雙定子三自由度超聲波電機的製作方法

2023-06-24 06:06:36

專利名稱：雙定子三自由度超聲波電機的製作方法
技術領域：
本發明是一種雙定子三自由度超聲波電機，尤其是一種雙定子/球轉子夾持式 的三自由度聲波電機，屬於超聲波電機製造的技術領域。
背景技術：
超聲波電機利用逆壓電效應將電能轉化為電機定子的振動，然後通過電機定 子和動子間摩擦耦合驅動電機動子運動。因而超聲波電機具有一系列優點，與傳 統的電磁電機相比，它具有慣性小、響應快、控制特性好、不受磁場影響、同時 本身也不產生磁場、定位精度高等特點。特別是它具有重量輕、結構簡單、效率 高、噪聲小、低速大扭矩、可直接驅動負載等特性。多自由度球形壓電超聲電機 不僅具備了超聲電機一系列的優點，而且具有誘人的應用前景，它可用於機器人 機械臂的肩、肘、腕關節部位、行走機器人的萬向車輪、將平面物體向任意方向 移動的傳送帶，也可用於攝像的監視器。但是對於球轉子三自由度超聲波電機，由於球轉子會產生三自由度運動，因 此預壓力的施加一隻是這種電機設計的難點，過去利用球轉子的自重來產生預壓 力，或者在定子上安裝磁性材料來吸住球轉子以產生預壓力。利用這些方法對球 轉子施加的預壓力較小，相應球轉子的輸出力矩也很小，這使得球轉子三自由度 超聲波電機的應用比較困難。技術內容技術問題本發明的目的在於提供一種雙定子三自由度超聲波電機，該電機 解決了原來的三自由度超聲波電機輸出力矩小的缺點，大大提高了電機球轉子三 自由度運行時的輸出力矩。技術方案本發明公開了一種雙定子三自由度超聲波電機，該電機包括第一 圓柱定子、第二圓柱定子、球形轉子、電極片，其特徵在於帶有力矩輸出杆的球
形轉子左右鏡像對稱設置結構相同且同軸的第一圓柱定子和第二圓柱定子，第一 圓錐形開口端和第二圓錐形開口端內壁與球形轉子球面相切，平行於圓柱定子的 軸設置平板底座，彈性支撐板垂直連接平板底座左端，基座板垂直連接平板底座 右端，在彈性支撐板與基座板之間設有方形彈性支撐架，方形彈性支撐架下端滑 動接觸平板底座，第一圓柱定子垂直貫穿固定於彈性支撐板中段，第二圓柱定子 固定於方形彈性支撐架左邊，"調節螺杆與帶有中孔的基座板孔的內壁螺紋配合， 在方形彈性支撐架右邊與調節螺杆左端之間設有彈簧；第一圓柱定子包含四個匹 配塊，從第一圓錐形開口端到第一圓柱定子的另一端在第一相鄰兩個匹配塊之間 設置第一彎振陶瓷片對、在第二相鄰兩個匹配塊之間設置縱振陶瓷片對、在第三 相鄰兩個匹配塊之間設置第二彎振陶瓷片對，上述各陶瓷片對由兩個壓電陶瓷片之間夾有一個電極片構成；其中預緊螺杆帶有凸節，各匹配塊帶有環行槽。上述的第一彎振陶瓷片對反向極化、第二彎振陶瓷片對反向極化繞軸位置上互差90度，，縱振陶瓷片對同向極化驅動電壓為同相位。該電機由兩個三自由度超聲波電機的圓柱定子， 一個用於力矩輸出的球形轉 子以及固定預緊機構組成，兩個三自由度超聲波電機的圓柱定子具有完全相同的 機械結構，對稱放置，通過固定預緊機構的上兩個彈性支撐板的固定，兩個圓柱 定子夾持一個帶有力矩輸出杆的球形轉子，通過調節固定預緊機構上的調節螺杆， 調節兩個圓柱定子夾持球形轉子的預緊力。兩個三自由度超聲波電機的圓柱定子 結構相同，圓柱定子是通過帶有兩個凸起的預緊螺杆將帶有環行槽的定子上匹配 塊、帶有環行槽的兩個定子中間匹配塊以及定子下匹配塊分別夾持三對壓電陶瓷 連接在一起。整個雙定子/球轉子夾持式三自由度超聲波電機的壓電陶瓷共6組各 2片，A、 B兩相壓電陶瓷的電極分割為兩個區，並且相互反向極化，C相壓電陶 瓷為一個分區，單相極化，每組壓電陶瓷兩兩對稱疊合在一起，A、 B兩相壓電陶 瓷的極性在同軸心平面上互差90度。兩個圓柱定子的三組壓電陶瓷互差以中心軸 為軸線，對應的兩個A相空間上相差180度，兩個B相空間上相差180度。圓柱 定子通過兩個彈性支撐板固定在平板底座上，彈性支撐板被分別安置在圓柱定子 上C相壓電陶瓷一側。通過調節螺杆和彈簧來調整兩個圓柱定子夾持一個球形轉 子的壓力。電機在球轉子上安置有一個力矩輸出杆。
技術效果本發明在於提供一種雙定子三自由度超聲波電機，它不僅具備了超聲波電機 的一系列優點，而且大大提高了電機球轉子三自由度運行時的輸出力矩。製作的 直徑為20mm的雙定子/球轉子夾持式三自由度超聲波電機，兩個圓柱定子共用同 一個三相電源。當用三相電f中的兩相驅動時，分別繞空間垂直的三軸運行時最 大輸出轉矩分別達到50、 43、 55mNm，最大旋轉速度分別為17.8、 17.1、 37.7rpm。 由上可見，本發明的雙定子/球轉子夾持式三自由度超聲波電機改變以往三自由度 超聲波電機的裝夾方式，通過兩個電機定子夾持一個球轉子來提高電機的預壓力， 從而大大提高了電機運行時的輸出力矩，為這種電機的應用提供了廣闊前景。


圖1是本發明的總體結構圖。其中有第一圓柱定子1、第一圓錐形開口端101、 環行槽102、凸節103、電極片104、預緊螺杆105、第一彎振陶瓷片對106、縱振 陶瓷片對107、第二彎振陶瓷片對108、匹配塊109、第二圓柱定子2、第二圓錐 形開口端201、球形轉子3、力矩輸出杆301、彈性支撐板4、彈性支撐架5、平 板底座6、彈簧7、基座板8、調節螺杆9。圖2是本發明的壓電陶瓷的極化安裝示意圖。其中的"+ "為正向極化，"-" 為反向極化。其中有第一彎振陶瓷片對106、縱振陶瓷片對107、第二彎振陶瓷片 對108、鏡像第一彎振陶瓷片對206、鏡像縱振陶瓷片對207、鏡像第二彎振陶瓷 片對208。
具體實施方式
本發明的雙定子三自由度超聲波龜機由兩個圓柱定子三自由度超聲波電機的 圓柱定子， 一個用於力矩輸出的球形轉子3以及固定預緊機構組成，兩個三自由 度超聲波電機的圓柱定子具有完全相同的機械結構，對稱放置，通過固定預緊機 構的上兩個彈性支撐板的固定，兩個圓柱定子夾持一個帶有力矩輸出杆301的球 形轉子3，通過調節固定預緊機構上的調節螺杆9，調節兩個圓柱定子夾持球形轉 子的預緊力。三自由度超聲波電機的圓柱定子是通過帶有兩個凸起的預緊螺杆105 將帶有環行槽的定子上匹配塊、帶有環行槽的兩個定子中間匹配塊以及定子下匹配塊分別夾持三對壓電陶瓷連接在一起。其中，對應的兩組A相壓電陶瓷相對於 中心軸錯開180度空間角，對應的兩組B相壓電陶瓷相對於中心軸在空間上也錯 開180度。以相同方法可以製作好另外一個圓柱定子。兩個圓柱定子分別通過兩 個彈性支撐板固定在底座6上，彈性支撐板被分別安置在圓柱定子上C相壓電陶 瓷一側。通過調節螺杆9和彈簧7來調整兩個圓柱定子夾持一個球形轉子3的壓 力這樣就可以調節電機定子和轉子間的預壓力了 。本發明的雙定子三自由度超聲波電機的壓電陶瓷共6組各2片，A、 B兩相 壓電陶瓷的電極分割為兩個區，並且相互反向極化，C相壓電陶瓷為一個分區， 單相極化，每組壓電陶瓷兩兩對稱疊合在一起，A、 B兩相壓電陶瓷的極性在同軸 心平面上錯開180度，左右兩個圓柱定子的三組壓電陶瓷互差卯度。在A、 B兩 相壓電陶瓷分別施加兩相相位差為90。的交流電壓，在C相壓電陶瓷上施加的交 流電壓可調，從而用來調整該電機轉子的運行軌跡。
權利要求
1、 一種雙定子三自由度超聲波電機，該電機包括第一圓柱定子(1)、第二圓 柱定子(2)、球形轉子(3)、電極片(104)，其特徵在於帶有力矩輸出杆(301) 的球形轉子(3)左右鏡像對稱設置結構相同且同軸的第一圓柱定子(1)和第二 圓柱定子(2)，第一圓錐形開口端(101)和第二圓錐形開口端(201)內壁與球 形轉子(3)球面相切，平行於圓柱定子的軸設置平板底座(6)，彈性支撐板(4) 垂直連接平板底座(6)左端，基座板(8)垂直連接平板底座(6)右端，在彈性 支撐板(4)與基座板(8)之間設有方形彈性支撐架(5)，方形彈性支撐架(5) 下端滑動接觸平板底座(6)，第一圓柱定子(1)垂直貫穿固定於彈性支撐板(4) 中段，第二圓柱定子(2)固定於方形彈性支撐架(5)左邊，調節螺杆(9)與帶 有中孔的基座板(8)孔的內壁螺紋配合，在方形彈性支撐架(5)右邊與調節螺 杆(9)左端之間設有彈簧(7);第一圓柱定子(1)包含四個匹配塊(109)，從 第一圓錐形開口端(101)到第一圓柱定子(1)的另一端在第一個相鄰兩個匹配 塊之間設置第一彎振陶瓷片對(106)、第二個相鄰兩個匹配塊之間設置縱振陶瓷 片對(107)、第三個相鄰兩個匹配塊之間設置第二彎振陶瓷片對(108)，上述各 陶瓷片對由兩個壓電陶瓷片之間夾有一個電極片(104)構成。
2、 根據權利要求l所述的雙定子三自由度超聲波電機，其特徵在於所述的第 一彎振陶瓷片對(106)、第二彎振陶瓷片對(108)反向極化且繞軸位置上互差 90度，縱振陶瓷片對(107)同向極化。
3、 根據權利要求l所述的雙定子三自由度超聲波電機，其特徵在於所述的預 緊螺杆(105)帶有凸節(103)，各匹配塊帶有環行槽(102)。
全文摘要
雙定子三自由度超聲波電機是一種球轉子三自由度超聲波電機，尤其是一種雙定子/球轉子夾持式的三自由度聲波電機，該電機由第一圓柱定子(1)、第二圓柱定子(2)、球形轉子(3)、電極片(104)組成，兩個三自由度超聲波電機的圓柱定子具有完全相同的結構，對稱放置，通過彈性支撐板(4)的固定，兩個圓柱定子夾持一個帶有力矩輸出杆(301)的球形轉子(3)，通過調節固定預緊機構上的調節螺杆(9)，調節兩個圓柱定子夾持球形轉子的預緊力。
文檔編號H02N2/00GK101145741SQ200710130948
公開日2008年3月19日 申請日期2007年8月24日 優先權日2007年8月24日
發明者焱 張, 徐志科, 秦申蓓, 胡敏強, 龍 金, 顧菊平 申請人:東南大學