專利名稱：一種基于電磁和壓電混合驅(qū)動(dòng)的三自由度球型電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種球型電機(jī)，更特別地說，是指一種采用電磁和壓電陶瓷混合驅(qū)動(dòng)的球型電機(jī)，該球型電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)空間三自由度連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的工作場合要求機(jī)構(gòu)能夠在空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)的三自由度旋轉(zhuǎn)，例如雷達(dá)、機(jī)械手、視覺系統(tǒng)、高精度機(jī)床等。但是常規(guī)的電機(jī)都是單軸旋轉(zhuǎn)的，因此要實(shí)現(xiàn)三自由度旋轉(zhuǎn)必須通過連接機(jī)構(gòu)將三個(gè)獨(dú)立的單軸電機(jī)組合起來。但是這種用組合方式形成的多自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)不可避免地存在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的變形和運(yùn)動(dòng)死區(qū)，而且附加的連接機(jī)構(gòu)導(dǎo)致系統(tǒng)慣量大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能差。相對(duì)于這些傳統(tǒng)多自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)， 球型電機(jī)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，如體積小、重量輕、響應(yīng)速度快、沒有空回以及在工作空間內(nèi)沒有奇異點(diǎn)等。但是，針對(duì)當(dāng)前球電機(jī)研究中遇到的輸出力矩過小問題，本發(fā)明專利申請?zhí)岢鲆环N基于電磁和壓電陶瓷片進(jìn)行混合方式驅(qū)動(dòng)的球型電機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于電磁和壓電混合驅(qū)動(dòng)的三自由度球型電機(jī)，該球型電機(jī)采用單轉(zhuǎn)子雙定子結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子上排布有永磁磁極且涂覆有耐摩擦材料膜，第二定子上排布有壓電片，并通過施加一定的軸向預(yù)壓力使第二定子與轉(zhuǎn)子保持接觸，第一定子上排布有線圈。通過給第二定子上的壓電片施加電場，使壓電片產(chǎn)生變形，這種變形能在第二定子和轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生摩擦力，從而推動(dòng)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。第一定子上線圈可以與轉(zhuǎn)子上永磁體相互作用產(chǎn)生電磁力，在電磁力的作用下轉(zhuǎn)子同樣可產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。該設(shè)計(jì)同時(shí)采用了電磁和壓電陶瓷的混合驅(qū)動(dòng)方式，可以有效增大球電機(jī)的輸出力矩。本發(fā)明是一種基于電磁和壓電混合驅(qū)動(dòng)的三自由度球型電機(jī)，該球電機(jī)包括有第一定子(1)、轉(zhuǎn)子O)、輸出桿(3)、第二定子G)、轉(zhuǎn)子保護(hù)膜(5)、底座(6)、支撐圓柱、A壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(7)、B壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(8)、C壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(9)、以及安裝在第一定子(1) 上的M個(gè)線圈(IC)、以及安裝在轉(zhuǎn)子⑵上的8個(gè)磁極以K)；輸出桿(3)的連接盤(31) 安裝在轉(zhuǎn)子( 上，轉(zhuǎn)子O)的外面涂覆有轉(zhuǎn)子保護(hù)膜(5)，轉(zhuǎn)子保護(hù)膜(5)的外面是第二定子，第二定子(4)的外面是第一定子(1)；第二定子(1)通過支撐圓柱安裝在底座(6) 上，第一定子(1)的底部安裝在底座(6)的L形連接件(61)上；第一定子(1)的第一圓周線(IA)上均勻設(shè)有12個(gè)用于安裝線圈的A線圈安裝孔(11)；第一定子(1)的第二圓周線(IB)上均勻設(shè)有12個(gè)用于安裝線圈的B線圈安裝孔 (12) ；A線圈安裝孔(11)與B線圈安裝孔(12)的結(jié)構(gòu)相同，且A線圈安裝孔(11)與B線圈安裝孔(1 在第一定子(1)的縱向方向上排成兩排；第一定子(1)的下端設(shè)有螺紋孔， 該螺紋孔與底座(6)上的L形連接件(61)上的D通孔(61A)配合；在轉(zhuǎn)子O)的圓周上均勻設(shè)有8個(gè)磁極孔(21)，該磁極孔用于安裝磁極 (2A)；轉(zhuǎn)子O)的頂部平面02)上設(shè)有螺紋孔(23)，該螺紋孔03)用于與輸出桿(3)的連接盤(31)上的G通孔(3 配合，通過螺釘實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子O)的頂部平面0 與輸出桿(3) 的連接盤(31)的連接；磁極孔為盲孔；輸出桿(3)的一端為連接盤(31)，連接盤(31)上設(shè)有G通孔(32)，輸出桿(3)的另一端為法蘭盤(33)；第二定子(4)上設(shè)有A通孔(4A)、B通孔(4B)、C通孔(4C) ；A通孔(4A)用于安裝A壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(7) ；B通孔GB)用于安裝B壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器⑶；C通孔GC)用于安裝C壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(9)；第二定子(4)的底部設(shè)有四個(gè)螺紋孔，該四個(gè)螺紋孔分別與四根支撐圓柱(6 的一端連接；四根支撐圓柱(6 的另一端安裝在底座(6)上；轉(zhuǎn)子保護(hù)膜( 涂覆在轉(zhuǎn)子(4)上；底座(6)為圓盤結(jié)構(gòu)，底座(6)的上凸圓臺(tái)(64)的邊緣上均勻設(shè)有四個(gè)L形連接件(61)，每個(gè)L形連接件陽1)上設(shè)有D通孔(61A)，該D通孔(61A)用于螺釘穿過，該螺釘穿過D通孔(61A)后螺紋連接在第一定子(1)底部的螺紋孔內(nèi)；該L形連接件(61)用于與第一定子(1)的底部配合實(shí)現(xiàn)將第一定子(1)的底部安裝在底座(6)上；底座(6)的底部中心為圓形凹腔(63)，該圓形凹腔(63)上設(shè)有E通孔(63A)，該 E通孔(63A)用于螺釘穿過，該螺釘穿過后螺紋連接在四根支撐圓柱(6 的另一端上；A壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(7)包括有第一壓電陶瓷片(7A)、第二壓電陶瓷片(7B)、A壓電齒盤(7C) ；A壓電齒盤(7C)為圓盤結(jié)構(gòu)，A壓電齒盤(7C)的一端為平板面，A壓電齒盤 (7C)的另一端為齒形；在A壓電齒盤(7C)的平板面上安裝有第一壓電陶瓷片(7A)和第二壓電陶瓷片(7B)；B壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器⑶包括有第三壓電陶瓷片(8A)、第四壓電陶瓷片(8B)、B壓電齒盤(8C) ；B壓電齒盤(8C)為圓盤結(jié)構(gòu)，B壓電齒盤(8C)的一端為平板面，B壓電齒盤 (8C)的另一端為齒形；在B壓電齒盤(8C)的平板面上安裝有第三壓電陶瓷片(8A)和第四壓電陶瓷片(8B)；C壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(9)包括有第五壓電陶瓷片(9A)、第六壓電陶瓷片(9B)、C壓電齒盤(9C) ；C壓電齒盤(9C)為圓盤結(jié)構(gòu)，C壓電齒盤(9C)的一端為平板面，C壓電齒盤 (9C)的另一端為齒形；在C壓電齒盤(9C)的平板面上安裝有第五壓電陶瓷片(9A)和第六壓電陶瓷片(9B)。本發(fā)明球型電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于①采用單轉(zhuǎn)子雙定子的設(shè)計(jì)方式，同時(shí)融合電磁和壓電陶瓷兩種驅(qū)動(dòng)方式，互相補(bǔ)償各自的缺點(diǎn)，且兩種驅(qū)動(dòng)方式的共同作用可有效提高球電機(jī)的輸出力矩。②轉(zhuǎn)子上固定的磁極和第二定子的相互作用，在增大轉(zhuǎn)子和第二定子之間預(yù)壓力的同時(shí)并不影響電機(jī)尺寸，顯著提高壓電驅(qū)動(dòng)力進(jìn)而提高了球型電機(jī)的輸出力矩。③該球電機(jī)在驅(qū)動(dòng)方式上具有靈活性，能夠根據(jù)工作場合的需要采取壓電方式驅(qū)動(dòng)；或者電磁方式驅(qū)動(dòng)；或者電磁與壓電相結(jié)合的混合驅(qū)動(dòng)。④電磁驅(qū)動(dòng)方式需要供電以保持轉(zhuǎn)子當(dāng)前姿態(tài)，而壓電驅(qū)動(dòng)方式具有內(nèi)在的保持力矩，因此兩者的結(jié)合可有效降低電源消耗。⑤壓電驅(qū)動(dòng)方式存在力矩穩(wěn)定性較差的缺點(diǎn)，而電磁力的疊加可以減弱甚至消除壓電驅(qū)動(dòng)力的不穩(wěn)定性。


圖1是本發(fā)明三自由度球型電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。圖IA是本發(fā)明三自由度球型電機(jī)的正視面結(jié)構(gòu)圖。圖IB本發(fā)明三自由度球型電機(jī)的另一視角結(jié)構(gòu)圖。圖IC是本發(fā)明未裝配第一定子、線圈和底座的結(jié)構(gòu)圖。圖ID是本發(fā)明第二定子、壓電陶瓷組件與底座之間的裝配結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明第一定子與線圈的裝配圖。圖2A是本發(fā)明第一定子的結(jié)構(gòu)圖。圖3是本發(fā)明轉(zhuǎn)子與輸出桿的裝配圖。圖3A是本發(fā)明轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)圖。圖4是本發(fā)明第二定子的結(jié)構(gòu)圖。圖5是本發(fā)明三個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的布局示意圖。圖6是一個(gè)磁極與縱向排列的兩個(gè)線圈之間的布局示意圖。圖6A是在圓周上磁極與線圈之間的布局示意圖。圖6B是傾斜力矩產(chǎn)生示意圖。圖中1.第一定子 1A.第一圓周線1B.第二圓周線 1C.線圈11. A線圈安裝孔 12. B線圈安裝孔2.轉(zhuǎn)子21.磁極孔22.頂部平面 23.螺紋孔 2A.磁極 3.輸出桿31.連接盤32. G通孔 33.法蘭盤 4.第二定子 4A. A通孔4B. B通孔4C. C通孔 5.轉(zhuǎn)子保護(hù)膜6.底座 61. L形連接件61A. D通孔62.支撐圓柱63.圓形凹腔 63A. E通孔64.上凸圓臺(tái)7.A壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器 7A.第一壓電片7B.第二壓電片 7C.A壓電齒盤8.B壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器 8A.第三壓電片8B.第四壓電片 8C. B壓電齒盤9. C壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器 9A.第五壓電片9B.第六壓電片 9C. C壓電齒盤
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。參見圖1所示，本發(fā)明的一種基于電磁和壓電混合驅(qū)動(dòng)的三自由度球型電機(jī)，該球電機(jī)包括有第一定子1、轉(zhuǎn)子2、輸出桿3、第二定子4、轉(zhuǎn)子保護(hù)膜5、底座6、支撐圓柱G 個(gè)支撐圓柱)、A壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器7、B壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器8、C壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器9、以及安裝在第一定子1上的M個(gè)線圈1C、以及安裝在轉(zhuǎn)子2上的8個(gè)磁極2A ；輸出桿3的連接盤31安裝在轉(zhuǎn)子2上，轉(zhuǎn)子2的外面涂覆有轉(zhuǎn)子保護(hù)膜5，轉(zhuǎn)子保護(hù)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通過支撐圓柱安裝在底座6上，第一定子1的底部安裝在底座6的L形連接件61上。A壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器7、B壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器8和C壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器9安裝在第二定子 4上。(一 )第一定子 1參見圖1、圖2、圖2A所示，第一定子1的第一圓周線IA上均勻設(shè)有12個(gè)用于安裝線圈的安裝孔，即A線圈安裝孔11 ；第一定子1的第二圓周線IB上均勻設(shè)有12個(gè)用于安裝線圈的安裝孔，即B線圈安裝孔12 ；A線圈安裝孔11與B線圈安裝孔12的結(jié)構(gòu)相同，且A線圈安裝孔11與B線圈安裝孔12在第一定子1的縱向方向上排成兩排。在本發(fā)明中，M個(gè)線圈IC分別安裝在A線圈安裝孔11和B線圈安裝孔12內(nèi)。在本發(fā)明中，參見圖1A、圖IB所示，第一定子1的下端設(shè)有螺紋孔，該螺紋孔與底座6上的L形連接件61上的D通孔61A配合，通過螺釘實(shí)現(xiàn)將第一定子1的下端固定在底座6的L形連接件61上。在本發(fā)明中，第一定子1設(shè)計(jì)成圓環(huán)結(jié)構(gòu)，且第一定子1中部的空腔用于放置轉(zhuǎn)子和第二定子，這樣的結(jié)構(gòu)有利于球電機(jī)的多自由度旋轉(zhuǎn)。( 二 )轉(zhuǎn)子 2參見圖1、圖3、圖3A所示，轉(zhuǎn)子2為球缺結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)子2的圓周上均勻設(shè)有8個(gè)磁極孔21，該磁極孔21用于安裝磁極2A。轉(zhuǎn)子2的頂部平面22上設(shè)有螺紋孔23，該螺紋孔 23用于與輸出桿3的連接盤31上的G通孔32配合，通過螺釘實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子2的頂部平面22與輸出桿3的連接盤31的連接。在本發(fā)明中，磁極孔21為盲孔結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明中，依據(jù)同極相斥、異極相吸的原理，本發(fā)明球電機(jī)上的M個(gè)線圈IC和 8個(gè)磁極2A的布置如圖6、圖6A、圖6B所示。圖6中體現(xiàn)了一個(gè)磁極與縱向排列的2個(gè)線圈之間的布置，圖6A是圓周上一個(gè)磁極與2個(gè)線圈之間的布置，這樣的布置有利于傾斜力矩的產(chǎn)生。在圖6A中，轉(zhuǎn)子2上設(shè)置磁極2A的個(gè)數(shù)滿足β = η/360, η表示設(shè)置磁極的個(gè)數(shù)，β表示磁極軸線夾角，單位。；第一定子1上設(shè)置線圈IC的個(gè)數(shù)滿足θ =m/360，m表示設(shè)置線圈的個(gè)數(shù)，θ表示線圈軸線夾角，單位。。本發(fā)明設(shè)計(jì)的球型電機(jī)，采用電磁力驅(qū)動(dòng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)球電機(jī)轉(zhuǎn)子的空間三自由度連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而且可以有效提高球電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，尤其是傾斜力矩。參見圖6Α所示，為了要實(shí)現(xiàn)球電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子與定子之間的磁極與線圈應(yīng)當(dāng)滿足β =45°和θ =30°。即轉(zhuǎn)子上的磁極與定子上的線圈在安裝位置上滿足β = 45° 和 θ = 30°。參見圖6Β所示，為了要實(shí)現(xiàn)球電機(jī)的傾斜運(yùn)動(dòng)，則線圈軸線與水平中心線之間的傾斜角α =15°。本發(fā)明設(shè)計(jì)的球電機(jī)在加載電源的條件下，依據(jù)磁極與線圈之間同極相斥、異極相吸的原理，水平中心線對(duì)準(zhǔn)的磁極與線圈磁極之間無法產(chǎn)生力矩；而存在有夾角的一個(gè)線圈磁極與磁極之間產(chǎn)生一個(gè)推力，而另一個(gè)線圈磁極與磁極之間產(chǎn)生一個(gè)吸力，在一推一吸的力驅(qū)動(dòng)下，該運(yùn)動(dòng)被傳遞至與轉(zhuǎn)子2連接的輸出桿3上，從而實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明球電機(jī)驅(qū)動(dòng)力的輸出，該球電機(jī)輸出包括有傾斜、自旋三個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。(三)輸出桿3參見圖1、圖3、圖3Α所示，輸出桿3的一端為連接盤31，連接盤31上設(shè)有G通孔 32，輸出桿3的另一端為法蘭盤33。在本發(fā)明中，通過輸出桿3上的法蘭盤33與外部的被執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接，實(shí)現(xiàn)將本發(fā)明產(chǎn)生的力作用到的被執(zhí)行機(jī)構(gòu)上。(四)第二定子4參見圖1、圖1C、圖1D、圖4所示，第二定子4上設(shè)有三個(gè)通孔，即A通孔4Α、B通孔4B、C通孔4C ；A通孔4A用于安裝A壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器7 ；B通孔4B用于安裝B壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器8 ；C通孔4C用于安裝C壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器9。在本發(fā)明中，第二定子4為圓環(huán)結(jié)構(gòu)；第二定子4的底部設(shè)有四個(gè)螺紋孔，該四個(gè)螺紋孔分別與四根支撐圓柱62的一端連接。四根支撐圓柱62的另一端安裝在底座6上，通過四個(gè)螺釘穿過四個(gè)E通孔63A后， 螺紋連接在四根支撐圓柱62的另一端的螺紋孔(如圖IC所示)上。在本發(fā)明中，四根支撐圓柱62用于支撐起第二定子4。(五)轉(zhuǎn)子保護(hù)膜5參見圖1、圖3、圖3A所示，轉(zhuǎn)子保護(hù)膜5涂覆在轉(zhuǎn)子4上，轉(zhuǎn)子保護(hù)膜5能夠?qū)D(zhuǎn)子4起到耐摩擦的作用。該轉(zhuǎn)子保護(hù)膜5能夠在保護(hù)轉(zhuǎn)子4的同時(shí)增大摩擦力。在本發(fā)明中，轉(zhuǎn)子保護(hù)膜5的材料是樹脂材料。(六)底座6參見圖1、圖1A、圖1B、圖ID所示，底座6為圓盤結(jié)構(gòu)。參見圖ID所示，底座6的上凸圓臺(tái)64的邊緣上均勻設(shè)有四個(gè)L形連接件61，每個(gè) L形連接件61上設(shè)有D通孔61A，該D通孔61A用于螺釘穿過，該螺釘穿過D通孔61A后螺紋連接在第一定子1底部的螺紋孔(圖中未示出)內(nèi)。該L形連接件61用于與第一定子 1的底部配合實(shí)現(xiàn)將第一定子1的底部安裝在底座6上。參見圖IB所示，底座6的底部中心為圓形凹腔63，該圓形凹腔63上設(shè)有E通孔 63A，該E通孔63A用于螺釘穿過，該螺釘穿過后螺紋連接在四根支撐圓柱62的另一端上。在本發(fā)明中，底座6的上凸圓臺(tái)64上的四個(gè)L形連接件61能夠限制住第一定子1 的安裝位置。底座6中心部位的四個(gè)E通孔63A通過螺釘實(shí)現(xiàn)與四個(gè)支撐圓柱62的連接， 從而間接限制住第二定子4的安裝位置。(七)A壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器7參見圖1D、圖5所示，A壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器7包括有第一壓電陶瓷片7A、第二壓電陶瓷片7B、A壓電齒盤7C;在本發(fā)明中，A壓電齒盤7C為圓盤結(jié)構(gòu)，A壓電齒盤7C的一端為平板面，A壓電齒盤7C的另一端為齒形；在A壓電齒盤7C的平板面上安裝有第一壓電陶瓷片7A和第二壓電陶瓷片7B。(八)B壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器8參見圖1D、圖5所示，B壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器8包括有第三壓電陶瓷片8A、第四壓電陶瓷片8B、B壓電齒盤8C ；在本發(fā)明中，B壓電齒盤8C為圓盤結(jié)構(gòu)，B壓電齒盤8C的一端為平板面，B壓電齒盤8C的另一端為齒形；在B壓電齒盤8C的平板面上安裝有第三壓電陶瓷片8A和第四壓電陶瓷片8B。(九)C壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器9參見圖1D、圖5所示，C壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器9包括有第五壓電陶瓷片9A、第六壓電陶瓷片9B、C壓電齒盤9C ；在本發(fā)明中，C壓電齒盤9C為圓盤結(jié)構(gòu)，C壓電齒盤9C的一端為平板面，C壓電齒盤9C的另一端為齒形；在C壓電齒盤9C的平板面上安裝有第五壓電陶瓷片9A和第六壓電陶瓷片9B。 在本發(fā)明中，當(dāng)A壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器7、B壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器8和C壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器9 在加載電壓條件下產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。三個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的輸出功率的選擇可以根據(jù)球電機(jī)大小來設(shè)定。 本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于電磁和壓電混合驅(qū)動(dòng)的三自由度球型電機(jī)，該球型電機(jī)采用單轉(zhuǎn)子雙定子(第一定子1和第二定子4)結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子2上排布永磁磁極2A且涂覆有轉(zhuǎn)子保護(hù)膜5，轉(zhuǎn)子保護(hù)膜5能夠在保護(hù)轉(zhuǎn)子2的同時(shí)增大摩擦力。第二定子4上排布有壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，并通過施加一定的軸向預(yù)壓力使第二定子4與轉(zhuǎn)子2保持接觸，第一定子1上排布有線圈1C。在第二定子4的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器上分別施加相位差為π/2的同頻率(超聲頻段內(nèi))、等幅交變電壓。通過壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的逆壓電效應(yīng)，可在第一定子1的模態(tài)頻率上激發(fā)出兩個(gè)幅值相等、在時(shí)間和空間上均相差η/2的模態(tài)響應(yīng)。這兩個(gè)模態(tài)響應(yīng)在第一定子1上疊加形成行波，通過第二定子4和轉(zhuǎn)子2之間的摩擦力作用，第一定子1表面質(zhì)點(diǎn)的微幅振動(dòng)就會(huì)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子2的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。第一定子1上的線圈IC可以與轉(zhuǎn)子2上的永磁體2Α相互作用產(chǎn)生電磁力，在電磁力的作用下轉(zhuǎn)子2同樣可產(chǎn)生相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該設(shè)計(jì)同時(shí)采用了電磁和壓電陶瓷的混合驅(qū)動(dòng)方式，不僅能夠在有效增大球電機(jī)的輸出力矩，而且能夠根據(jù)需要選擇不同的驅(qū)動(dòng)組合方式。 將本發(fā)明設(shè)計(jì)的具有電磁和壓電混合驅(qū)動(dòng)方式的三自由度球型電機(jī)應(yīng)用到機(jī)器人手臂的肩、腕關(guān)節(jié)中，能夠在簡化機(jī)器人臂結(jié)構(gòu)的同時(shí)提高機(jī)器人臂的帶負(fù)載能力。在一個(gè)七自由度擬人臂機(jī)械裝置中，若用傳統(tǒng)單軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)則需要七個(gè)電機(jī)組合來實(shí)現(xiàn)，而應(yīng)用本發(fā)明的具有電磁和壓電混合驅(qū)動(dòng)方式的球電機(jī)則只需三個(gè)電機(jī)。在關(guān)節(jié)數(shù)目減少的條件下能夠避免傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的彈性變形和運(yùn)動(dòng)死區(qū)造成運(yùn)動(dòng)精度低缺陷；也使得機(jī)器人手臂再簡單的結(jié)構(gòu)下的具有更強(qiáng)的帶負(fù)載能力。
權(quán)利要求
1. 一種基于電磁和壓電混合驅(qū)動(dòng)的三自由度球型電機(jī)，其特征在于該球電機(jī)包括有第一定子(1)、轉(zhuǎn)子O)、輸出桿(3)、第二定子G)、轉(zhuǎn)子保護(hù)膜(5)、底座(6)、支撐圓柱、A 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(7)、B壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(8)、C壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(9)、以及安裝在第一定子 ⑴上的M個(gè)線圈(IC)、以及安裝在轉(zhuǎn)子⑵上的8個(gè)磁極以K)；輸出桿C3)的連接盤(31)安裝在轉(zhuǎn)子( 上，轉(zhuǎn)子( 的外面涂覆有轉(zhuǎn)子保護(hù)膜(5)， 轉(zhuǎn)子保護(hù)膜( 的外面是第二定子G)，第二定子(4)的外面是第一定子(1)；第二定子(1) 通過支撐圓柱安裝在底座(6)上，第一定子(1)的底部安裝在底座(6)的L形連接件(61) 上；A壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(7)、B壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(8)和C壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(9)安裝在第二定子⑷上；第一定子(1)的第一圓周線(IA)上均勻設(shè)有12個(gè)用于安裝線圈的A線圈安裝孔(11)； 第一定子(1)的第二圓周線(IB)上均勻設(shè)有12個(gè)用于安裝線圈的B線圈安裝孔(12) ；A 線圈安裝孔(11)與B線圈安裝孔(12)的結(jié)構(gòu)相同，且A線圈安裝孔(11)與B線圈安裝孔 (12)在第一定子(1)的縱向方向上排成兩排；第一定子(1)的下端設(shè)有螺紋孔，該螺紋孔與底座(6)上的L形連接件(61)上的D通孔(61A)配合；在轉(zhuǎn)子O)的圓周上均勻設(shè)有8個(gè)磁極孔(21)，該磁極孔用于安裝磁極以K)； 轉(zhuǎn)子O)的頂部平面0 上設(shè)有螺紋孔(23)，該螺紋孔用于與輸出桿(3)的連接盤 (31)上的G通孔(32)配合，通過螺釘實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子O)的頂部平面02)與輸出桿(3)的連接盤(31)的連接；磁極孔為盲孔；輸出桿(3)的一端為連接盤(31)，連接盤(31)上設(shè)有G通孔(32)，輸出桿(3)的另一端為法蘭盤(33)；第二定子(4)上設(shè)有A通孔(4A)、B通孔GB)、C通孔GC) ；A通孔(4A)用于安裝A 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(7) ；B通孔GB)用于安裝B壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(8) ；C通孔GC)用于安裝C 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(9)；第二定子(4)的底部設(shè)有四個(gè)螺紋孔，該四個(gè)螺紋孔分別與四根支撐圓柱(6 的一端連接；四根支撐圓柱(6 的另一端安裝在底座(6)上； 轉(zhuǎn)子保護(hù)膜( 涂覆在轉(zhuǎn)子(4)上；底座(6)為圓盤結(jié)構(gòu)，底座(6)的上凸圓臺(tái)(64)的邊緣上均勻設(shè)有四個(gè)L形連接件 (61)，每個(gè)L形連接件陽1)上設(shè)有D通孔(61A)，該D通孔(61A)用于螺釘穿過，該螺釘穿過D通孔(61A)后螺紋連接在第一定子(1)底部的螺紋孔內(nèi)；該L形連接件(61)用于與第一定子(1)的底部配合實(shí)現(xiàn)將第一定子(1)的底部安裝在底座(6)上；底座(6)的底部中心為圓形凹腔(63)，該圓形凹腔(63)上設(shè)有E通孔(63A)，該E通孔(63A)用于螺釘穿過， 該螺釘穿過后螺紋連接在四根支撐圓柱(6 的另一端上；A壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(7)包括有第一壓電陶瓷片(7A)、第二壓電陶瓷片(7B)、A壓電齒盤 (7C) ；A壓電齒盤(7C)為圓盤結(jié)構(gòu)，A壓電齒盤(7C)的一端為平板面，A壓電齒盤(7C)的另一端為齒形；在A壓電齒盤(7C)的平板面上安裝有第一壓電陶瓷片(7A)和第二壓電陶瓷片(7B)；B壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(8)包括有第三壓電陶瓷片(8A)、第四壓電陶瓷片(8B)、B壓電齒盤 (8C) ；B壓電齒盤(8C)為圓盤結(jié)構(gòu)，B壓電齒盤(8C)的一端為平板面，B壓電齒盤(8C)的另一端為齒形；在B壓電齒盤(8C)的平板面上安裝有第三壓電陶瓷片(8A)和第四壓電陶瓷片(8B)；C壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(9)包括有第五壓電陶瓷片(9A)、第六壓電陶瓷片(9B)、C壓電齒盤 (9C) ；C壓電齒盤(9C)為圓盤結(jié)構(gòu)，C壓電齒盤(9C)的一端為平板面，C壓電齒盤(9C)的另一端為齒形；在C壓電齒盤(9C)的平板面上安裝有第五壓電陶瓷片(9A)和第六壓電陶瓷片(9B)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電磁和壓電混合驅(qū)動(dòng)的三自由度球型電機(jī)，其特征在于第一定子(1)為圓環(huán)結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電磁和壓電混合驅(qū)動(dòng)的三自由度球型電機(jī)，其特征在于轉(zhuǎn)子(2)為球缺結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電磁和壓電混合驅(qū)動(dòng)的三自由度球型電機(jī)，其特征在于第二定子為圓環(huán)結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電磁和壓電混合驅(qū)動(dòng)的三自由度球型電機(jī)，其特征在于轉(zhuǎn)子保護(hù)膜(5)為樹脂材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電磁和壓電混合驅(qū)動(dòng)的三自由度球型電機(jī)，其特征在于轉(zhuǎn)子上的磁極與定子上的線圈在安裝位置上滿足β = 45°和θ = 30°。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電磁和壓電混合驅(qū)動(dòng)的三自由度球型電機(jī)，其特征在于轉(zhuǎn)子( 上設(shè)置磁極OA)的個(gè)數(shù)滿足β = η/360，η表示設(shè)置磁極的個(gè)數(shù)，β表示磁極軸線夾角，單位。；第一定子(1)上設(shè)置線圈(IC)的個(gè)數(shù)滿足θ =m/360，m表示設(shè)置線圈的個(gè)數(shù)，θ表示線圈軸線夾角，單位。。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于電磁和壓電混合驅(qū)動(dòng)的三自由度球型電機(jī)，該球電機(jī)包括有第一定子、轉(zhuǎn)子、輸出桿、第二定子、轉(zhuǎn)子保護(hù)膜、底座、A壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、B壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、C壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、以及安裝在第一定子1上的24個(gè)線圈、以及安裝在轉(zhuǎn)子上的8個(gè)磁極。輸出桿的連接盤安裝在轉(zhuǎn)子上，轉(zhuǎn)子的外面涂覆有轉(zhuǎn)子保護(hù)膜，轉(zhuǎn)子保護(hù)膜的外面是第二定子，第二定子的外面是第一定子；第二定子通過支撐圓柱安裝在底座上，第一定子的底部安裝在底座的L形連接件上。本發(fā)明球型電機(jī)采用單轉(zhuǎn)子雙定子的結(jié)構(gòu)，同時(shí)融合電磁和壓電陶瓷兩種驅(qū)動(dòng)方式，互相補(bǔ)償各自的缺點(diǎn)，且兩種驅(qū)動(dòng)方式的共同作用可有效地提高球電機(jī)的輸出力矩。
文檔編號(hào)H02K16/04GK102355103SQ201110280630
公開日2012年2月15日 申請日期2011年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月20日
發(fā)明者嚴(yán)亮, 張良 申請人:北京航空航天大學(xué)