专利名称：多物理场混合驱动三自由度球形电机的制作方法
技术领域：
本发明属于电机制造技术领域，涉及一种三自由度球形电机。
背景技术：
随着科技的进步，多自由度运动机构的应用范围越来越广。传统的多自由度运动 是由多台单自由度电机联合实现的，不可避免的带来机构庞大、传动精度低、控制困难等问 题。因此，多自由度电机及控制系统的研究越来越受重视，其中，可以实现俯仰、倾斜和旋转 三个自由度运动的球形电机，具有更广泛的应用前景，但涉及的问题也更复杂。
超声波球形电机是一类利用压电材料的逆压电效应实现能量转换的新型多自由 度电机。球形转子放置在柱形/平板定子上，通过激励定子上的A、 B、 C三相压电片，激发 出定子的不同振动模态，定子表面质点产生围绕不同轴旋转的椭圆运动，进而通过定转子 间的摩擦力驱动转子运动。然而，目前超声波球形电机还存在以下问题1、预压力装置不 完善。超声波电机为了获得理想的输出转矩，必须保证定转子之间较高的摩擦力，这就需要 提高定子施加在转子上的压力。更重要的是，定转子预压力是超声波电机的重要参数，直接 影响到定转子之间的接触状态和能量传递过程，进而影响到超声波电机的性能指标等。由 于定转子的特殊形状以及多自由度的运动方式，超声波球形电机的预压力装置还不完善， 一般由永磁磁片或弹簧构成的简单装置构成，不易获得较高的预压力，且控制不灵活。2、能 量传递界面较小，输出转矩小。超声波电机是利用摩擦力传递能量的，因此定转子的接触 面在很大程度上影响电机的转矩性能。与定转子本身的尺寸相比，超声波电机能量传递界 面较小，限制了电机的输出转矩。若简单地增大定子尺寸，虽能增加定转子接触面积，但随 着尺寸的增加，定子谐振频率降低，当谐振频率低于超声频带时，电机运行将产生强烈的噪 声，另外，超声波电机的功率近似与谐振频率的平方成正比，增大定子尺寸势必影响到电机 的输出功率。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的上述不足，提出一种包括电磁场、摩擦力在内的 多种物理场混合驱动的三自由度球形电机，该电机结构可靠，利用径向电磁力建立定转子 间的预压力，实现转子预压力的可控；利用切向电磁力产生的电磁转矩与定转子间摩擦力 产生的摩擦转矩共同驱动转子，实现三自由度运动，改善了电机的转矩特性，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 —种多物理场混合驱动三自由度球形电机，包括支撑部分、定子和球形转子三部 分，其中， 所述支撑部分包括底座，固定在底座上的球形定子壳，定子壳顶端开设有圆孔；定 子壳上半球沿与赤道平行方向均匀分布一层或一层以上的绕组安装孔； 所述定子包括定子绕组和超声振子，所述定子绕组由绕组轴和线圈构成，绕组轴 的直径略小于绕组安装孔内径，其顶部穿过压縮弹簧置于绕组安装孔内，线圈的两端分别放置有顶部挡片，在与球形转子相接触的顶部挡片上粘贴有摩擦层；超声振子固定在底座 上，其上端为内锥形，与球形转子相配合； 所述球形转子沿赤道平行方向均匀嵌入多层永磁体磁极，每一层磁极N、 S极交
替，上、下两层磁极N、S极交替，其上固定有从定子顶端圆孔伸出的输出轴。 作为优选实施方式，本发明的多物理场混合驱动三自由度球形电机，定子线圈产
生的电磁转矩与超声振子产生的摩擦转矩共同驱动球形转子，定子线圈产生的电磁径向力
作为球形转子与超声振子间的预压力；球形转子和绕组轴由非导磁材料制成。 本发明的有益效果有 1、多物理场混合驱动三自由度球形电机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、多物理场混合驱动三自由度球形电机具有断电自锁能力，无需机械抱闸等外部 装置，这对于位置伺服系统的设计十分有利。 3、多物理场混合驱动球形电机利用电磁力建立了球形转子与超声振子间的预压 力，解决了超声波球形电机中定转子预压力装置不完善、预压力控制困难的问题，通过控制 不同绕组的电流幅值、方向，可实现定转子预压力的主动控制。 4、通过控制定子绕组产生的电磁转矩与超声振子产生的摩擦转矩在时间和空间 上的幅值、相位关系，多物理场混合驱动三自由度球形电机可使电磁转矩与摩擦转矩协同 驱动球形转子，提高了电机的输出转矩。 5、与普通永磁式球形电机相比，多物理场混合驱动球形电机定子绕组数目减少 1/2，数学模型中电磁转矩矩阵维数降低，可简化控制系统设计。
图1多物理场混合驱动三自由度球形电机结构图。
图中标号名称为1球转子；2弹簧；3定子绕组；4螺栓；5支撑螺栓；6底座；7输
出轴；8定子壳；9超声振子；9. 1压电片；9. 2金属弹性体 图2定子壳示意图。
图中标号名称为8. 1安装孔 图3转子球体结构图。
图中标号名称为1. 1永磁体磁极 图4定子绕组结构图。 图中标号名称为3. 1绕组轴；3. 2线圈；3. 3挡片；3. 4摩擦层
具体实施例方式
本发明的多物理场混合驱动三自由度球形电机包括支撑部分、定子和球形转子三 部分，其中，支撑部分包括定子壳8、弹簧2、底座6和支撑螺栓5，定子包括定子绕组3、超声 振子9，球形转子1上固定输出轴7。电机基本结构如图1所示。 定子壳8为球形结构，通过螺栓4固定在底座上6，定子壳顶端开圆孔，输出轴7由 此伸出连接输出转矩和力，圆孔大小由电机俯仰角决定。定子壳上半球沿赤道均匀分布多 层绕组安装孔8. 1，安装孔8. 1为通孔，安装孔的层数和密度可根据不同的控制力和控制精度要求进行调整。定子绕组3由绕组轴3. 1和线圈3. 2构成，在绕组轴3. 1上固定圆盘形 挡片3. 3防止线圈3. 2滑动，在顶部挡片上粘贴摩擦层3. 4以提高摩擦力。绕组轴3. 1直 径略小于安装孔，可在安装孔内径向滑动，为了减小齿槽转矩，绕组轴3. 1为非导磁材料制 成。绕组轴3. 1穿过弹簧2放置在绕组安装孔8. 1内。球转子1压迫定子绕组3使弹簧2 处于压縮状态。 由于弹簧2处于压縮状态，因此定子绕组3在弹簧力的作用下被压紧在转子1上。
由于定子绕组均匀分布，在多个弹簧作用下转子将受到垂直向下的压力，进而被压紧在超
声振子9上。超声振子9采用兰杰文振子结构，由螺栓将4块弹性体9. 2和3组压电陶瓷
片及其电极9. 1等部分紧固起来。超声振子9由4个紧固螺栓5固定在底座6上。 需要说明的是，超声振子可采用其他结构，例如圆盘形、方柱形弹性体表面粘贴压
电片等结构，此时机械结构可做相应调整。 球转子1采用非导磁材料制成，沿赤道均匀嵌入多层永磁体磁极1. 1，如图3所示。 每一层磁极N、S极交替，上、下两层磁极N、S极交替。为了提高超声振子9与球转子1的接 触面积，并保持稳定接触，超声振子顶端为内锥形。 电机运行时，由于转子磁极的空间分布，转子磁极产生的磁场包含R、 9 、①三个 分量，定子绕组通电后定子绕组受到的洛伦兹力将包含径向分量和切向分量。洛伦兹力的 径向分量不产生电磁转矩，但当其足够大且与弹簧的压力方向相反时，弹簧被压縮，定子绕 组将与转子分离，不会对转子的运动产生摩擦阻力作用。此时，球形转子将受到沿径向的反 作用力，当多个绕组产生的反作用力的合力指向超声振子时，则球形转子仍被压紧在超声 振子上，即电磁力作为球形转子与超声振子间的预压力。与此同时，按照一定的相序激励超 声振子的三相压电片，则振子表面质点作椭圆运动，产生的摩擦转矩驱动球转子实现偏航、 倾斜和旋转三自由度运动。当转子偏离初始位置时，通过改变通电绕组以及绕组电流的大 小、和方向，可保持转子和超声振子之间的预压力。 另一方面，洛伦兹力的切向分量的反作用力作用在球形转子上产生电磁转矩，不 同定子绕组产生的电磁转矩按照矢量合成原理合成最终的转矩，此转矩与通电定子绕组的 空间位置、电流大小、电流方向有关。电机运行时，通过控制不同定子绕组的导通、关断以及 导通时电流的大小、方向，可使总的合成电磁转矩与超声振子产生的摩擦力矩在时间、空间 上具有稳定的相位关系，二者将叠加同步驱动转子运动，因此电机的输出转矩将大大提高。
电机停止运行时，定子绕组断电，电磁斥力消失，弹簧回复原位重新将定子绕组压 紧在球形转子上，在多个绕组共同作用下，球形转子被进一步压紧在超声振子上。球形转子 与定子绕组、球形转子与超声振子间的摩擦力将保持电机自锁。 这里以本发明的实施例为中心展开了详细的说明，所描述的优选方式或某些特性 的具体体现，应当理解为本说明书仅仅是通过给出实施例的方式来描述本发明，实际上在 组成、构造和使用的某些细节上会有所变化，例如，部件的组合和组配、转子磁极的排列方 式、超声振子的结构，这些变形和应用都应该属于本发明的范围内。
权利要求
一种多物理场混合驱动三自由度球形电机，包括支撑部分、定子和球形转子三部分，其中，所述支撑部分包括底座，固定在底座上的球形定子壳，定子壳顶端开设有圆孔；定子壳上半球沿与赤道平行方向均匀分布一层或一层以上的绕组安装孔；所述定子包括定子绕组和超声振子，所述定子绕组由绕组轴和线圈构成，绕组轴的直径略小于绕组安装孔内径，其顶部穿过压缩弹簧置于绕组安装孔内，线圈的两端分别放置有顶部挡片，在与球形转子相接触的顶部挡片上粘贴有摩擦层；超声振子固定在底座上，其上端为内锥形，与球形转子相配合；所述球形转子沿赤道平行方向均匀嵌入多层永磁体磁极，每一层磁极N、S极交替，上、下两层磁极N、S极交替，其上固定有从定子顶端圆孔伸出的输出轴。
2. 根据权利要求1所述的多物理场混合驱动三自由度球形电机，其特征在于，定子线 圈产生的电磁转矩与超声振子产生的摩擦转矩共同驱动球形转子，定子线圈产生的电磁径 向力作为球形转子与超声振子间的预压力。
3. 根据权利要求1所述的多物理场混合驱动三自由度球形电机，其特征在于，球形转 子和绕组轴由非导磁材料制成。
全文摘要
本发明属于电机制造技术领域，涉及一种多物理场混合驱动三自由度球形电机，包括支撑部分、定子和球形转子三部分。支撑部分包括底座，固定在底座上的球形定子壳，定子壳顶端开设有圆孔；定子壳上半球沿与赤道平行方向均匀分布一层或一层以上的绕组安装孔；定子包括定子绕组和超声振子，定子绕组由绕组轴和线圈构成，绕组轴的直径略小于绕组安装孔内径，其顶部穿过压缩弹簧置于绕组安装孔内；超声振子固定在底座上，其上端为内锥形，与球形转子相配合；球形转子沿赤道平行方向均匀嵌入多层永磁体磁极。本发明的电机结构可靠，改善了电机的转矩特性，提高了电机控制系统设计的灵活性。
文档编号H02N2/00GK101777851SQ20101012623
公开日2010年7月14日 申请日期2010年3月17日 优先权日2010年3月17日
发明者史婷娜, 夏长亮, 李斌, 李桂丹, 李洪凤 申请人:天津大学