[發(fā)明專利]電磁調(diào)壓式多自由度球形超聲波電機(jī)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200810052908.1
• 申請(qǐng)日: 2008-04-25
• 公開（公告）號(hào): CN101267171A
• 公開（公告）日: 2008-09-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 夏長(zhǎng)亮;李斌;史婷娜
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): H02N2/00
• 分類號(hào): H02N2/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所
• 代理人: 江鎮(zhèn)華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于超聲波電機(jī)制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種多自由度球形超聲波電機(jī)。

背景技術(shù)

超聲波電機(jī)和傳統(tǒng)的電磁式電機(jī)相比，具有低速大轉(zhuǎn)矩、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)行無噪聲、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、斷電自鎖、無電磁干擾問題等，可廣泛應(yīng)用于航空航天、微型機(jī)械、機(jī)器人、機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)、光學(xué)儀器等領(lǐng)域。多自由度球形超聲波電機(jī)不僅具有這些傳統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)，而且可以實(shí)現(xiàn)球形轉(zhuǎn)子的空間多自由度運(yùn)動(dòng)，將其應(yīng)用于機(jī)器人關(guān)節(jié)、仿生視覺等裝置中可大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)快速、準(zhǔn)確的定位。

由于球形超聲波電機(jī)特殊的轉(zhuǎn)子形式，其預(yù)壓力裝置的設(shè)計(jì)問題一直是一個(gè)難點(diǎn)，目前的一些方案存在預(yù)壓力小、結(jié)構(gòu)不可靠、預(yù)壓力不易調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)，限制了球形超聲波電機(jī)的應(yīng)用。在超聲波電機(jī)中，定轉(zhuǎn)子預(yù)壓力是一個(gè)重要的參數(shù)，直接影響到電機(jī)的定子諧振頻率、轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性。因此，當(dāng)超聲波電機(jī)運(yùn)行時(shí)，若能根據(jù)反饋信號(hào)調(diào)節(jié)定轉(zhuǎn)子預(yù)壓力的大小，對(duì)預(yù)壓力進(jìn)行主動(dòng)控制，并結(jié)合傳統(tǒng)的定子調(diào)壓、調(diào)頻、調(diào)相控制方法，可以構(gòu)建更靈活、有效的控制系統(tǒng)，擴(kuò)大超聲波電機(jī)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)范圍，改善超聲波電機(jī)的運(yùn)行性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提出一種定轉(zhuǎn)子預(yù)壓力可調(diào)的多自由度球形超聲波電機(jī)，從而使電機(jī)結(jié)構(gòu)更為可靠、定轉(zhuǎn)子預(yù)壓力可控，改善了電機(jī)的運(yùn)行特性，提高了電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。

為此，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種電磁調(diào)壓式多自由度球形超聲波電機(jī)，包括機(jī)殼、帶有輸出軸的球轉(zhuǎn)子和固定在機(jī)殼上的定子，其特征在于，在所述的球轉(zhuǎn)子外套有耐磨圓環(huán)，在所述圓環(huán)的表面設(shè)置有多個(gè)永磁磁片，在機(jī)殼上還固定有多對(duì)電磁極，每個(gè)電磁極由鐵芯和纏繞鐵芯的繞組線圈構(gòu)成，電磁極的對(duì)數(shù)與所述磁片極對(duì)數(shù)相同，位置與所述磁片相對(duì)應(yīng)，通過改變電磁極繞組線圈的電流來調(diào)節(jié)永磁磁片和電磁極之間的作用力。

本發(fā)明的多自由度球形超聲波電機(jī)，最好還包括連接在圓環(huán)與機(jī)殼之間的彈簧；磁片在圓環(huán)表面是N、S極交替，且均勻分布。

本發(fā)明的電機(jī)所采用的定子可以是如下結(jié)構(gòu)，采用彈性金屬平板，其一面設(shè)置有驅(qū)動(dòng)足，另一面設(shè)置有三相壓電片。

本發(fā)明提供的球形超聲波電機(jī)，其實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)是：通過對(duì)粘貼在定子上的壓電片上施加高頻信號(hào)，激發(fā)出定子的彎曲振動(dòng)，通過摩擦力驅(qū)動(dòng)球轉(zhuǎn)子進(jìn)行多自由度旋轉(zhuǎn)。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，通過控制電磁極勵(lì)磁電流，可調(diào)節(jié)磁力的大小和方向，與彈簧的拉力合成后，改變定轉(zhuǎn)子之間的預(yù)壓力。

本發(fā)明具有如下的突出的技術(shù)效果：

1.電磁調(diào)壓式球形超聲波電機(jī)在具有低速大轉(zhuǎn)矩、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、斷電自鎖、無電磁干擾等超聲波電機(jī)傳統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)空間上的多自由度運(yùn)動(dòng)，將其應(yīng)用于機(jī)器人、精密儀器等領(lǐng)域，可大大簡(jiǎn)化機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.電磁調(diào)壓式球形超聲波電機(jī)采用平板形定子結(jié)構(gòu)，與柱形定子結(jié)構(gòu)相比，電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可進(jìn)一步減小電機(jī)體積，擴(kuò)大電機(jī)應(yīng)用范圍。

3.電磁調(diào)壓式球形超聲波電機(jī)具有包括電機(jī)機(jī)殼、永磁體、彈簧、電磁極在內(nèi)的電機(jī)預(yù)壓力與支撐裝置，電機(jī)結(jié)構(gòu)可靠，且提高了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩及斷電后的保持力矩。

4.電磁調(diào)壓式球形超聲波電機(jī)通過調(diào)節(jié)電磁極的勵(lì)磁電流，可以改變磁力與彈簧拉力的合力，實(shí)現(xiàn)定轉(zhuǎn)子預(yù)壓力的主動(dòng)控制，可獲得不同的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性，增強(qiáng)了電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。

附圖說明

圖1電磁調(diào)壓式球形超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)圖。

圖中標(biāo)號(hào)名稱為：1機(jī)殼；2球轉(zhuǎn)子；3定子；4螺栓；5耐磨圓環(huán)；6永磁磁片；7彈簧；8電磁極；9墊片

圖2定子結(jié)構(gòu)圖。

圖中標(biāo)號(hào)名稱為：3-1金屬?gòu)椥园澹?-2驅(qū)動(dòng)足

圖3壓電片排列方式示意圖。

圖中標(biāo)號(hào)名稱為：3-3壓電片

圖4永磁體磁片排列方式示意圖。

具體實(shí)施方式

電磁調(diào)壓式球形超聲波電機(jī)包括電機(jī)本體、預(yù)壓力電磁控制系統(tǒng)兩部分，其中，電機(jī)本體部分由機(jī)殼1、球轉(zhuǎn)子2和定子3構(gòu)成，預(yù)壓力電磁控制系統(tǒng)由耐磨圓環(huán)5、永磁磁片6、彈簧7、電磁極8構(gòu)成。電機(jī)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。