本发明属于电动机技术领域。更具体地说，是涉及电磁压电混合驱动多自由度电机。
背景技术：
根据机械原理，机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目(亦即为了使机构的位置得以确定，必须给定的独立的广义坐标的数目)，称为机构自由度。多自由度电机是一种输出转轴能够实现两个或两个自由度以上的运动的电机。
现代智能化工业的不断发展，对多自由度运动执行机构的精密度、集成度和灵活度的要求日益提高。由传统的单自由度电机组成的多自由度运动执行机构，因体积庞大已无法满足智能化驱动要求。多自由度一体化驱动技术越来越受到重视。多自由度电机成为重要的研究方向，许多新型多自由度电机不断被研发出来并得到应用。常见的多自由电机一般有两种驱动方式：电磁驱动和压电驱动。具有电磁驱动的多自由度电机适合工作在高速低扭矩，但其结构复杂难以实现微型化，控制定位精度低，不宜应用在精密的工作场合。压电驱动的多自由度电机结构紧凑，设计灵活，易于实现微型化，能自锁，响应快，且不受外界电磁的干扰特别适合工作在低速大扭矩场合；但压电驱动的电机寿命短，不适合连续运转的场合。
因此，针对电磁驱动和压电驱动的多自由度电机面临的问题，提出一种高适应性、高稳定性的多自由电机十分必要。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种电磁压电混合驱动多自由度电机，以解决现有技术中存在的技术问题，该电机结构简单紧凑、无源自锁响应速度快、所述转子既能够实现自转又能够实现一定角度偏转、既不产生电磁干扰又不受外界电磁干扰、控制定位精度高、易实现微型化、使用方便；既能工作在低转速、大扭矩场合，又能工作在高转速、低扭矩场合。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：电磁压电混合驱动多自由度电机，包括机壳、转子和定子，其特征在于：所述转子外轮廓具有凸球面状，所述转子的外面设有转子永磁体，所述转子上端与输出轴固定连接，所述转子通过关节轴承与下端的基座转动连接；所述定子包括定子铁心和绕组，所述定子具有凹球面状；所述机壳或定子上设有转子偏转压电驱动装置；通过转子偏转压电驱动及转子自转电磁驱动的混合驱动，从而能实现转子的自转及其一定角度的偏转。
进一步的，所述基座上还设有转子自转压电驱动装置。
优选的，所述转子偏转压电驱动装置包括压电平板型复合振子。
优选的，所述压电平板型复合振子包括复合振子压电陶瓷片、复合振子驱动足、环形弹性体、卡扣，复合振子压电陶瓷片和复合振子驱动足分布安装在环形弹性体上；复合振子压电陶瓷片沿厚度方向正负极化；复合振子压电陶瓷片分为4组以上，每组包括1个以上压电陶瓷片；复合振子的驱动足为4个以上；定子的上端部固定有中间带孔的上端盖，上端盖的下方设有中间带孔的弹簧压盖，上端盖和弹簧压盖固定连接；上端盖和平板复合振子之间通过压缩弹簧连接；所述复合振子驱动足与所述转子的外面之间为弹性预紧；复合振子压电陶瓷片按照极化方向一侧接地另外一侧与外接电源线连接。
优选的，所述压电平板型复合振子的复合振子压电陶瓷片分为6组以上，每组包括2个压电陶瓷片；复合振子的驱动足为6个。
优选的，所述转子自转压电驱动装置包括压电径向换能自转驱动装置，所述压电径向换能自转驱动装置包括径向换能弹性体、径向换能驱动足和径向换能压电陶瓷片，径向换能弹性体为十字式支架结构，其外圈为球环形结构；所述转子具有凹面式内腔；径向换能驱动足和径向换能压电陶瓷片分布在球环形结构和十字支架结构上；所述径向换能驱动足为4个以上，与所述转子具有凹面式内腔弹性接触；所述径向换能压电陶瓷片分4组最佳每组1片以上；径向换能压电陶瓷片沿厚度方向正负极化；径向换能压电陶瓷片按照极化方向一侧接地另外一侧与外接电源线连接；所述径向换能弹性体的十字式支架结构固定连接在基座上。
优选的，所述径向换能驱动足为6个，所述径向换能压电陶瓷片分6组每组2片。
优选的，所述转子自转压电驱动装置包括压电行波驱动装置，所述压电行波驱动装置包括4个压电行波定子和压电行波驱动支撑结构；压电行波驱动支撑结构为内部十字式支架，外部为球面环结构；4个压电行波定子装在压电行波驱动支撑结构的外围；所述压电行波驱动支撑结构的十字式支架安装在基座上；所述转子具有凹面式内腔；每个压电行波定子包括压电行波驱动足、行波驱动陶瓷片、压电行波驱动弹性体；压电行波驱动足和行波驱动陶瓷片装在压电行波驱动弹性体上；所述行波驱动陶瓷片沿厚度方向正负交替极化；每个压电行波定子包括压电行波驱动足为6个以上、行波驱动陶瓷片4个以上；压电行波定子通过压电行波驱动弹性体用螺栓和行波压缩弹簧安装在压电行波驱动支撑结构的外围或通过行波压缩弹簧盖安装在压电行波驱动支撑结构的外围，压电行波驱动足与所述转子内腔的凹面间为弹性预紧驱动；行波驱动陶瓷片按照极化方向一侧接地另外一侧与外接电源线连接；所述压电行波驱动支撑结构通过其内部十字式支架固定连接在基座上。
优选的，所述每个压电行波定子包括压电行波驱动足9个，行波驱动陶瓷片12个。
本发明的技术效果是：解决了现有技术中存在的技术问题，该电机结构简单紧凑、无源自锁响应速度快、所述转子既能够实现自转又能够实现一定角度偏转，既不产生电磁干扰又不受外界电磁干扰、控制定位精度高、易实现微型化、使用方便，既能工作在低转速、大扭矩场合，又能工作在高转速、低扭矩场合。
以往电磁驱动多自由度电机适合工作在高速低扭矩，但其结构复杂难以实现微型化，不宜应用在精密的工作场合。压电驱动的多自由度电机结构紧凑，易于实现微型化，能自锁，响应快，且不受外界电磁的干扰，特别适合工作在低速大扭矩场合；但压电驱动的电机寿命短，不适合连续运转。本发明提出一种电磁和压电混合驱动的多自由度运动电机。避免了单一压电驱动的电机寿命短，不适合连续运转的场合的问题。本发明采用压电陶瓷片控制电机偏转极大的缩小了电机的体积提高了偏转控制精度和响应速度。极大简化了电机的结构；既能工作在低速大扭矩场合又能工作在高速低扭矩场合兼顾了压电驱动和电磁驱动的优点。避免了单一压电驱动的电机寿命短，不适合连续运转的场合的问题。该多自由度电机兼顾压电驱动和电磁驱动特点，实现了优势互补。寿命长，适合连续运转。既有低速大扭矩特性又有高速低扭矩特性，能够实现连续运转，且具有高适应性和高稳定性。可广泛应用在监控设备、医疗设备、精密设备、机器人等领域，具有广阔的应用前景。其推广应用，有利于产生较大的经济效益和社会效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实例的立体结构示意图。
图2为图1中的a-a剖视图。
图3为图2中转子的立体结构示意图。
图4为图2中转子永磁体的立体结构示意图。
图5为图2中关节轴承的立体结构示意图。
图6为图2中压电平板型复合振子的立体结构示意图。
图7为图2中压电平板型复合振子反面的立体结构示意图。
图8为图2中压电平板型复合振子安装立体结构示意图。
图9为图2中压电径向换能自转驱动装置的立体结构示意图
图10为图9的俯视图。
图11为图2中径向换能弹性体的立体结构示意图。
图12为图2中定子四分之一立体结构示意图。
图13为本发明又一个实例的a-a剖视图。
图14为图13中的压电行波驱动装置的立体结构示意图。
图15为图14中压电行波驱动支撑结构的立体结构示意图。
图16为图12中压电行波驱动支撑结构的行波定子的立体结构示意图。
图17为图12中压电行波定子的安装立体结构示意图。
图18为电机控制系统功能框图。
图中各标号含义：
1—输出轴，2—上端盖，3—压电平板型复合振子，3a—复合振子压电陶瓷片，3b—复合振子驱动足，3c—环形弹性体，3d—卡扣，4—压电径向换能驱动装置，4a-1—径向换能驱动足，4b—径向换能压电陶瓷片，4a—径向换能弹性体，4.1—压电行波驱动装置，4.1a—压电行波定子，4.1a—压电行波驱动足，4.1b—行波驱动陶瓷片，4.1c—压电行波驱动弹性体，4.1d—压电行波驱动支撑结构，5—定子，5a—定子铁心，5b—定子绕组，6—螺栓，7—基座，8—转子，8a—转子永磁体，8b—转子基座，9—关节轴承，9a—轴承杆端，9b—轴承球头，10—电机外壳，11—上侧电源走线口，12—外侧电源走线口，13—压缩弹簧，14—弹簧盖，15—行波压缩弹簧，16—行波压缩弹簧盖。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
请参阅图1-图6，现对一种电磁压电混合驱动多自由度电机，进行说明。
该电磁压电混合驱动多自由度电机，本发明采用的技术方案是：参阅图1，电磁压电混合驱动多自由度电机，包括机壳、转子8和定子5，其特征在于：所述转子8外轮廓具有凸球面状，所述转子8的外面设有转子永磁体8a，所述转子8上端与输出轴1固定连接，所述转子8通过关节轴承9与下端的基座7转动连接；所述定子5包括定子铁心5a和绕组5b，所述定子5具有凹球面状；所述机壳或定子5上设有转子偏转压电驱动装置；通过转子偏转压电驱动及转子自转电磁驱动的混合驱动，从而能实现转子8的自转及其一定角度的偏转。作为一个具体的实施例。
优选的，所述定子5上的绕组5b为集中式绕组。
参阅图2、图13，进一步的，所述基座7上还设有转子自转压电驱动装置。以便复合控制自传，控制定位精度高。
参阅图1-图5，优选的，所述转子偏转压电驱动装置包括压电平板型复合振子3。
参阅图6-图8，优选的，所述压电平板型复合振子3包括复合振子压电陶瓷片3a、复合振子驱动足3b、环形弹性体3c、卡扣3d，复合振子压电陶瓷片3a和复合振子驱动足3b分布安装在环形弹性体3c上；复合振子压电陶瓷片3a沿厚度方向正负极化；复合振子压电陶瓷片3a分为4组以上，每组包括1个以上压电陶瓷片；复合振子的驱动足为4个以上；定子5的上端部固定有中间带孔的上端盖2，上端盖2和中间带孔的弹簧压盖14固定连接；上端盖和平板复合振子3之间通过压缩弹簧13连接；所述平板型复合振子3通过卡扣3d固定在弹簧端盖14下面；所述复合振子驱动足3b与所述转子8的外面之间为弹性预紧；复合振子压电陶瓷片3a按照极化方向一侧接地另外一侧与外接电源线连接。
优选的，所述压电平板型复合振子3的复合振子压电陶瓷片3a分为6组以上，每组包括2个压电陶瓷片；复合振子的驱动足为6个。
参阅图9-图11，优选的，所述转子自转压电驱动装置包括压电径向换能自转驱动装置4，所述压电径向换能自转驱动装置4包括径向换能弹性体4a、径向换能驱动足4a-1和径向换能压电陶瓷片4b，径向换能弹性体4a为十字式支架结构，其外圈为球环形结构；所述转子8具有凹面式内腔；径向换能驱动足4a-1和径向换能压电陶瓷片4b分布在球环形结构和十字支架结构上；所述径向换能驱动足4a-1为4个以上，与所述转子8具有凹面式内腔弹性接触；所述径向换能压电陶瓷片4b分4组最佳每组1片以上；径向换能压电陶瓷片4b沿厚度方向正负极化；径向换能压电陶瓷片4b按照极化方向一侧接地另外一侧与外接电源线连接；所述径向换能弹性体4a的十字式支架结构固定连接在基座7上。
优选的，所述径向换能驱动足4a-1为6个，所述径向换能压电陶瓷片4b分6组每组2片。
参阅图13-图17，优选的，所述转子自转压电驱动装置包括压电行波驱动装置4.1，所述压电行波驱动装置4.1包括4个压电行波定子4.1a和压电行波驱动支撑结构4.1d；压电行波驱动支撑结构4.1d为内部十字式支架，外部为球面环结构；4个压电行波定子4.1a装在压电行波驱动支撑结构4.1d的外围；所述压电行波驱动支撑结构4.1d的十字式支架安装在基座7上；所述转子8具有凹面式内腔；每个压电行波定子4.1a包括压电行波驱动足4.1a、行波驱动陶瓷片4.1b、压电行波驱动弹性体4.1c；压电行波驱动足4.1a和行波驱动陶瓷片4.1b装在压电行波驱动弹性体4.1c上；所述行波驱动陶瓷片4.1b沿厚度方向正负交替极化；每个压电行波定子4.1a包括压电行波驱动足4.1a为6个以上、行波驱动陶瓷片4.1b4个以上；压电行波定子4.1a通过压电行波驱动弹性体4.1c用螺栓和行波压缩弹簧15安装在压电行波驱动支撑结构4.1d的外围或通过行波压缩弹簧盖16安装在压电行波驱动支撑结构4.1d的外围，压电行波驱动足4.1a与所述转子8内腔的凹面间为弹性预紧驱动；行波驱动陶瓷片4.1b按照极化方向一侧接地另外一侧与外接电源线连接；所述压电行波驱动支撑结构4.1d通过其内部十字式支架固定连接在基座7上。
优选的，所述每个压电行波定子4.1a包括压电行波驱动足4.1a9个，行波驱动陶瓷片4.1b12个。
关于以上其他有关说明：
所述压电陶瓷片按照极化方向一侧接地另外一侧连接通过走线口与电源连接。走线口由上侧走线口11和外侧走线口12组成。优选的两个走线口在同一侧。
所述压电平板型复合振子3与上端盖2固定连接，所述上端盖2通过螺栓6与电机外壳10固定连接。
所述压电行波驱动支撑结构4.1d结构支撑避免定子运动引起振动。
径向换能驱动足4a-1为外球面结构。
所述复合振子驱动足3b、径向换能驱动足4a-1、压电行波驱动足4.1a表面均为耐磨材料。
所述四个压电行波定子4.1a结构相同，安装在压电行波驱动支撑结构4.1d的周围。
所述转子8下面设有转子基座8b。
所述转子支承采用内部关节轴承配合外部的球面润滑轴承，定子内腔设计为带螺旋圆弧凹槽的球面润滑轴承。
压电平板型复合振子3，压电径向换能自转驱动装置4和定子5组成一个电机控制机构。压电平板型复合振子3完成实现电机的偏转；压电径向换能自转部分与定子5完成实现电机的自转。
工作时，如图2中给定子5上的线圈施加特定方向的电流后，会产生自转转矩；压电平板型复合振子3通过对正负交替极化的复合振子压电陶瓷片3a施加特定电压驱动后，复合振子驱动足3b在一个周期内的运行轨迹为长轴为垂直方向的椭圆。转子8与驱动足的运动方向相反。通过复合振子驱动足3b的配合，转子8产生偏转转矩，实现偏转运动。转子外围同样设置有位置传感器，表面贴装有球面4极永磁体。通过压电和电磁的配合产生更加精确的控制。
压电径向换能自转驱动装置4根据需要给正负交替极化的压电陶瓷片施加特定的电压后，通过弯曲振动的叠加会产生推动转子自转的转矩，与电磁自转驱动相配合实现稳定自转。转子表面贴装有球面4极永磁体，球面外围安装有位置传感器。电磁转矩实现电机的高速和大范围运动，通过给压电自转和偏转部分施加特定的激励调节转子微动方位实现精确控制。
当电机运行在低速时，采用压电自转驱动；当电机运行在高速时，采用电磁自转驱动；当电机偏转运动时，采用压电偏转驱动。实现电机的自转过程中，首先通过电磁驱动控制实现大幅运动，然后通过压电驱动实现精细运动。
如图2、图17，当需要更高的偏转的控制精度和驱动力时，将转子内部的压电径向换能驱动装置4改为压电行波驱动装置4.1，如图11含4个定子且为外转子驱动。给定子5上的线圈施加特-电流后，会产生自转转矩；压电行波型驱动部分4.1在给正负交替极化的压电陶瓷片施加特定的电压后，通过四个压电行波定子4.1a波形叠加可以产生偏转转矩和自转转矩。由压电平板型复合振子3，压电行波驱动装置4.1和定子5组成一个电机控制机构。压电平板型复合振子3和压电行波驱动装置4.1协调控制实现电机的偏转；压电行波驱动装置4.1与定子5协调控制实现电机的自转。
对压电行波驱动装置4.1上的行波驱动陶瓷片4.1b施加相位差为90°的相同频相同振幅的交变电压。因压电陶瓷的逆效应原理，四个压电行波定子4.1a响应出两相幅值相等的在时间上、空间上相位差为90°的驻波，两相驻波叠加形成环形行波。此时电机转子8沿着定子表面质点的切向方向旋转，转子8转动方向与行波方向相反。四个行波定子可以控制转子8向某个方向旋转，各定子对转子8的驱动角速度是不变，且方向共面。通过四个行波定子的运动叠加(如当其中一个压电行波定子4.1a运行另外三个行波定子不运行时，转子就能够绕某轴实现偏转)，就可以实现转子8的偏转运动。通过行波定子运动的叠加实现自转运动。
通过改变和组合不同线圈与压电驱动部分的激励，可调节转子运动的方位，实现电机精确定位。当转子发生偏转时，位于定子内侧的转子位置非接触式光电检测单元将会对转子位置进行实时检测，并与期望值进行比较。
通过将处理后的转子位置信号与期望值进行比较，并经由控制器处理运算后生成下一步控制算法。根据控制算法的需要，通过对定子不同的定子线圈通电电流的大小和方向进行跟踪和控制，就可以实现电机转子位置大范围的自转，同时控制压电自转和偏转部分，实现期望的运动轨迹。通过将两种运动相结合，能够实现电机复合定位驱动运行模式。
未述及部分本专业技术人员均可实施。
上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，依然可以在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述方案进行变化、修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换、改进等。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。