結構圖如圖2所示，壓電片排列方式如圖3所示。球轉子采 用非導磁材料制成，帶有輸出軸，在上面套著由耐磨材料構成的圓環5，圓環上表面粘貼 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，極對數與磁片極對數相同，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，即可產生 電磁場。在本專利技術的電磁調壓式多自由度球形超聲波電機中，定轉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，保持耐磨圓環和球轉子接 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，磁片和耐磨圓環受到向上的引力，削弱了耐磨圓環作用在定子上的壓力，即減小了 定轉子預壓力；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 環受到向下的斥力，即可增大定轉子預壓力；改變電流的大小，可以調節磁極磁場的強 度，從而控制磁引力或磁斥力的幅值。可見，在電磁調壓式多自由度球形超聲波電機中， 定轉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，因此可以構建 更靈活、更有效的控制系統，提高電機的運行性能。電磁調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，可以改變定子驅動足的橢圓運 動軌跡，從而實現球轉子的三自由度旋轉。當電磁調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 極勵磁電流的協調控制，可以獲得電機不同的運行特性，構建更靈活的控制系統。需要說明的是，本專利技術中，連接耐磨圓環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子與定子之間的預壓力，可使電機結構更加穩固可靠。權利要求1. 一種電磁調壓式多自由度球形超聲波電機，包括機殼、帶有輸出軸的球轉子和固定在機殼上的定子，其特征在于，在所述的球轉子外套有耐磨圓環，在所述圓環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成，電磁極的對數與所述磁片極對數相同，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節永磁磁片和電磁極之間的作用力。2. 根據權利要求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 在圓環與機殼之間的彈簧。3. 根據權利要求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 磁片在所述圓環表面N、 S極交替，且均勻分布。4. 根據權利要求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，其一面設置有驅動足，另一面設置有三相壓電片。全文摘要本專利技術本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種電磁調壓式多自由度球形超聲波電機，包括機殼、帶有輸出軸的球轉子和固定在機殼上的定子，其特征在于，在所述的球轉子外套有耐磨圓環，在所述圓環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成，電磁極的對數與所述磁片極對數相同，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節永磁磁片和電磁極之間的作用力。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：夏長亮，李斌，史婷娜，
申請(專利權)人：天津大學，
類型：發明
國別省市：12[中國|天津]