多物理場混合驅動三自由度球形電機的製作方法

2023-07-22 19:44:11 2

專利名稱：多物理場混合驅動三自由度球形電機的製作方法
技術領域：
本發明屬於電機製造技術領域，涉及一種三自由度球形電機。
背景技術：
隨著科技的進步，多自由度運動機構的應用範圍越來越廣。傳統的多自由度運動 是由多臺單自由度電機聯合實現的，不可避免的帶來機構龐大、傳動精度低、控制困難等問 題。因此，多自由度電機及控制系統的研究越來越受重視，其中，可以實現俯仰、傾斜和旋轉 三個自由度運動的球形電機，具有更廣泛的應用前景，但涉及的問題也更複雜。
超聲波球形電機是一類利用壓電材料的逆壓電效應實現能量轉換的新型多自由 度電機。球形轉子放置在柱形/平板定子上，通過激勵定子上的A、 B、 C三相壓電片，激發 出定子的不同振動模態，定子表面質點產生圍繞不同軸旋轉的橢圓運動，進而通過定轉子 間的摩擦力驅動轉子運動。然而，目前超聲波球形電機還存在以下問題1、預壓力裝置不 完善。超聲波電機為了獲得理想的輸出轉矩，必須保證定轉子之間較高的摩擦力，這就需要 提高定子施加在轉子上的壓力。更重要的是，定轉子預壓力是超聲波電機的重要參數，直接 影響到定轉子之間的接觸狀態和能量傳遞過程，進而影響到超聲波電機的性能指標等。由 於定轉子的特殊形狀以及多自由度的運動方式，超聲波球形電機的預壓力裝置還不完善， 一般由永磁磁片或彈簧構成的簡單裝置構成，不易獲得較高的預壓力，且控制不靈活。2、能 量傳遞界面較小，輸出轉矩小。超聲波電機是利用摩擦力傳遞能量的，因此定轉子的接觸 面在很大程度上影響電機的轉矩性能。與定轉子本身的尺寸相比，超聲波電機能量傳遞界 面較小，限制了電機的輸出轉矩。若簡單地增大定子尺寸，雖能增加定轉子接觸面積，但隨 著尺寸的增加，定子諧振頻率降低，當諧振頻率低於超聲頻帶時，電機運行將產生強烈的噪 聲，另外，超聲波電機的功率近似與諧振頻率的平方成正比，增大定子尺寸勢必影響到電機 的輸出功率。

發明內容
本發明目的在於克服現有技術的上述不足，提出一種包括電磁場、摩擦力在內的 多種物理場混合驅動的三自由度球形電機，該電機結構可靠，利用徑向電磁力建立定轉子 間的預壓力，實現轉子預壓力的可控；利用切向電磁力產生的電磁轉矩與定轉子間摩擦力 產生的摩擦轉矩共同驅動轉子，實現三自由度運動，改善了電機的轉矩特性，提高了電機控 制系統設計的靈活性。為此，本發明採用如下的技術方案 —種多物理場混合驅動三自由度球形電機，包括支撐部分、定子和球形轉子三部 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，定子殼頂端開設有圓孔；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成，繞組軸 的直徑略小於繞組安裝孔內徑，其頂部穿過壓縮彈簧置於繞組安裝孔內，線圈的兩端分別放置有頂部擋片，在與球形轉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，其上端為內錐形，與球形轉子相配合； 所述球形轉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。 作為優選實施方式，本發明的多物理場混合驅動三自由度球形電機，定子線圈產
生的電磁轉矩與超聲振子產生的摩擦轉矩共同驅動球形轉子，定子線圈產生的電磁徑向力
作為球形轉子與超聲振子間的預壓力；球形轉子和繞組軸由非導磁材料製成。 本發明的有益效果有 1、多物理場混合驅動三自由度球形電機可實現空間上的多自由度運動，將其應用 於機器人、精密儀器等領域，可大大簡化機械系統的設計。 2、多物理場混合驅動三自由度球形電機具有斷電自鎖能力，無需機械抱閘等外部 裝置，這對於位置伺服系統的設計十分有利。 3、多物理場混合驅動球形電機利用電磁力建立了球形轉子與超聲振子間的預壓 力，解決了超聲波球形電機中定轉子預壓力裝置不完善、預壓力控制困難的問題，通過控制 不同繞組的電流幅值、方向，可實現定轉子預壓力的主動控制。 4、通過控制定子繞組產生的電磁轉矩與超聲振子產生的摩擦轉矩在時間和空間 上的幅值、相位關係，多物理場混合驅動三自由度球形電機可使電磁轉矩與摩擦轉矩協同 驅動球形轉子，提高了電機的輸出轉矩。 5、與普通永磁式球形電機相比，多物理場混合驅動球形電機定子繞組數目減少 1/2，數學模型中電磁轉矩矩陣維數降低，可簡化控制系統設計。


圖1多物理場混合驅動三自由度球形電機結構圖。
圖中標號名稱為1球轉子；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金屬彈性體 圖2定子殼示意圖。
圖中標號名稱為8. 1安裝孔 圖3轉子球體結構圖。
圖中標號名稱為1. 1永磁體磁極 圖4定子繞組結構圖。 圖中標號名稱為3. 1繞組軸；3. 2線圈；3. 3擋片；3. 4摩擦層
具體實施例方式
本發明的多物理場混合驅動三自由度球形電機包括支撐部分、定子和球形轉子三 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，球形轉子1上固定輸出軸7。電機基本結構如圖1所示。 定子殼8為球形結構，通過螺栓4固定在底座上6，定子殼頂端開圓孔，輸出軸7由 此伸出連接輸出轉矩和力，圓孔大小由電機俯仰角決定。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，安裝孔的層數和密度可根據不同的控制力和控制精度要求進行調整。定子繞組3由繞組軸3. 1和線圈3. 2構成，在繞組軸3. 1上固定圓盤形 擋片3. 3防止線圈3. 2滑動，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 徑略小於安裝孔，可在安裝孔內徑向滑動，為了減小齒槽轉矩，繞組軸3. 1為非導磁材料制 成。繞組軸3. 1穿過彈簧2放置在繞組安裝孔8. 1內。球轉子1壓迫定子繞組3使彈簧2 處於壓縮狀態。 由於彈簧2處於壓縮狀態，因此定子繞組3在彈簧力的作用下被壓緊在轉子1上。
由於定子繞組均勻分布，在多個彈簧作用下轉子將受到垂直向下的壓力，進而被壓緊在超
聲振子9上。超聲振子9採用蘭傑文振子結構，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。超聲振子9由4個緊固螺栓5固定在底座6上。 需要說明的是，超聲振子可採用其他結構，例如圓盤形、方柱形彈性體表面粘貼壓
電片等結構，此時機械結構可做相應調整。 球轉子1採用非導磁材料製成，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與球轉子1的接 觸面積，並保持穩定接觸，超聲振子頂端為內錐形。 電機運行時，由於轉子磁極的空間分布，轉子磁極產生的磁場包含R、 9 、①三個 分量，定子繞組通電後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 徑向分量不產生電磁轉矩，但當其足夠大且與彈簧的壓力方向相反時，彈簧被壓縮，定子繞 組將與轉子分離，不會對轉子的運動產生摩擦阻力作用。此時，球形轉子將受到沿徑向的反 作用力，當多個繞組產生的反作用力的合力指向超聲振子時，則球形轉子仍被壓緊在超聲 振子上，即電磁力作為球形轉子與超聲振子間的預壓力。與此同時，按照一定的相序激勵超 聲振子的三相壓電片，則振子表面質點作橢圓運動，產生的摩擦轉矩驅動球轉子實現偏航、 傾斜和旋轉三自由度運動。當轉子偏離初始位置時，通過改變通電繞組以及繞組電流的大 小、和方向，可保持轉子和超聲振子之間的預壓力。 另一方面，洛倫茲力的切向分量的反作用力作用在球形轉子上產生電磁轉矩，不 同定子繞組產生的電磁轉矩按照矢量合成原理合成最終的轉矩，此轉矩與通電定子繞組的 空間位置、電流大小、電流方向有關。電機運行時，通過控制不同定子繞組的導通、關斷以及 導通時電流的大小、方向，可使總的合成電磁轉矩與超聲振子產生的摩擦力矩在時間、空間 上具有穩定的相位關係，二者將疊加同步驅動轉子運動，因此電機的輸出轉矩將大大提高。
電機停止運行時，定子繞組斷電，電磁斥力消失，彈簧回復原位重新將定子繞組壓 緊在球形轉子上，在多個繞組共同作用下，球形轉子被進一步壓緊在超聲振子上。球形轉子 與定子繞組、球形轉子與超聲振子間的摩擦力將保持電機自鎖。 這裡以本發明的實施例為中心展開了詳細的說明，所描述的優選方式或某些特性 的具體體現，應當理解為本說明書僅僅是通過給出實施例的方式來描述本發明，實際上在 組成、構造和使用的某些細節上會有所變化，例如，部件的組合和組配、轉子磁極的排列方 式、超聲振子的結構，這些變形和應用都應該屬於本發明的範圍內。
權利要求
一種多物理場混合驅動三自由度球形電機，包括支撐部分、定子和球形轉子三部分，其中，所述支撐部分包括底座，固定在底座上的球形定子殼，定子殼頂端開設有圓孔；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成，繞組軸的直徑略小於繞組安裝孔內徑，其頂部穿過壓縮彈簧置於繞組安裝孔內，線圈的兩端分別放置有頂部擋片，在與球形轉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，其上端為內錐形，與球形轉子相配合；所述球形轉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. 根據權利要求1所述的多物理場混合驅動三自由度球形電機，其特徵在於，定子線 圈產生的電磁轉矩與超聲振子產生的摩擦轉矩共同驅動球形轉子，定子線圈產生的電磁徑 向力作為球形轉子與超聲振子間的預壓力。
3. 根據權利要求1所述的多物理場混合驅動三自由度球形電機，其特徵在於，球形轉 子和繞組軸由非導磁材料製成。
全文摘要
本發明屬於電機製造技術領域，涉及一種多物理場混合驅動三自由度球形電機，包括支撐部分、定子和球形轉子三部分。支撐部分包括底座，固定在底座上的球形定子殼，定子殼頂端開設有圓孔；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成，繞組軸的直徑略小於繞組安裝孔內徑，其頂部穿過壓縮彈簧置於繞組安裝孔內；超聲振子固定在底座上，其上端為內錐形，與球形轉子相配合；球形轉子沿赤道平行方向均勻嵌入多層永磁體磁極。本發明的電機結構可靠，改善了電機的轉矩特性，提高了電機控制系統設計的靈活性。
文檔編號H02N2/00GK101777851SQ20101012623
公開日2010年7月14日 申請日期2010年3月17日 優先權日2010年3月17日
發明者史婷娜, 夏長亮, 李斌, 李桂丹, 李洪鳳 申請人:天津大學