本发明专利技术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。本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种球型电机，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。
技术介绍
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，本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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O)、输出杆(3)、第二定子G)、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M个线圈(IC)、以及安装在转子⑵上的8个磁极以K)；输出杆(3)的连接盘(31) 安装在转子( 上，转子O)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，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(IA)上均勻设有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(IB)上均勻设有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(1 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O)的圆周上均勻设有8个磁极孔(21)，该磁极孔用于安装磁极 (2A)；转子O)的顶部平面02)上设有螺纹孔(23)，该螺纹孔03)用于与输出杆(3)的连接盘(31)上的G通孔(3 配合，通过螺钉实现转子O)的顶部平面0 与输出杆(3) 的连接盘(31)的连接；磁极孔为盲孔；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GB)用于安装B压电陶瓷驱动器⑶；C通孔GC)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(6 的一端连接；四根支撑圆柱(6 的另一端安装在底座(6)上；转子保护膜( 涂覆在转子(4)上；底座(6)为圆盘结构，底座(6)的上凸圆台(64)的边缘上均勻设有四个L形连接件(61)，每个L形连接件阳1)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(6 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⑶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)。本专利技术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是本专利技术三自由度球型电机的结构图。图IA是本专利技术三自由度球型电机的正视面结构图。图IB本专利技术三自由度球型电机的另一视角结构图。图IC是本专利技术未装配第一定子、线圈和底座的结构图。图ID是本专利技术第二定子、压电陶瓷组件与底座之间的装配结构图。图2是本专利技术第一定子与线圈的装配图。图2A是本专利技术第一定子的结构图。图3是本专利技术转子与输出杆的装配图。图3A是本专利技术转子的结构图。图4是本专利技术第二定子的结构图。图5是本专利技术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.第一压电片本文档来自技高网...
【技术保护点】
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；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，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）。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...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：严亮，张良，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11
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