CN102355103B - 一种基于电磁和压电混合驱动的三自由度球型电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁和压电混合驱动的三自由度球型电机，该球电机包括有第一定子、转子、输出杆、第二定子、转子保护膜、底座、A压电陶瓷驱动器、B压电陶瓷驱动器、C压电陶瓷驱动器、以及安装在第一定子1上的24个线圈、以及安装在转子上的8个磁极。输出杆的连接盘安装在转子上，转子的外面涂覆有转子保护膜，转子保护膜的外面是第二定子，第二定子的外面是第一定子；第二定子通过支撑圆柱安装在底座上，第一定子的底部安装在底座的L形连接件上。本发明球型电机采用单转子双定子的结构，同时融合电磁和压电陶瓷两种驱动方式，互相补偿各自的缺点，且两种驱动方式的共同作用可有效地提高球电机的输出力矩。

Description

一种基于电磁和压电混合驱动的三自由度球型电机

技术领域

本发明涉及一种球型电机，更特别地说，是指一种采用电磁和压电陶瓷混合驱动的球型电机，该球型电机可以实现空间三自由度连续旋转。

背景技术

随着现代工业技术的发展，越来越多的工作场合要求机构能够在空间内实现连续的三自由度旋转，例如雷达、机械手、视觉系统、高精度机床等。但是常规的电机都是单轴旋转的，因此要实现三自由度旋转必须通过连接机构将三个独立的单轴电机组合起来。但是这种用组合方式形成的多自由度旋转机构不可避免地存在传动机构的变形和运动死区，而且附加的连接机构导致系统惯量大，动态响应性能差。相对于这些传统多自由度旋转机构，球型电机具有显著的优点，如体积小、重量轻、响应速度快、没有空回以及在工作空间内没有奇异点等。但是，针对当前球电机研究中遇到的输出力矩过小问题，本发明专利申请提出一种基于电磁和压电陶瓷片进行混合方式驱动的球型电机。

发明内容

本发明设计的基于电磁和压电混合驱动的三自由度球型电机，该球型电机采用单转子双定子结构。转子上排布有永磁磁极且涂覆有耐摩擦材料膜，第二定子上排布有压电片，并通过施加一定的轴向预压力使第二定子与转子保持接触，第一定子上排布有线圈。通过给第二定子上的压电片施加电场，使压电片产生变形，这种变形能在第二定子和转子之间产生摩擦力，从而推动转子产生相应的运动。第一定子上线圈可以与转子上永磁体相互作用产生电磁力，在电磁力的作用下转子同样可产生相应的运动。该设计同时采用了电磁和压电陶瓷的混合驱动方式，可以有效增大球电机的输出力矩。

本发明是一种基于电磁和压电混合驱动的三自由度球型电机，该球电机包括有第一定子(1)、转子(2)、输出杆(3)、第二定子(4)、转子保护膜(5)、底座(6)、支撑圆柱、A压电陶瓷驱动器(7)、B压电陶瓷驱动器(8)、C压电陶瓷驱动器(9)、以及安装在第一定子(1)上的24个线圈(1C)、以及安装在转子(2)上的8个磁极(2A)；输出杆(3)的连接盘(31)安装在转子(2)上，转子(2)的外面涂覆有转子保护膜(5)，转子保护膜(5)的外面是第二定子(4)，第二定子(4)的外面是第一定子(1)；第二定子(1)通过支撑圆柱安装在底座(6)上，第一定子(1)的底部安装在底座(6)的L形连接件(61)上；

第一定子(1)的第一圆周线(1A)上均匀设有12个用于安装线圈的A线圈安装孔(11)；第一定子(1)的第二圆周线(1B)上均匀设有12个用于安装线圈的B线圈安装孔(12)；A线圈安装孔(11)与B线圈安装孔(12)的结构相同，且A线圈安装孔(11)与B线圈安装孔(12)在第一定子(1)的纵向方向上排成两排；第一定子(1)的下端设有螺纹孔，该螺纹孔与底座(6)上的L形连接件(61)上的D通孔(61A)配合；

在转子(2)的圆周上均匀设有8个磁极孔(21)，该磁极孔(21)用于安装磁极(2A)；转子(2)的顶部平面(22)上设有螺纹孔(23)，该螺纹孔(23)用于与输出杆(3)的连接盘(31)上的G通孔(32)配合，通过螺钉实现转子(2)的顶部平面(22)与输出杆(3)的连接盘(31)的连接；磁极孔(21)为盲孔；

输出杆(3)的一端为连接盘(31)，连接盘(31)上设有G通孔(32)，输出杆(3)的另一端为法兰盘(33)；

第二定子(4)上设有A通孔(4A)、B通孔(4B)、C通孔(4C)；A通孔(4A)用于安装A压电陶瓷驱动器(7)；B通孔(4B)用于安装B压电陶瓷驱动器(8)；C通孔(4C)用于安装C压电陶瓷驱动器(9)；第二定子(4)的底部设有四个螺纹孔，该四个螺纹孔分别与四根支撑圆柱(62)的一端连接；四根支撑圆柱(62)的另一端安装在底座(6)上；

转子保护膜(5)涂覆在转子(4)上；

底座(6)为圆盘结构，底座(6)的上凸圆台(64)的边缘上均匀设有四个L形连接件(61)，每个L形连接件(61)上设有D通孔(61A)，该D通孔(61A)用于螺钉穿过，该螺钉穿过D通孔(61A)后螺纹连接在第一定子(1)底部的螺纹孔内；该L形连接件(61)用于与第一定子(1)的底部配合实现将第一定子(1)的底部安装在底座(6)上；

底座(6)的底部中心为圆形凹腔(63)，该圆形凹腔(63)上设有E通孔(63A)，该E通孔(63A)用于螺钉穿过，该螺钉穿过后螺纹连接在四根支撑圆柱(62)的另一端上；

A压电陶瓷驱动器(7)包括有第一压电陶瓷片(7A)、第二压电陶瓷片(7B)、A压电齿盘(7C)；A压电齿盘(7C)为圆盘结构，A压电齿盘(7C)的一端为平板面，A压电齿盘(7C)的另一端为齿形；在A压电齿盘(7C)的平板面上安装有第一压电陶瓷片(7A)和第二压电陶瓷片(7B)；

B压电陶瓷驱动器(8)包括有第三压电陶瓷片(8A)、第四压电陶瓷片(8B)、B压电齿盘(8C)；B压电齿盘(8C)为圆盘结构，B压电齿盘(8C)的一端为平板面，B压电齿盘(8C)的另一端为齿形；在B压电齿盘(8C)的平板面上安装有第三压电陶瓷片(8A)和第四压电陶瓷片(8B)；

C压电陶瓷驱动器(9)包括有第五压电陶瓷片(9A)、第六压电陶瓷片(9B)、C压电齿盘(9C)；C压电齿盘(9C)为圆盘结构，C压电齿盘(9C)的一端为平板面，C压电齿盘(9C)的另一端为齿形；在C压电齿盘(9C)的平板面上安装有第五压电陶瓷片(9A)和第六压电陶瓷片(9B)。

本发明球型电机的优点在于：

①采用单转子双定子的设计方式，同时融合电磁和压电陶瓷两种驱动方式，互相补偿各自的缺点，且两种驱动方式的共同作用可有效提高球电机的输出力矩。

②转子上固定的磁极和第二定子的相互作用，在增大转子和第二定子之间预压力的同时并不影响电机尺寸，显著提高压电驱动力进而提高了球型电机的输出力矩。

③该球电机在驱动方式上具有灵活性，能够根据工作场合的需要采取：压电方式驱动；或者电磁方式驱动；或者电磁与压电相结合的混合驱动。

④电磁驱动方式需要供电以保持转子当前姿态，而压电驱动方式具有内在的保持力矩，因此两者的结合可有效降低电源消耗。

⑤压电驱动方式存在力矩稳定性较差的缺点，而电磁力的叠加可以减弱甚至消除压电驱动力的不稳定性。

附图说明

图1是本发明三自由度球型电机的结构图。

图1A是本发明三自由度球型电机的正视面结构图。

图1B本发明三自由度球型电机的另一视角结构图。

图1C是本发明未装配第一定子、线圈和底座的结构图。

图1D是本发明第二定子、压电陶瓷组件与底座之间的装配结构图。

图2是本发明第一定子与线圈的装配图。

图2A是本发明第一定子的结构图。

图3是本发明转子与输出杆的装配图。

图3A是本发明转子的结构图。

图4是本发明第二定子的结构图。

图5是本发明三个压电陶瓷驱动器的布局示意图。

图6是一个磁极与纵向排列的两个线圈之间的布局示意图。

图6A是在圆周上磁极与线圈之间的布局示意图。

图6B是倾斜力矩产生示意图。

图中：1.第一定子   1A.第一圆周线 1B.第二圆周线   1C.线圈11.A线圈安装孔         12.B线圈安装孔                2.转子21.磁极孔 22.顶部平面  23.螺纹孔     2A.磁极         3.输出杆31.连接盘 32.G通孔     33.法兰盘     4.第二定子      4A.A通孔4B.B通孔  4C.C通孔     5.转子保护膜  6.底座          61.L形连接件61A.D通孔 62.支撑圆柱  63.圆形凹腔   63A.E通孔       64.上凸圆台7.A压电陶瓷驱动器      7A.第一压电片 7B.第二压电片   7C.A压电齿盘8.B压电陶瓷驱动器      8A.第三压电片 8B.第四压电片   8C.B压电齿盘9.C压电陶瓷驱动器      9A.第五压电片 9B.第六压电片   9C.C压电齿盘

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1所示，本发明的一种基于电磁和压电混合驱动的三自由度球型电机，该球电机包括有第一定子1、转子2、输出杆3、第二定子4、转子保护膜5、底座6、支撑圆柱(4个支撑圆柱)、A压电陶瓷驱动器7、B压电陶瓷驱动器8、C压电陶瓷驱动器9、以及安装在第一定子1上的24个线圈1C、以及安装在转子2上的8个磁极2A；

输出杆3的连接盘31安装在转子2上，转子2的外面涂覆有转子保护膜5，转子保护膜5的外面是第二定子4，第二定子4的外面是第一定子1；第二定子1通过支撑圆柱安装在底座6上，第一定子1的底部安装在底座6的L形连接件61上。

A压电陶瓷驱动器7、B压电陶瓷驱动器8和C压电陶瓷驱动器9安装在第二定子4上。

(一)第一定子1

参见图1、图2、图2A所示，第一定子1的第一圆周线1A上均匀设有12个用于安装线圈的安装孔，即A线圈安装孔11；第一定子1的第二圆周线1B上均匀设有12个用于安装线圈的安装孔，即B线圈安装孔12；A线圈安装孔11与B线圈安装孔12的结构相同，且A线圈安装孔11与B线圈安装孔12在第一定子1的纵向方向上排成两排。

在本发明中，24个线圈1C分别安装在A线圈安装孔11和B线圈安装孔12内。

在本发明中，参见图1A、图1B所示，第一定子1的下端设有螺纹孔，该螺纹孔与底座6上的L形连接件61上的D通孔61A配合，通过螺钉实现将第一定子1的下端固定在底座6的L形连接件61上。

在本发明中，第一定子1设计成圆环结构，且第一定子1中部的空腔用于放置转子和第二定子，这样的结构有利于球电机的多自由度旋转。

(二)转子2

参见图1、图3、图3A所示，转子2为球缺结构，在转子2的圆周上均匀设有8个磁极孔21，该磁极孔21用于安装磁极2A。转子2的顶部平面22上设有螺纹孔23，该螺纹孔23用于与输出杆3的连接盘31上的G通孔32配合，通过螺钉实现转子2的顶部平面22与输出杆3的连接盘31的连接。

在本发明中，磁极孔21为盲孔结构。

在本发明中，依据同极相斥、异极相吸的原理，本发明球电机上的24个线圈1C和8个磁极2A的布置如图6、图6A、图6B所示。

图6中体现了一个磁极与纵向排列的2个线圈之间的布置，图6A是圆周上一个磁极与2个线圈之间的布置，这样的布置有利于倾斜力矩的产生。

在图6A中，转子2上设置磁极2A的个数满足β＝n/360，n表示设置磁极的个数，β表示磁极轴线夹角，单位°；第一定子1上设置线圈1C的个数满足θ＝m/360，m表示设置线圈的个数，θ表示线圈轴线夹角，单位°。

本发明设计的球型电机，采用电磁力驱动，不仅可以实现球电机转子的空间三自由度连续旋转，而且可以有效提高球电机的输出转矩，尤其是倾斜力矩。

参见图6A所示，为了要实现球电机的旋转运动，转子与定子之间的磁极与线圈应当满足β＝45°和θ＝30°。即转子上的磁极与定子上的线圈在安装位置上满足β＝45°和θ＝30°。

参见图6B所示，为了要实现球电机的倾斜运动，则线圈轴线与水平中心线之间的倾斜角α＝15°。

本发明设计的球电机在加载电源的条件下，依据磁极与线圈之间同极相斥、异极相吸的原理，水平中心线对准的磁极与线圈磁极之间无法产生力矩；而存在有夹角的一个线圈磁极与磁极之间产生一个推力，而另一个线圈磁极与磁极之间产生一个吸力，在一推一吸的力驱动下，该运动被传递至与转子2连接的输出杆3上，从而实现了本发明球电机驱动力的输出，该球电机输出包括有倾斜、自旋三个自由度的旋转运动。

(三)输出杆3

参见图1、图3、图3A所示，输出杆3的一端为连接盘31，连接盘31上设有G通孔32，输出杆3的另一端为法兰盘33。

在本发明中，通过输出杆3上的法兰盘33与外部的被执行机构连接，实现将本发明产生的力作用到的被执行机构上。

(四)第二定子4

参见图1、图1C、图1D、图4所示，第二定子4上设有三个通孔，即A通孔4A、B通孔4B、C通孔4C；A通孔4A用于安装A压电陶瓷驱动器7；B通孔4B用于安装B压电陶瓷驱动器8；C通孔4C用于安装C压电陶瓷驱动器9。

在本发明中，第二定子4为圆环结构；第二定子4的底部设有四个螺纹孔，该四个螺纹孔分别与四根支撑圆柱62的一端连接。

四根支撑圆柱62的另一端安装在底座6上，通过四个螺钉穿过四个E通孔63A后，螺纹连接在四根支撑圆柱62的另一端的螺纹孔(如图1C所示)上。

在本发明中，四根支撑圆柱62用于支撑起第二定子4。

(五)转子保护膜5

参见图1、图3、图3A所示，转子保护膜5涂覆在转子4上，转子保护膜5能够对转子4起到耐摩擦的作用。该转子保护膜5能够在保护转子4的同时增大摩擦力。

在本发明中，转子保护膜5的材料是树脂材料。

(六)底座6

参见图1、图1A、图1B、图1D所示，底座6为圆盘结构。

参见图1D所示，底座6的上凸圆台64的边缘上均匀设有四个L形连接件61，每个L形连接件61上设有D通孔61A，该D通孔61A用于螺钉穿过，该螺钉穿过D通孔61A后螺纹连接在第一定子1底部的螺纹孔(图中未示出)内。该L形连接件61用于与第一定子1的底部配合实现将第一定子1的底部安装在底座6上。

参见图1B所示，底座6的底部中心为圆形凹腔63，该圆形凹腔63上设有E通孔63A，该E通孔63A用于螺钉穿过，该螺钉穿过后螺纹连接在四根支撑圆柱62的另一端上。

在本发明中，底座6的上凸圆台64上的四个L形连接件61能够限制住第一定子1的安装位置。底座6中心部位的四个E通孔63A通过螺钉实现与四个支撑圆柱62的连接，从而间接限制住第二定子4的安装位置。

(七)A压电陶瓷驱动器7

参见图1D、图5所示，A压电陶瓷驱动器7包括有第一压电陶瓷片7A、第二压电陶瓷片7B、A压电齿盘7C；

在本发明中，A压电齿盘7C为圆盘结构，A压电齿盘7C的一端为平板面，A压电齿盘7C的另一端为齿形；在A压电齿盘7C的平板面上安装有第一压电陶瓷片7A和第二压电陶瓷片7B。

(八)B压电陶瓷驱动器8

参见图1D、图5所示，B压电陶瓷驱动器8包括有第三压电陶瓷片8A、第四压电陶瓷片8B、B压电齿盘8C；

在本发明中，B压电齿盘8C为圆盘结构，B压电齿盘8C的一端为平板面，B压电齿盘8C的另一端为齿形；在B压电齿盘8C的平板面上安装有第三压电陶瓷片8A和第四压电陶瓷片8B。

(九)C压电陶瓷驱动器9

参见图1D、图5所示，C压电陶瓷驱动器9包括有第五压电陶瓷片9A、第六压电陶瓷片9B、C压电齿盘9C；

在本发明中，C压电齿盘9C为圆盘结构，C压电齿盘9C的一端为平板面，C压电齿盘9C的另一端为齿形；在C压电齿盘9C的平板面上安装有第五压电陶瓷片9A和第六压电陶瓷片9B。

在本发明中，当A压电陶瓷驱动器7、B压电陶瓷驱动器8和C压电陶瓷驱动器9在加载电压条件下产生驱动力。三个压电陶瓷驱动器的输出功率的选择可以根据球电机大小来设定。

本发明设计的基于电磁和压电混合驱动的三自由度球型电机，该球型电机采用单转子双定子(第一定子1和第二定子4)结构。转子2上排布永磁磁极2A且涂覆有转子保护膜5，转子保护膜5能够在保护转子2的同时增大摩擦力。第二定子4上排布有压电陶瓷驱动器，并通过施加一定的轴向预压力使第二定子4与转子2保持接触，第一定子1上排布有线圈1C。在第二定子4的压电陶瓷驱动器上分别施加相位差为π/2的同频率(超声频段内)、等幅交变电压。通过压电陶瓷驱动器的逆压电效应，可在第一定子1的模态频率上激发出两个幅值相等、在时间和空间上均相差π/2的模态响应。这两个模态响应在第一定子1上叠加形成行波，通过第二定子4和转子2之间的摩擦力作用，第一定子1表面质点的微幅振动就会转换为转子2的旋转运动。第一定子1上的线圈1C可以与转子2上的永磁体2A相互作用产生电磁力，在电磁力的作用下转子2同样可产生相应的旋转运动。该设计同时采用了电磁和压电陶瓷的混合驱动方式，不仅能够在有效增大球电机的输出力矩，而且能够根据需要选择不同的驱动组合方式。

将本发明设计的具有电磁和压电混合驱动方式的三自由度球型电机应用到机器人手臂的肩、腕关节中，能够在简化机器人臂结构的同时提高机器人臂的带负载能力。在一个七自由度拟人臂机械装置中，若用传统单轴电机驱动则需要七个电机组合来实现，而应用本发明的具有电磁和压电混合驱动方式的球电机则只需三个电机。在关节数目减少的条件下能够避免传动机构的弹性变形和运动死区造成运动精度低缺陷；也使得机器人手臂再简单的结构下的具有更强的带负载能力。

Claims (6)

1.一种基于电磁和压电混合驱动的三自由度球型电机，其特征在于：该三自由度球型电机包括有第一定子（1）、转子（2）、输出杆（3）、第二定子（4）、转子保护膜（5）、底座（6）、支撑圆柱、A压电陶瓷驱动器（7）、B压电陶瓷驱动器（8）、C压电陶瓷驱动器（9）、以及安装在第一定子（1）上的24个线圈（1C）、以及安装在转子（2）上的8个磁极（2A）；

输出杆（3）的连接盘（31）安装在转子（2）上，转子（2）的外面涂覆有转子保护膜（5），转子保护膜（5）的外面是第二定子（4），第二定子（4）的外面是第一定子（1）；第二定子（1）通过支撑圆柱安装在底座（6）上，第一定子（1）的底部安装在底座（6）的L形连接件（61）上；A压电陶瓷驱动器（7）、B压电陶瓷驱动器（8）和C压电陶瓷驱动器（9）安装在第二定子（4）上；

第一定子（1）的第一圆周线（1A）上均匀设有12个用于安装线圈的A线圈安装孔（11）；第一定子（1）的第二圆周线（1B）上均匀设有12个用于安装线圈的B线圈安装孔（12）；A线圈安装孔（11）与B线圈安装孔（12）的结构相同，且A线圈安装孔（11）与B线圈安装孔（12）在第一定子（1）的纵向方向上排成两排；第一定子（1）的下端设有螺纹孔，该螺纹孔与底座（6）上的L形连接件（61）上的D通孔（61A）配合；

在转子（2）的圆周上均匀设有8个磁极孔（21），该磁极孔（21）用于安装磁极（2A）；转子（2）的顶部平面（22）上设有螺纹孔（23），该螺纹孔（23）用于与输出杆（3）的连接盘（31）上的G通孔（32）配合，通过螺钉实现转子（2）的顶部平面（22）与输出杆（3）的连接盘（31）的连接；磁极孔（21）为盲孔；

输出杆（3）的一端为连接盘（31），连接盘（31）上设有G通孔（32），输出杆（3）的另一端为法兰盘（33）；

第二定子（4）上设有A通孔（4A）、B通孔（4B）、C通孔（4C）；A通孔（4A）用于安装A压电陶瓷驱动器（7）；B通孔（4B）用于安装B压电陶瓷驱动器（8）；C通孔（4C）用于安装C压电陶瓷驱动器（9）；第二定子（4）的底部设有四个螺纹孔，该四个螺纹孔分别与四根支撑圆柱（62）的一端连接；四根支撑圆柱（62）的另一端安装在底座（6）上；

转子保护膜（5）涂覆在转子（4）上；

底座（6）为圆盘结构，底座（6）的上凸圆台（64）的边缘上均匀设有四个L形连接件（61），每个L形连接件（61）上设有D通孔（61A），该D通孔（61A）用于螺钉穿过，该螺钉穿过D通孔（61A）后螺纹连接在第一定子（1）底部的螺纹孔内；该L形连接件（61）用于与第一定子（1）的底部配合实现将第一定子（1）的底部安装在底座（6）上；底座（6）的底部中心为圆形凹腔（63），该圆形凹腔（63）上设有E通孔（63A），该E通孔（63A）用于螺钉穿过，该螺钉穿过后螺纹连接在四根支撑圆柱（62）的另一端上；

A压电陶瓷驱动器（7）包括有第一压电陶瓷片（7A）、第二压电陶瓷片（7B）、A压电齿盘（7C）；A压电齿盘（7C）为圆盘结构，A压电齿盘（7C）的一端为平板面，A压电齿盘（7C）的另一端为齿形；在A压电齿盘（7C）的平板面上安装有第一压电陶瓷片（7A）和第二压电陶瓷片（7B）；

B压电陶瓷驱动器（8）包括有第三压电陶瓷片（8A）、第四压电陶瓷片（8B）、B压电齿盘（8C）；B压电齿盘（8C）为圆盘结构，B压电齿盘（8C）的一端为平板面，B压电齿盘（8C）的另一端为齿形；在B压电齿盘（8C）的平板面上安装有第三压电陶瓷片（8A）和第四压电陶瓷片（8B）；

C压电陶瓷驱动器（9）包括有第五压电陶瓷片（9A）、第六压电陶瓷片（9B）、C压电齿盘（9C）；C压电齿盘（9C）为圆盘结构，C压电齿盘（9C）的一端为平板面，C压电齿盘（9C）的另一端为齿形；在C压电齿盘（9C）的平板面上安装有第五压电陶瓷片（9A）和第六压电陶瓷片（9B）。

2.根据权利要求1所述的基于电磁和压电混合驱动的三自由度球型电机，其特征在于：第一定子（1）为圆环结构。

3.根据权利要求1所述的基于电磁和压电混合驱动的三自由度球型电机，其特征在于：转子（2）为球缺结构。

4.根据权利要求1所述的基于电磁和压电混合驱动的三自由度球型电机，其特征在于：第二定子（4）为圆环结构。

5.根据权利要求1所述的基于电磁和压电混合驱动的三自由度球型电机，其特征在于：转子保护膜（5）为树脂材料。

6.根据权利要求1所述的基于电磁和压电混合驱动的三自由度球型电机，其特征在于：转子上的磁极与定子上的线圈在安装位置上满足磁极轴线夹角β=45°和线圈轴线夹角θ=30°。

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