[发明专利]电磁超声复合式电动机及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电动机和它的控制方法，具体的说，涉及一种电磁超声复合式的电动机及其控制方法。

背景技术

超声波电动机（USM）是近年发展起来的一种新型电机，它利用压电陶瓷的逆压电效应在定子上产生超声振动，通过与转子的摩擦耦合传递驱动力。由于其具有转速低、转矩大、定位精度高、功率密度大、无电磁干扰等优越特性，所以在航空航天、机器人、精密仪器等领域得到广泛应用。但由于通过与转子的摩擦耦合传递驱动力，所以寿命都不长，一般有效工作时间少于2000小时，使超声波电动机在连续运行的高精度控制系统中使用受到限制。因此，为真正使超声波电动机成为广泛使用的高精度控制电机，须有效提高电机的有效工作时间。

步进电机作为执行元件，广泛应用在各种自动化控制系统中。在普通驱动控制方式下，步进电机在控制精度、速度变化范围、低速性能方面都不能完美适应现代精密定位及加工的要求。以提高电机定位精度及改善电机运行性能为目的的细分驱动技术能使步进电机达到很高的定位精度，但采用步进电机细分驱动电路，使系统的复杂程度增加，且细分后的步进电机驱动精度还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等因素，细分数越大，精度越难控制。现实工况下如焊接过程中的高频起弧和稳弧对驱动电路存在很严重的高频电磁波干扰，采用步进电机细分电路会大大降低了系统的可靠性和稳定性，驱动器要有相当高的技术要求和工艺要求，成本也会较高。

 

发明内容

本发明的目的是设计一种电磁超声复合式电动机，把步进电机与行波超声波电动机复合为一体，能够兼具步进电机和超声波电动机的特性优点，同时能够克服步进电机细分控制复杂及超声波电动机寿命短的缺点，具有定位精度高、使用寿命长等特点。

本发明采取的技术方案是：

电磁超声复合式电动机，包括超声波电动机和步进电机，还包括：基板，其上设有一开孔；所述的超声波电动机固定于基板一端面上，超声波电动机的输出轴从基板上的开孔中伸出；所述的步进电机的外壳固定于基板另一端面上，外壳内设有机座，机座的一端与超声波电动机的输出轴固定连接，步进电机的转轴从机座的另一端伸出机座和外壳带动负载，所述机座和外壳之间安装有为步进电机供电的电刷。

进一步，所述机座安装在外壳中，由前端盖、后端盖和圆周形侧壁围成封闭腔体，所述前端盖上设有开孔，所述后端盖与超声波电动机的输出轴固定连接，侧壁与外壳之间连接有电刷；所述转轴的一端从机座前端盖和外壳上的开孔伸出带动负载，另一端通过轴承连接机座后端盖；所述步进电机还包括：定子，包括固定在机座侧壁上的定子铁心，以及嵌于定子铁心上的定子绕组；转子，位于定子铁心内侧同心固定于步进电机的转轴上。

所述超声波电动机包括：机壳，固定于基板一端面上；定子，安装在机壳中，包括一固定于基板上的压电陶瓷环和固定于压电陶瓷环上的弹性环，所述压电陶瓷环沿厚度方向极化并由正余弦二相超声波电源供电；转子，其一端固定于输出轴上并通过一预应力弹簧连接一固定于输出轴上的预应力螺帽，另一端在预应力弹簧的作用下抵靠所述弹性环。

所述步进电机的外壳上固定有光电式编码器，转轴上固定有与光电式编码器相配合的编码圆光栅。

所述步进电机的机座侧壁上安装有滑环基套，滑环基套上固定有滑环，所述外壳上开设有电刷调节孔，所述电刷一端通过一预应力弹簧和一与预应力弹簧连接的预应力螺丝固定于电刷调节孔，电刷另一端与滑环滑动连接。

所述基板上对应电刷的位置固定安装有电刷支架，所述电刷安装在电刷支架上。

所述步进电机的机座的圆周形侧壁呈阶梯状设置，其中靠近后端盖位置为凹陷部，所述凹陷部位置的侧壁与外壳之间连接电刷。

所述超声波电动机的额定输出驱动转矩大于等于步进电机的额定输出驱动转矩，超声波电动机输出轴与步进电机后端盖之间的静摩擦转矩大于步进电机的临界驱动转矩，步进电机的临界驱动转矩大于步进电机转轴上的额定负载转矩。

所述步进电机是永磁式步进电机或反应式步进电机。

本发明另一方面提供一种上述电磁超声复合式电动机的控制方法，包括如下步骤：

1）令电磁超声复合式电动机中的超声波电动机的额定输出驱动转矩大于等于步进电机的额定输出驱动转矩，超声波电动机输出轴与步进电机后端盖之间的静摩擦转矩大于步进电机的临界驱动转矩，步进电机的临界驱动转矩大于步进电机转轴上的额定负载转矩；

2）对步进电机脉冲供电，超声波电动机不供电源，步进电机的定子不动，步进电机的转子转动带动转轴旋转，输出驱动负载；