专利名称：电磁调压式多自由度球形超声波电机的制作方法
技术领域：
本发明属于超声波电机制造技术领域，涉及一种多自由度球形超声波电机。
技术背景超声波电机和传统的电磁式电机相比，具有低速大转矩、动态响应快、运行无噪声、 结构简单、质量轻、断电自锁、无电磁干扰问题等，可广泛应用于航空航天、微型机械、 机器人、机床进给机构、光学仪器等领域。多自由度球形超声波电机不仅具有这些传统 优点，而且可以实现球形转子的空间多自由度运动，将其应用于机器人关节、仿生视觉 等装置中可大大简化系统的设计，实现运动机构快速、准确的定位。由于球形超声波电机特殊的转子形式，其预压力装置的设计问题一直是一个难点， 目前的一些方案存在预压力小、结构不可靠、预压力不易调节的缺点，限制了球形超声 波电机的应用。在超声波电机中，定转子预压力是一个重要的参数，直接影响到电机的 定子谐振频率、转矩一转速特性。因此，当超声波电机运行时，若能根据反馈信号调节 定转子预压力的大小，对预压力进行主动控制，并结合传统的定子调压、调频、调相控 制方法，可以构建更灵活、有效的控制系统，扩大超声波电机的动态调节范围，改善超 声波电机的运行性能。发明内容本发明目的在于克服现有技术的上述不足，提出一种定转子预压力可调的多自由度 球形超声波电机，从而使电机结构更为可靠、定转子预压力可控，改善了电机的运行特 性，提高了电机控制系统设计的灵活性。为此，本发明采用如下的技术方案一种电磁调压式多自由度球形超声波电机，包括机壳、带有输出轴的球转子和固定 在机壳上的定子，其特征在于，在所述的球转子外套有耐磨圆环，在所述圆环的表面设 置有多个永磁磁片，在机壳上还固定有多对电磁极，每个电磁极由铁芯和缠绕铁芯的绕 组线圈构成，电磁极的对数与所述磁片极对数相同，位置与所述磁片相对应，通过改变 电磁极绕组线圈的电流来调节永磁磁片和电磁极之间的作用力。本发明的多自由度球形超声波电机，最好还包括连接在圆环与机壳之间的弹簧；磁 片在圆环表面是N、 S极交替，且均匀分布。本发明的电机所采用的定子可以是如下结构，釆用弹性金属平板，其一面设置有驱 动足，另一面设置有三相压电片。本发明提供的球形超声波电机，其实质性特点是通过对粘贴在定子上的压电片上施加高频信号，激发出定子的弯曲振动，通过摩擦力驱动球转子进行多自由度旋转。电机运行时，通过控制电磁极励磁电流，可调节磁力的大小和方向，与弹簧的拉力合成后，改变定转子之间的预压力。本发明具有如下的突出的技术效果1.电磁调压式球形超声波电机在具有低速大转矩、动态响应快、断电自锁、无电磁 干扰等超声波电机传统优点基础上，可实现空间上的多自由度运动，将其应用于机器人、 精密仪器等领域，可大大简化机械系统的设计。2. 电磁调压式球形超声波电机采用平板形定子结构，与柱形定子结构相比，电机结 构简单，可进一步减小电机体积，扩大电机应用范围。3. 电磁调压式球形超声波电机具有包括电机机壳、永磁体、弹簧、电磁极在内的电 机预压力与支撑装置，电机结构可靠，且提高了电机的输出转矩及断电后的保持力矩。4. 电磁调压式球形超声波电机通过调节电磁极的励磁电流，可以改变磁力与弹簧拉 力的合力，实现定转子预压力的主动控制，可获得不同的转矩一转速特性，增强了电机 控制系统设计的灵活性。
图l电磁调压式球形超声波电机结构图。图中标号名称为l机壳；2球转子；3定子；4螺栓；5耐磨圆环；6永磁磁片；7 弹簧；8电磁极；9垫片 图2定子结构图。图中标号名称为3-l金属弹性板；3-2驱动足 图3压电片排列方式示意图。 图中标号名称为3-3压电片图4永磁体磁片排列方式示意图。
具体实施方式
电磁调压式球形超声波电机包括电机本体、预压力电磁控制系统两部分，其中，电机本体部分由机壳l、球转子2和定子3构成，预压力电磁控制系统由耐磨圆环5、永磁 磁片6、弹簧7、电磁极8构成。电机基本结构如图l所示。电机机壳1为方柱形，其宽度略大于球转子2直径。定子3为方形弹性金属平板3-1， 其正面粘贴4个驱动足3-2，背面粘贴压电片3-3，在定子两条对角线的交点，利用螺栓 4将定子固定在机壳上。定子结构图如图2所示，压电片排列方式如图3所示。球转子采 用非导磁材料制成，带有输出轴，在上面套着由耐磨材料构成的圆环5，圆环上表面粘贴 N、 S极交替的永磁磁片6，磁片均匀分布，磁极排列方式如图3所示。在圆环下表面、与每块磁片中心相对的位置连接弹簧7，弹簧的另一端连接到机壳l底部，弹簧的拉力可 将球转子压紧在定子上。电磁极8固定在机壳顶部，其位置与磁片位置对应，两者之间 是空气隙，相邻两个电磁极组成一对极，极对数与磁片极对数相同，机壳兼作磁路的磁 轭。电磁极包括铁芯和缠绕铁芯的绕组线圈两部分，当在绕组线圈中通电时，即可产生 电磁场。在本发明的电磁调压式多自由度球形超声波电机中，定转子之间的预压力是由弹簧 的拉力和电磁极、磁片之间的磁力合成的。电机正常运行时，保持耐磨圆环和球转子接 触，弹簧的伸长量基本不变，即弹簧拉力保持恒定，当电磁极的极性与相对的磁片不同 时，磁片和耐磨圆环受到向上的引力，削弱了耐磨圆环作用在定子上的压力，即减小了 定转子预压力；改变电磁极励磁电流的方向，可使电磁极的极性与磁片相同，则耐磨圆 环受到向下的斥力，即可增大定转子预压力；改变电流的大小，可以调节磁极磁场的强 度，从而控制磁引力或磁斥力的幅值。可见，在电磁调压式多自由度球形超声波电机中， 定转子之间的预压力与定子激励的幅值、频率、相位一样，均是可控的，因此可以构建 更灵活、更有效的控制系统，提高电机的运行性能。电磁调压式球形超声波电机中，当A、 B和C三相压电片3-3施加高频激励时，可激 发出定子弹性板的弯曲振动，控制三相激励的相位关系，可以改变定子驱动足的椭圆运 动轨迹，从而实现球转子的三自由度旋转。当电磁调压式球形超声波电机运行时，通过对A、 B、 C三相压电片激励电压和电磁 极励磁电流的协调控制，可以获得电机不同的运行特性，构建更灵活的控制系统。需要说明的是，本发明中，连接耐磨圆环和机壳底部的弹簧不是必要技术特征。若 去掉连接耐磨圆环和机壳底部的弹簧，仅控制绕组线圈电流的大小而不改变其方向，使 电磁极与永磁磁片间恒为斥力，利用电磁斥力压紧定转子，这也是可行的。本实施例利 用弹簧的拉力来保持电机球转子与定子之间的预压力，可使电机结构更加稳固可靠。
权利要求
1. 一种电磁调压式多自由度球形超声波电机，包括机壳、带有输出轴的球转子和固定在机壳上的定子，其特征在于，在所述的球转子外套有耐磨圆环，在所述圆环的表面设置有多个永磁磁片，在机壳上还固定有多对电磁极，每个电磁极由铁芯和缠绕铁芯的绕组线圈构成，电磁极的对数与所述磁片极对数相同，位置与所述磁片相对应，通过改变电磁极绕组线圈的电流来调节永磁磁片和电磁极之间的作用力。
2. 根据权利要求1所述的多自由度球形超声波电机，其特征在于，所述电机还包括连接 在圆环与机壳之间的弹簧。
3. 根据权利要求1或2任意一项所述的多自由度球形超声波电机，其特征在于，所述的 磁片在所述圆环表面N、 S极交替，且均匀分布。
4. 根据权利要求1至3任意一项所述的多自由度球形超声波电机，其特征在于，所述定 子为弹性金属平板，其一面设置有驱动足，另一面设置有三相压电片。
全文摘要
本发明属于超声波电机制造技术领域，涉及一种电磁调压式多自由度球形超声波电机，包括机壳、带有输出轴的球转子和固定在机壳上的定子，在所述的球转子外套有耐磨圆环，在所述圆环的表面设置有多个永磁磁片，在机壳上还固定有多对电磁极，每个电磁极由铁芯和缠绕铁芯的绕组线圈构成，电磁极的对数与所述磁片极对数相同，位置与所述磁片相对应，通过改变电磁极绕组线圈的电流来调节永磁磁片和电磁极之间的作用力。本发明的多自由度球形超声波电机，结构更为可靠，转子预压力可控，改善了电机的运行特性，提高电机控制系统设计的灵活性。
文档编号H02N2/00GK101267171SQ200810052908
公开日2008年9月17日 申请日期2008年4月25日 优先权日2008年4月25日
发明者史婷娜, 夏长亮, 斌 李 申请人:天津大学