CN101702592A - 双定转子阶梯轴结构盘状行波超声电机 - Google Patents
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Abstract
一种双定转子阶梯轴结构盘状行波超声电机，属于超声电机技术领域。将两组定转子设置于电机的外部固定结构和内部支撑结构之间，其中电机的外部固定结构由上下对置的两个定子基座与中间的筒状外壳所构成，内部支撑结构通过定子基座内的止推轴承限定阶梯轴的轴向位置而形成。本发明不但保留了现有的单定转子超声电机的诸多优点，而且比现有技术更简单易行，结构更紧凑，转矩体积比更大，对外部负载的抗干扰能力更强，特别适用于航空航天领域和生物医疗领域。
Description
技术领域
本发明属于超声电机技术领域，特别涉及一种组合结构的盘状旋转行波超声电机。
背景技术
盘状行波超声电机是新型特种电机，利用压电陶瓷片的逆压电效应，将电能转化为定子金属振动体的机械能，在定子表面产生超声频率的微幅振动，通过振动模态叠加在定子表面形成行波，利用轴向预压力和接触表面摩擦力将定子振动体的微米量级振动转换为转子的回转，从而输出机械能以带动负载工作。盘状行波超声电机可用于航空航天领域和生物医疗领域，具有如下特点：
(1)结构紧凑，设计灵活、功率体积比大。
(2)低速大转矩，无需减速机构可直接驱动负载。
(3)转子质量小，启动停止响应时间为毫秒级。
(4)定子振幅是微米级，且断电自锁力矩大，位置和速度控制性好，位移分辨率高。
(5)不产生磁场，亦不受外界磁场干扰。
(6)工作频率在20kHz以上，低噪声运行。
(7)可在真空、高/低温等极端环境下运转。
图1的第一种电机为已有的单定转子盘状行波超声电机，定子由压电陶瓷片与定子振动体黏结而成，放置于定子基座上，在定子的上表面由薄盘状转子直接变形压在其上。轴的中上部有轴环，轴环下端面由螺钉与转子连接，轴环上端面通过止推轴承置于圆罩状外壳中，轴的下端经普通轴承穿过定子基座。圆罩状外壳通过螺钉固定在定子基座上，通过圆罩状外壳内的止推轴承与轴的轴环上端面的配合，构成了限定轴沿轴上移的单向几何约束，同时，在轴的轴环上端面与圆罩状外壳内的止推轴承之间设置有预压力调整垫片，直接通过转子的弯曲变形来调节定转子间的预压力。图2是第一种电机的定转子接触示意图，由于薄盘状转子弯曲刚度较小时，定子振动体和转子的接触摩擦副存在有变形匹配，这种变形匹配使定转子在接触振动中始终保持较大的径向接触区域，从而保证了盘状行波超声电机具有输出转矩大、机械效率高的优点。
由于盘状行波超声电机的原理是利用定子振动体产生周向行波，通过摩擦来驱动转子的，当压电陶瓷片工作在额定功率时，提高驱动摩擦力的方法包括增加轴向预压力和增大行波振幅，而轴向预压力的增加伴随有行波振幅的下降，因此，盘状行波超声电机的最大输出转矩存在限制。在要求结构尺寸小但输出转矩大的场合，目前盘状行波超声电机有两种典型的结构组合方案：
(1)双定子单转子盘状行波超声电机
两个定子具有完全相同的结构，上下对置夹住中间单个转子，通过轴输出转矩。图3的第二种电机是文献《一种旋转式超声电机》(发明专利，公开号CN1909355A)所提出的电机结构方案，两个定子由上圆盘型压电陶瓷片、上定子振动体(上薄圆台金属弹性体)、下定子振动体(下薄圆台金属弹性体)、下圆盘型压电陶瓷片组成，中间单个转子为中间转子(圆环型转子)，定转子由紧固螺母与紧固螺栓固定，并通过碟形弹簧调节定转子间的预压力，该结构方案的定转子接触状态如图4所示，中间转子(圆环型转子)夹持在下定子振动体(下薄圆台金属弹性体)和上定子振动体(上薄圆台金属弹性体)之间，中间转子(圆环型转子)不发生弯曲变形，定转子之间的径向接触区域较小，从而降低了电机的输出转矩和机械效率。图5的第三种电机是文献《A new method of improving thetorque of a travelling wave ultrasonic motor》(Proceedings of the 1999IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent MechatronicsSeptember 19-23.1999Atlanta，USA)中的电机结构示意图，下定子由下压电陶瓷片、下定子振动体组成，上定子由上定子振动体、上压电陶瓷片组成，中间单个转子为中间转子，定转子间的预压力通过下碟形弹簧与上碟形弹簧调节，在电机运转过程中，中间单个转子与下定子之间的变形匹配由下定子塞、下针孔支撑、下碟形弹簧、下止推轴承等外围辅助机构共同实现，中间单个转子与上定子之间的变形匹配由上止推轴承、上碟形弹簧、上针孔支撑、上定子塞等外围辅助机构共同实现，该结构组合方案通过定子的弯曲变形实现了定转子间的变形匹配，但由于定子的振动边界条件比较复杂，存在振动模态混叠的问题，增加了电机在设计、加工、制作、调试过程中的难度，影响电机的输出性能，而且由于两个定子的外围辅助机构复杂，相应电机的体积较大。
(2)双定转子盘状行波超声电机
在相同尺寸结构的两组定转子中，一个定子与一个转子构成一组驱动源，另一个定子与另一个转子构成另一组驱动源，两组驱动源通过与两个转子连接的轴输出转矩。图6的第四种电机是文献《大转矩行波型超声波电机的研制》(中国电机工程学报，2002年8月，P67～P70)中的电机结构示意图，两个定子安装在中间底盘的两边，左转子、左定子振动体、左压电陶瓷片构成一组驱动源，右压电陶瓷片、右定子振动体、右转子构成另一组驱动源，两组驱动源通过与两个转子连接的轴输出转矩，左压簧调节左边一组定转子间的预压力，右压簧调节右边一组定转子间的预压力，其不足之处如上述文献所述“由于2个振子很难做得完全一样，加在2个转子上的压力也不可能完全相同，此外还有驱动频率变化等不利因素，因此2个振子实际上不可能同时输出其最大转矩”，实验结果为“由于双振子电机的运行不稳定，无法测出其实验曲线。”图7的第五种电机是文献《行波型超声波电机的若干关键问题研究》(浙江大学博士学位论文，2006年，P107～P108)中的电机结构示意图，两组定子安装在中间支座的两边，右转子、右定子构成一组驱动源，左定子、左转子构成另一组驱动源，两组驱动源通过与两个转子连接的轴输出转矩，定转子间的预压力直接由转子的弯曲变形来调节，该电机的不足之处如其文献所述“由于加工误差、电机材料以及制作工艺很难保证两个电机性能完全一致，特别是电机谐振频率很难达到一致，因此，实际制作的电机输出力矩并非是两个电机力矩的线性叠加。同时，这种电机结构比较复杂，增加了加工和制作调试的难度。”
发明内容
本发明的目的在于，为克服已有技术方案的不足之处，提出一种双定转子阶梯轴结构盘状行波超声电机，从结构上抑制两个定子在行波驱动转子的过程中存在的振动耦合与振动能量传递，从而消除组合结构超声电机的非线性叠加因素。本发明不但结构上简单易行，保留了单定转子盘状行波超声电机的诸多优点，而且比已有技术结构更紧凑，转矩体积比更大，对外部负载的抗干扰能力更强，运行更易实现安静低噪声。
本发明所提出的一种双定转子阶梯轴结构盘状行波超声电机，其特征在于：包括阶梯轴、通过阶梯轴轴肩定位的下定子基座和上定子基座，下定子基座的上侧固定安装有第一定子，上定子基座的下侧固定安装有第二定子；上述阶梯轴中部还具有轴环，轴环的下端面固定有第一转子，轴环的上端面固定有第二转子；第一定子和第一转子构成第一组驱动源，第二定子和第二转子构成第二组驱动源，两组驱动源具有相同的结构特征，共同驱动阶梯轴输出转矩；下定子基座和上定子基座固定于筒状外壳的两端面上。
本发明按构件功能可划分为外部固定结构、内部支撑结构以及设置于其间的定转子，外部固定结构由下定子基座和上定子基座固定于筒状外壳的两端面而构成，内部支撑结构通过下定子基座内的下止推轴承和上定子基座内的上止推轴承共同限定阶梯轴的轴向位置而形成，这种复合夹持结构完全固定了连接于阶梯轴轴环的下转子和上转子的轴向位置，从结构上抑制了第一组定转子和第二组定转子之间的振动耦合与振动能量传递，还能使设置于其间的第一组定转子和第二组定转子均能单独运转，同时，本发明两组定转子均保留了已有的单定转子盘状行波超声电机(即第一种电机)的驱动特征，转子在静态预压力和行波产生的动态接触摩擦力的作用下，仅存在弹性变形和周向转动的自由度，受压变形的转子与相应的定子振动体形成了变形匹配，这种变形匹配使定转子在接触振动中始终保持较大的径向接触区域，从而保证了其中的两组定转子均具有输出转矩大、机械效率高的优点，共同驱动阶梯轴运转。此外，由于本发明的第一组定转子和第二组定转子均能单独运转，可根据实际需要只设置第一组定转子或第二组定转子，增加了电机的使用灵活性。
如果上述第一转子上表面和第二转子的下表面均贴有环形阻尼材料，就可降低转子薄弱部分的轴向振动强度，这样不仅可以提高超声电机的运转稳定性，而且还能避免薄盘状转子的疲劳破坏。
如果上述阶梯轴与下定子基座或上定子基座定位的轴肩部设有消除安装误差的定位调整垫片，就可保证阶梯轴的轴向定位精度，从结构上完全抑制两个定子在行波驱动转子的过程中存在的振动耦合与振动能量传递，从而彻底消除组合结构超声电机的非线性叠加因素。
如果上述阶梯轴轴环下端面与第一转子之间设置有调节第一组定转子预压力的预压力调整垫片，就可将第一组定转子间的预压力调试到输出机械性能最佳的相应状态，从而保证了第一组驱动源的输出性能。
同样的，如果上述阶梯轴轴环上端面与第二转子之间设置有调节第二组定转子预压力的预压力调整垫片，也可将第二组定转子间的预压力调试到输出机械性能最佳的相应状态，从而保证了第二组驱动源的输出性能。
与已有的双定子单转子盘状行波超声电机(即第二、三种电机)相比，本发明不仅完全保留有单定转子盘状行波超声电机的定转子摩擦副变形匹配特征，具有输出转矩大、机械效率高的优点，而且省去了额外的预压力调节机构、定转子变形匹配的外围辅助机构，减小了电机的体积，并简化了其在设计、加工、制作、调试过程中的难度。
与已有的双定转子盘状行波超声电机(即第四、五种电机)相比，本发明除了将两个定子的位置由中间移到两端，将两个转子的位置由两端移到中间以外，提出了一种包含有外部固定结构和内部支撑结构的复合夹持结构，从结构上抑制了第一组定转子和第二组定转子之间的振动耦合与振动能量传递，从而消除了组合结构超声电机的非线性叠加因素，避免了其对电机运转过程中存在的危害：一方面，在振动耦合的能量干扰下，两组定转子间的接触状态出现差异，当一组定转子驱动转速高于另一组定转子的驱动转速时，该组定转子通过公共轴拖动另一组定转子发生非正常的摩擦磨损，影响了电机输出性能的稳定性，另一方面，两组定转子的振动耦合造成了两个转子的轴向跳动，高频冲击定子的接触表面，常引发定子陶瓷片的碎裂，降低了电机的使用寿命。这样，本发明从结构上保证了超声电机的运转稳定性和输出高效性，此外，本发明超声电机可根据实际需要仅设置其中的一组定转子，扩大了电机的使用范围。
本发明不仅完全保留了已有的盘状旋转行波超声电机(即第一种电机)定转子的变形匹配驱动特性，而且对其输出轴结构改进如下：
(1)超声电机输出轴的阶梯轴结构
由于双定转子结构的超声电机存在有两个振动源，两组定转子间的振动耦合与振动能量传递严重影响了超声电机性能，因而采取阶梯轴肩配合止推轴承所构成的电机内部支撑结构，并结合由定子基座与筒状外壳所组成的外部固定结构，既隔离了振动耦合对超声电机输出转矩与使用寿命的影响，又使电机的结构更简化，使用更灵活。
(2)超声电机输出轴的双向定位结构
当单定转子盘状行波超声电机(即第一种电机)驱动负载时，由于输出轴在轴向只有单向几何约束，负载的轴向反作用力会通过输出轴传递到定转子的接触摩擦界面上，影响定转子的驱动性能。为了避免负载对超声电机的轴向干扰，本发明由阶梯轴的两个轴肩形成双向定位结构，消除了单定转子盘状行波超声电机的单向定位约束的不足之处。此外，由于本发明的两组定转子预压力通过阶梯轴的轴环相互抵消，由阶梯轴所形成的双向定位结构不必承担定转子的轴向预压力，使定位性能更加可靠性。
(3)超声电机输出轴的一体化预压力结构
原有的单定转子盘状行波超声电机的预压力调整垫片位于输出轴与止推轴承之间，如图1所示，本发明改进了预压力调整垫片的设置位置，将预压力调整垫片设置于阶梯轴的轴环端面与转子之间，并用螺钉固定。这样，预压力结构完全与阶梯轴连成一体，简化了超声电机的装配工艺。此外，由于本发明的阶梯轴形成了电机的内部支撑结构，上、下两组定转子的预压力均可独立调节，增加了预压力调节的灵活性。
综上所述，本发明保留了已有的盘状行波超声电机定转子的接触特征，并进一步改进了输出轴的结构，理论上可将单定转子盘状行波超声电机的输出转矩提高一倍，由于简化了圆罩状外壳结构并省掉了圆罩状外壳内的止推轴承，使本发明的电机结构更加紧凑，转矩体积比更大，运转更加稳定。
附图说明
图1是第一种电机结构示意图。
图2是第一种电机的定转子接触示意图。
图1及图2中标号名称：1.第一种电机的轴；2.第一种电机的普通轴承；3.第一种电机的定子基座；4.第一种电机的压电陶瓷片；5.第一种电机的定子振动体；6.第一种电机的转子；7.第一种电机的止推轴承；8.第一种电机的圆罩状外壳。
图3是第二种电机结构示意图。
图4是第二种电机的定转子接触示意图。
图3及图4中标号名称：9.第二种电机的紧固螺母；10.第二种电机的碟形弹簧；11.第二种电机的上圆盘型压电陶瓷片；12.第二种电机的上定子振动体(上薄圆台金属弹性体)；13.第二种电机的中间转子(圆环型转子)；14.第二种电机的下定子振动体(下薄圆台金属弹性体)；15.第二种电机的下圆盘型压电陶瓷片；16.第二种电机的紧固螺栓。
图5是第三种电机结构示意图。
图5中标号名称：17.第三种电机的轴；18.第三种电机的下普通轴承；19.第三种电机的下基座；20.第三种电机的下定子塞；21.第三种电机的下针孔支撑；22.第三种电机的下碟形弹簧；23.第三种电机的下压电陶瓷片；24.第三种电机的下定子振动体；25.第三种电机的下止推轴承；26.第三种电机的中间转子；27.第三种电机的上止推轴承；28.第三种电机的上定子振动体；29.第三种电机的上压电陶瓷片；30.第三种电机的上碟形弹簧；31.第三种电机的上针孔支撑；32.第三种电机的上定子塞；33.第三种电机的上基座；34.第三种电机的上普通轴承。
图6是第四种电机结构示意图。
图6中标号名称：35.第四种电机的轴；36.第四种电机的轴承；37.第四种电机的左压簧；38.第四种电机的左转子；39.第四种电机的左定子振动体；40.第四种电机的左压电陶瓷片；41.第四种电机的中间底盘；42.第四种电机的右压电陶瓷片；43.第四种电机的右定子振动体；44.第四种电机的右转子；55.第四种电机的右压簧。
图7是第五种电机结构示意图。
图7中标号名称：46.第五种电机的轴；47.第五种电机的右端盖；48.第五种电机的右转子；49.第五种电机的右定子；50.第五种电机的中间支座；51.第五种电机的左定子；52.第五种电机的左转子；53.第五种电机的左端盖。
图8是本发明电机结构示意图。
图9是本发明电机的阶梯轴结构示意图。
图8及图9中标号名称：54.阶梯轴；55.下止推轴承；56.下定子基座；57.第一压电陶瓷片；58.第一定子振动体；59.第一转子；60.筒状外壳；61.第二转子；62.第二定子振动体；63.第二压电陶瓷片；64.上定子基座；65.上止推轴承；66.下轴肩；67.轴环；68.上轴肩。
图10是本发明电机仅安装第一组定转子的结构示意图。
图11是实验样机的机械特性曲线图。
a.安装有两组定转子的本发明电机实验曲线；b.仅安装有第一组定转子的本发明电机实验曲线；c.仅安装有第二组定转子的本发明电机实验曲线；d.安装有第一组定转子的第一种电机实验曲线；e.安装有第二组定转子的第一种电机实验曲线。
具体实施方式
本发明的双定转子阶梯轴结构盘状行波超声电机是建立在原有的单定转子盘状行波超声电机(即第一种电机)的基础上，两种电机端面的外形尺寸可保持一致，定子中的压电陶瓷片、定子振动体以及定子基座均可使用原有的部件，与阶梯轴配合的转子仅需调整内径，转子上的摩擦接触层的材料、厚度均不变，外壳由原来的圆罩状简化为圆筒状并并省掉了其中的止推轴承。这样，两种超声电机的大部分零部件具有互换性，相应的机械加工得到简化。
本发明的外部固定结构是通过上、下两定子基座固定在筒状外壳两端面来实现的，为了使两组双定转子系统实现周向驱动一致，要求筒状外壳的两个端面与中心轴线垂直。
要使双定转子阶梯轴结构盘状行波超声电机正常运转，还应注意驱动电源的连接正确：
(1)要保证双定子的同步运转，一个频率发生模块应与两个驱动电路并联连接，频率发生模块所发生的高频信号，经过两个驱动电路的变换，就成为可同步驱动双定子的驱动信号，从而保证了双定转子阶梯轴结构盘状行波超声电机具有启动停止响应快的特性。
(2)要保证双转子的同向运转，双定子与两路驱动电路的连线方式应反接，双定子所产生的反向行波，在相对倒置的装配位置上，才能形成推动转子同向回转的驱动力。
图8中是本发明的双定转子阶梯轴结构盘状行波超声电机结构示意图，下定子基座与上定子基座固定于筒状外壳的端面上，构成了电机的外部固定结构，电机的外部固定结构通过下止推轴承与上止推轴承限定阶梯轴的轴向位置，构成了电机的内部支撑结构。在电机的外部固定结构和内部支撑结构之间设置有结构特征相同的两组定转子，第一定子由第一压电陶瓷片、第一定子振动体组成，第二定子由第二定子振动体、第二压电陶瓷片组成，两个定子设置于电机的外部固定结构上，而第一转子与第二转子连接于电机的内部支撑结构上，转子的吻合接触面上涂有一层提高摩擦性能的耐磨材料。图9是本发明电机的阶梯轴结构示意图，阶梯轴带有下轴肩、上轴肩和中间轴环，下轴肩装配于下定子基座内的下止推轴承，上轴肩装配于上定子基座内的上止推轴承，装配后的轴向间隙由定位调整垫片消除，轴环端面周向均布有6个60°间隔的螺纹通孔，相应的，第一转子和第二转子均有3个120°间隔的周向均布沉孔，这样，第一转子由螺钉连接固定于轴环下端面，第一转子与阶梯轴轴环下端面之间设置有独立调节第一组定转子预压力的预压力调整垫片，而第二转子由螺钉连接固定于轴环上端面，第二转子与阶梯轴轴环上端面之间设置有独立调节第二组定转子预压力的预压力调整垫片。
由于设置于本发明电机的外部固定结构和内部支撑结构之间的第一组定转子和第二组定转子均能独立运转，图10是本发明电机仅安装第一组定转子的结构示意图，在电机的外部结构和内部支撑结构之间所设置的第一定子与第一转子相配合，通过阶梯轴的两端轴肩，下止推轴承构成了限定阶梯轴沿轴下移的几何约束，上止推轴承承担了定转子预压力并构成了限定阶梯轴沿轴上移的几何约束。反之，当本发明的阶梯轴结构盘状行波超声电机只设置有第二组定转子时，下止推轴承承担了定转子预压力并构成了限定阶梯轴沿轴下移的几何约束，上止推轴承构成了限定阶梯轴沿轴上移的几何约束。
本发明电机的基本尺寸如下：
阶梯轴：轴环直径：Φ22mm；轴肩直径：Φ12mm；轴伸直径：Φ8mm
定子：外径：Φ60mm；内径Φ18mm；高度：5mm；齿数：72个
转子：外径：Φ58mm；内径Φ12mm；高度：4.8mm
外壳：外径：Φ68mm；内径：Φ63mm；高度：26mm
电机：电机主体长度(不含阶梯轴的轴伸部分)：35mm
为了检验本发明电机的性能，下面试验了本发明电机和已有的单定转子盘状行波超声电机(即第一种电机)，由于这两种电机具有一致的端面外形尺寸，用于测试的第一组定转子和第二组定转子在两个实验样机中均可安装运转。图11是实验样机的机械特性曲线图，可以得到如下实验结论：
(1)本发明仅安装一组定转子的情况
对比仅安装有第一组定转子的本发明电机实验曲线b与安装有第一组定转子的第一种电机实验曲线d，两者的负载转矩-转速曲线大体相同，在相同负载转矩的情况下，前者的转速略高于后者的相应转速。这表明，本发明电机不仅完全保留了已有的单定转子盘状旋转行波超声电机(即第一种电机)定转子的变形匹配驱动特性，而且由于改进了输出轴抗外部负载干扰的定位方式，输出性能有所提高。而对比仅安装有第二组定转子的本发明电机实验曲线c与安装有第二组定转子的第一种电机实验曲线e，也有类似的结论。
(2)本发明安装两组定转子的情况
综合分析安装有两组定转子的本发明电机实验曲线a与仅安装有第一组定转子的本发明电机实验曲线b、仅安装有第二组定转子的本发明电机实验曲线c，前者的负载转矩-转速曲线保持稳定，空载转速与后两者大致相同，而堵转力矩为后两者的1.8倍，接近理论上的两倍，而已有的盘状旋转行波超声电机(即第一种电机)的主体长度(不含阶梯轴的轴伸部分)为28mm，则安装有两组定转子本发明电机的转矩体积比达到已有的单定转子盘状旋转行波超声电机(即第一种电机)转矩体积比的1.3～1.5。实验结果表明，本发明电机所提出双定转子阶梯轴结构盘状行波超声电机，从结构上抑制了两个定子在行波驱动转子过程中存在的振动耦合与振动能量传递，保证了超声电机的运转稳定性，消除了组合结构超声电机的非线性叠加因素，使输出力矩提高了接近一倍，由于本发明简化了原有电机的圆罩状外壳结构并省掉了圆罩状外壳内的轴承，使电机结构更加紧凑，转矩体积比明显高于原有的盘状行波超声电机转矩体积比。
Claims (5)
1.一种双定转子阶梯轴结构盘状行波超声电机，其特征在于：包括阶梯轴(54)、通过阶梯轴轴肩定位的下定子基座(56)和上定子基座(64)，下定子基座(56)的上侧固定安装有第一定子(57、58)，上定子基座(64)的下侧固定安装有第二定子(62、63)；上述阶梯轴(54)中部还具有轴环(67)，轴环的下端面固定有第一转子(59)，轴环的上端面固定有第二转子(61)；第一定子(57、58)和第一转子(59)构成第一组驱动源，第二定子(62、63)和第二转子(61)构成第二组驱动源，两组驱动源具有相同的结构特征，共同驱动阶梯轴(54)输出转矩；下定子基座(56)和上定子基座(64)固定于筒状外壳(60)的两端面上。
2.根据权利要求1所述的双定转子阶梯轴结构盘状行波超声电机，其特征在于：上述第一转子(59)上表面和第二转子(61)的下表面均贴有环形阻尼材料。
3.根据权利要求1所述的双定转子阶梯轴结构盘状行波超声电机，其特征在于：上述阶梯轴(54)与下定子基座(56)或上定子基座(64)定位的轴肩部设有消除安装误差的定位调整垫片。
4.根据权利要求1所述的双定转子阶梯轴结构盘状行波超声电机，其特征在于：上述阶梯轴(54)轴环(67)下端面与第一转子(59)之间设置有调节第一组定转子预压力的预压力调整垫片。
5.根据权利要求1所述的双定转子阶梯轴结构盘状行波超声电机，其特征在于：上述阶梯轴(54)轴环(67)上端面与第二转子(61)之间设置有调节第二组定转子预压力的预压力调整垫片。
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