CN110649730B - 混合驱动式多自由度电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种混合驱动式多自由度电机，属于多自由度电机技术领域，包括基座、支撑件、永磁球形电机本体、压电定子、预压力机构，基座上方正对应连接有端板，端板设有输出口；支撑件为两组，两组支撑件分别设置在基座和端板上，每组支撑件不少于两个，同组中的支撑件沿圆周方向均匀布设；永磁电机本体设有球形转子，转子设于两组支撑件间且与支撑件滚动接触，转子通过支撑件移动限位，永磁球形电机本体输出端通过输出口与外物相连；压电定子设于转子外侧，压电定子用于驱动转子运动；预压力机构设于基座上且与压电定子相连，预压力机构用于控制压电定子与转子压触。本发明提供的混合驱动式多自由度电机结构紧凑且可用于多场合连续控制运动。

Description

混合驱动式多自由度电机

技术领域

本发明属于多自由度电机技术领域，更具体地说，是涉及一种混合驱动式多自由度电机。

背景技术

随着现代智能工业的不断发展，对高精度、高集成度和高灵活性的多自由度电动机的需求正在迅速增加。传统的多自由度执行机构通常由多个单自由度电动机组成。这种机构机械结构复杂，体积大，定位控制精度低，不能满足微智能驱动系统的要求。纯电磁驱动的多自由度电动机虽然集成度高和结构简单，但电磁驱动控制系统复杂，同样导致了定位精度低的问题。

逆压电效应是指当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。压电驱动技术原理是基于压电陶瓷材料的逆压电效应，通过控制其机械变形产生旋转或直线运动。压电驱动技术易于控制，稳定性好且控制精度高，但纯压电驱动的电机寿命短，并且它们不适合连续工作场合。

发明内容

本发明的目的在于提供一种混合驱动式多自由度电机，旨在解决现有的纯电磁驱动电机结构复杂、定位精度低及纯压电驱动电机寿命短且不适合连续工作场合的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种混合驱动式多自由度电机，包括基座、支撑件、永磁球形电机本体、压电定子以及预压力机构，基座上方正对应连接有端板，端板上设有输出口；支撑件为两组，两组支撑件分别设置在基座和端板上，每组支撑件数量不少于两个，同一组中的支撑件沿圆周方向均匀布设；永磁电机本体设有球形的转子，转子设于两组支撑件间且与支撑件滚动接触，转子通过两组支撑件移动限位，永磁球形电机本体的输出端通过输出口与外物相连；压电定子设于转子外侧，压电定子用于驱动转子运动；预压力机构设于基座上且与压电定子相连，预压力机构用于控制压电定子与转子压触。

作为本申请另一实施例，预压力机构包括压电定子座、支撑架、预压力组件，压电定子座上安装有压电定子；支撑架设于基座上，支撑架转动连接压电定子座；预压力组件用于推动压电定子座转动使压电定子压触转子。

作为本申请另一实施例，预压力组件包括预压力永磁体以及预压力线圈绕组，预压力永磁体设于压电定子座底端；预压力线圈绕组设于基座上，预压力线圈绕组与预压力永磁体正对且成间距设置。

作为本申请另一实施例，支撑件包括固定座以及滚珠，固定座设于基座或端板上：滚珠与固定座球铰接，滚珠与转子滚动接触。

作为本申请另一实施例，压电定子数量为多个，多个压电定子沿圆周方向均匀布设于转子外侧，预压力机构与压电定子一一对应设置。

作为本申请另一实施例，转子上设有开口；永磁球形电机本体的电磁定子设于转子内且通过开口与基座相连。

作为本申请另一实施例，转子包括壳体和永磁体，壳体为中空球形，壳体上设有输出轴，开口设于壳体上且与输出轴正对；永磁体数量若干，永磁体设于壳体内壁上。

作为本申请另一实施例，电磁定子包括支撑轴、定子铁芯、线圈，支撑轴设于基座上，且由开口穿入壳体内；定子铁芯数量若干，定子铁芯通过所述支撑轴设于壳体内，定子铁芯设有圆环的圆盘和若干分支杆，若干分支杆呈发散状设于所圆盘的外壁上，若干分支杆沿圆盘的圆周方向相间隔均匀布设，分支杆的发散端的端面为外凸的弧形面，各弧形面与各自正对的壳体内壁的间距均相等，若干定子铁芯通过圆盘沿支撑轴的轴向相间隔布设；线圈数量若干，线圈缠绕于分支杆上。

作为本申请另一实施例，压电定子包括压电弹性体、压电陶瓷片，压电弹性体设于压电定子座上；压电陶瓷片设于压电弹性体上；驱动足设于压电陶瓷片上，驱动足与转子接触，驱动足与转子接触面为弧形。

作为本申请另一实施例，壳体外表面涂覆耐摩擦材料。

本发明提供的混合驱动式多自由度电机的有益效果在于：与现有技术相比，本发明混合驱动式多自由度电机设置基座，在基座的上方连接端板，端板上设有输出口，在基座与端板上分别各设置一组支撑件，永磁球形电机本体设有球形的转子，转子设于两组支撑件间，转子与支撑件滚动接触，在转子外侧设置压电定子，预压力机构控制压电定子与转子压触，结构紧凑，混合驱动式多自由度电机可采用电磁单一驱动、压电单一驱动或电磁及压电混合驱动多种驱动方式，通过切换驱动方式可适应不同的运动场合，实现多场合连续控制运动，提高了电机寿命。当采用电磁及压电混合驱动时，可通过永磁球形电机本体的电磁驱动控制球形电机大范围运动，然后利用逆压电效应，给压电定子通电控制永磁球形电机本体实现精确运动，通过混合驱动的方式使得多自由度电机的控制更加精确。

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为本发明实施例提供的混合驱动式多自由度电机的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的永磁球形电机本体的结构示意图；

图3为沿图2中B-B线的剖视结构图；

图4为本发明实施例提供的定子的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的铁芯的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的预压力机构的结构示意图；

图7为沿图6中A-A线的剖视结构图；

图8为本发明实施例提供的陶瓷片区域布设图；

图9为本发明实施例提供的支撑件的结构示意图。

图中：1、输出轴；2、端板；3、压电定子；4、预压力机构；5、连接杆；6、基座；7、转子；8、支撑件；9、电磁定子；301、压电弹性体；302、压电陶瓷片；303、驱动足；401、压电定子座；402、支撑架；403、转轴；404、预压力线圈绕组；405、预压力永磁体；701、壳体；702、永磁体；801、固定座；802、滚珠；901、支撑轴；902、圆盘；903、分支杆；904、线圈。

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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1及图2，现对本发明提供的混合驱动式多自由度电机进行说明。所述混合驱动式多自由度电机，包括基座6、支撑件8、永磁球形电机本体、压电定子3、预压力机构4。基座6上方正对应连接有端板2，端板2上设有输出口；支撑件8为两组，两组支撑件8分别设置在基座6和端板2上，每组支撑件8数量不少于两个，同一组中的支撑件8沿圆周方向均匀布设；永磁球形电机本体设有球形的转子7，转子7设于两组支撑件8间且与支撑件8滚动接触，转子7通过两组支撑件8移动限位，永磁球形电机本体的输出端通过输出口与外物相连；压电定子3设于转子7外侧，压电定子3用于驱动转子7运动；预压力机构4设于所述基座6上且与压电定子3相连，预压力机构4用于控制压电定子3与转子7压触。

本发明提供的混合驱动式多自由度电机，与现有技术相比，设置基座6，在基座6的上方连接端板2，端板2上设有输出口，在基座6与端板2上分别各设置一组支撑件8，永磁球形电机本体设有球形的转子7，转子7设于两组支撑件8间，转子7与支撑件8滚动接触，在转子7外侧设置压电定子3，预压力机构4控制压电定子3与转子7压触，结构紧凑，混合驱动式多自由度电机可采用电磁单一驱动、压电单一驱动或电磁及压电混合驱动多种驱动方式，通过切换驱动方式可适应不同的运动场合，实现多场合连续控制运动，提高了电机寿命。当采用电磁及压电混合驱动时，可通过永磁球形电机本体的电磁驱动控制球形电机大范围运动，然后利用逆压电效应，给压电定子3通电控制永磁球形电机本体实现精确运动，通过混合驱动的方式使得多自由度电机的控制更加精确。

本实施例中，基座6与端板2通过连接杆5相连，端板2为圆环，端板2的内孔为输出口。设置两组支撑件8支撑转子7，两组支撑件8可限位转子7的移动但不限制转动，转子7与支撑件8滚动接触，永磁球形电机本体在电磁驱动下可进行大范围运动。对压电定子3施加具有90度相位差的交流电压，使得压电定子3中激发出具有90度相位差的驻波，使得压电定子3表面的质点形成一定的运动轨迹的超声波微观振动，这种微观振动通过压电定子3与转子7之间的摩擦作用使得转子7沿某一方向旋转或者偏转。压电驱动技术易于控制，稳定性好且控制精度高，压电驱动与电磁驱动配合可提高控制精度。

作为本发明提供的混合驱动式多自由度电机的一种具体实施方式，请参阅图6至图7，预压力机构4包括压电定子座401、支撑架402、预压力组件，压电定子座401上安装有压电定子3；支撑架402设于基座6上，支撑架402转动连接压电定子座401；预压力组件用于推动压电定子座401转动使压电定子3压触转子7。只有在压电定子3与转子7压触时，才能在摩擦力作用下推动转子7转动。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图7，预压力组件包括预压力永磁体405、预压力线圈绕组404，预压力永磁体405设于压电定子座401底端；预压力线圈绕组404设于基座6上，预压力线圈绕组404与预压力永磁体405正对且成间距设置。对预压力线圈绕组404通电，产生磁场，对预压力永磁体405产生排斥力，从而推动压电定子座401转动压触转子7。

通过调节预压力线圈绕组404通入电流的大小，可以调节预压力的大小；通过调节预压力线圈绕组404通入电流的方向，可是使得预压力线圈绕组404对预压力永磁体405产生吸引力或者排斥力，从而推动压电定子座401转动，产生排斥力时，压电定子座401转动使得压电定子3压触转子7，产生吸引力时，压电定子3不再与转子7接触。

本实施例中压电定子座401上设有转轴403，支撑架402上设有转动连接孔，压电定子座401通过转轴403与支撑架402转动连接。对预压力线圈绕组404通电，产生磁场，对预压力永磁体405产生排斥力，产生的排斥力对于压电定子座401产生绕转轴403的力矩，从而推动压电定子座401转动，使得压电定子3压触转子7。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，参阅图9，支撑件8包括固定座801、滚珠802，固定座801设于基座6或端板2上：滚珠802与固定座801球铰接，滚珠802与转子7滚动接触。采用滚珠802与固定座801球铰接，从而使得转子7转动或者偏转更加灵活，有利于减小摩擦，防止转矩损失。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，参阅图1，压电定子3数量为多个，多个压电定子3沿圆周方向均匀布设与转子7外侧，预压力机构4与压电定子3一一对应设置。

设置多个压电定子3，多个压电定子3沿圆周方向均匀布设，使得永磁球形电机本体在受压电定子3驱动运动时，受力更加均衡，运动更加稳定。本实施例中对称设置了四个压电定子3。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图3，转子7上设有开口；永磁球形电机本体的电磁定子9设于转子7内，且通过开口与基座6相连。此种球形电机本体结构方便电磁定子9的更换。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图3，转子7包括壳体701与永磁体702，壳体701为中空球形，壳体701上设有输出轴1，开口设于壳体701上且与输出轴1正对；永磁体702数量若干，永磁体702设于壳体701内壁上。

本实施例中，永磁体702为N排M列均匀设于壳体701内，N和M均为正整数，每排永磁体702沿圆周方向均匀设于壳体701内，排与排间相间隔布设。壳体701上开设有若干凹槽，永磁体702镶嵌于凹槽内。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图4至图5，电磁定子9包括支撑轴901、电磁定子9铁芯、线圈904，支撑轴901设于基座6上，且沿开口穿入壳体701内；电磁定子9铁芯数量若干，电磁定子9铁芯通过支撑轴901设于壳体701内，电磁定子9铁芯设有圆环的圆盘902和若干分支杆903，若干分支杆903呈发散状设于所圆盘902的外壁上，若干分支杆903沿圆盘902的圆周方向相间隔均匀布设，分支杆903的发散端的端面为外凸的弧形面，各弧形面与各自正对的壳体701内壁的间距均相等，若干电磁定子9铁芯通过圆盘902沿支撑轴901的轴向相间隔布设；线圈904数量若干，线圈904缠绕于分支杆903上。

本实施例中，分支杆903的发散端的端面为外凸的弧形面，各弧形面与各自正对的壳体701内壁的间距均相等，使得电磁定子9与转子7的气隙相等，保证永磁电机本体运动的稳定性。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图7至图8，压电定子3包括压电弹性体301、压电陶瓷片302、驱动足303，压电弹性体301设于压电定子座401上；压电陶瓷片302设于压电弹性体301上；驱动足303设于压电陶瓷片302上，驱动足303与转子7接触，驱动足303与转子7接触面为弧形。

本实施例中，压电陶瓷片302为弧形，驱动足303为弧形，驱动足303与转子7接触面设置成弧形，驱动足303表面的弧度与接触对应的转子7表面弧度相匹配，增大了驱动足303与转子7的接触面积，使得驱动足303与转子7相贴合。压电陶瓷片302分成两排两列四个区域，通过向压电陶瓷片302不同区域施加的正弦或余弦交变电压，使压电陶瓷片302产生90度相位差的驻波，从而带动驱动足303振动，从而驱动永磁球形电机本体自转或偏转。因压电陶瓷材料本身的性质，压电陶瓷材料首先要进行极化处理，压电陶瓷材料若不进行极化处理将不产生压电效应，因此在向压电陶瓷片302不同区域施加正弦或余弦交变电压前，先进行不同区域的极化，图8中为其中一种极化方式，“+”表示该区域正向极化，“-”表示该区域负向极化。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1，壳体701外表面涂覆耐摩擦材料，防止壳体701在与压电定子3接触时磨损。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，在端板2上设置位置传感器，通过检测输出轴1位置感应球形电机本体的位置，将球形电机本体的位置传递给控制器，控制器控制压电定子3或者电磁定子9驱动转子7转动。

本实施例中的位置传感器可为光栅式位置传感器，两个光栅式位置传感器相互垂直设置于端板2上，通过光栅式传感器发出的光栅发射，测量输出轴1的位置。传感器将输出轴1的位置反馈给控制器，控制器控制压电定子3或者电磁定子9驱动转子7转动。位置传感器也可为超声波位置传感器。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。

Claims (7)

1.混合驱动式多自由度电机，其特征在于，包括：

基座，所述基座上方正对应连接有端板，所述端板上设有输出口；

支撑件，两组，两组所述支撑件分别设置在所述基座和端板上，每组支撑件数量不少于两个，同一组中的所述支撑件沿圆周方向均匀布设；

永磁球形电机本体，所述永磁电机本体设有球形的转子，所述转子设于两组支撑件间，且与所述支撑件滚动接触，所述转子通过两组支撑件移动限位，所述转子上设有开口；所述转子设有壳体及永磁体，壳体为中空球形，所述壳体上设有输出轴，所述开口设于所述壳体上且与所述输出轴正对；若干永磁体设于所述壳体内壁上，所述永磁球形电机本体的电磁定子设于所述转子内且通过所述开口与基座相连，所述电磁定子设有支撑轴及定子铁芯，支撑轴设于基座上，且由所述开口穿入所述壳体内；定子铁芯数量若干，定子铁芯通过所述支撑轴设于所述壳体内，所述定子铁芯设有圆环的圆盘和若干分支杆，若干所述分支杆呈发散状设于所述圆盘的外壁上，若干所述分支杆沿所述圆盘的圆周方向相间隔均匀布设，所述分支杆的发散端的端面为外凸的弧形面，各所述弧形面与各自正对的壳体内壁的间距均相等，若干所述定子铁芯通过所述圆盘沿所述支撑轴的轴向相间隔布设；线圈数量若干，线圈缠绕于所述分支杆上，所述永磁球形电机本体的输出端通过所述输出口与外物相连；

压电定子，设于所述转子外侧，用于驱动所述转子运动；以及

预压力机构，设于所述基座上且与所述压电定子相连，所述预压力机构用于控制压电定子与所述转子压触。

2.如权利要求1所述的混合驱动式多自由度电机，其特征在于，所述预压力机构包括：

压电定子座，所述压电定子座上安装有所述压电定子；

支撑架，设于所述基座上，所述支撑架转动连接所述压电定子座；以及

预压力组件，用于推动所述压电定子座转动使压电定子压触所述转子。

3.如权利要求2所述的混合驱动式多自由度电机，其特征在于，所述预压力组件包括：

预压力永磁体，设于所述压电定子座底端；

预压力线圈绕组，设于所述基座上，所述预压力线圈绕组与所述预压力永磁体正对且成间距设置。

4.如权利要求1所述的混合驱动式多自由度电机，其特征在于，所述支撑件包括：

固定座，设于所述基座或所述端板上：

滚珠，与所述固定座球铰接，所述滚珠与所述转子滚动接触。

5.如权利要求1所述的混合驱动式多自由度电机，其特征在于，所述压电定子数量为多个，多个所述压电定子沿圆周方向均匀布设于所述转子外侧，所述预压力机构与所述压电定子一一对应设置。

6.如权利要求2所述的混合驱动式多自由度电机，其特征在于，所述压电定子包括：

压电弹性体，设于所述压电定子座上；

压电陶瓷片，设于所述压电弹性体上；以及

驱动足，设于所述压电陶瓷片上，所述驱动足与所述转子接触，所述驱动足与所述转子接触面为弧形。

7.如权利要求1所述的混合驱动式多自由度电机，其特征在于，所述壳体外表面涂覆耐摩擦材料。

Images