CN104712827A - 一种基于超声电机和复式谐波齿轮传动电动执行机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超声电机和复式谐波齿轮传动电动执行机构，包括：超声电机、波发生器、柔轮、固定刚轮/涡轮、蜗杆、输出刚轮、输出轴和反馈装置，所述超声电机和波发生器相连接，所述刚轮固定在蜗轮上，输出轴位于输出钢轮的外侧，且输出刚轮与柔轮相啮合，所述反馈装置与输出钢轮之间连接，且反馈装置位于所述输出钢轮的底部。通过上述方式，本发明能够提供一种基于超声电机和复式谐波齿轮传动电动执行机构，具有传动比大，传动效率高，传动精度高，体积小，重量轻，以及噪音低，在小口径小转矩的电动装置上有广阔的应用前景。

Description

一种基于超声电机和复式谐波齿轮传动电动执行机构
技术领域
本发明涉及一种电动机构，特别是涉及一种基于超声电机和复式谐波齿轮传动电动执行机构。
背景技术
电动执行机构是一种将机械传动、电动机、控制电路及程序软件有机结合于一体的机电产品，一般来说, 执行器主要实现确定的角位移和线位移。实现角位移的执行器有多回转和部分回转, 实现线位移的为直行程。在电动执行机构的技术方案中中机电传动方案是电动执行机构相关技术的中心内容，不同的驱动电机和传动机构在本质上决定了执行机构性能优劣。
在舰艇、航空航天器、或者其他空间位置受限的工业和民用环境下，某些电动执行机构必须满足高传动效率、高传动精度、低噪音的要求，因此传统的电动执行机构的机电传动方案不再适合，需要一种新的机电传动系统才能满足日益小型化、高精度的需求。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是：如何提供一种具有传动比大，传动效率高 ，传动精度高，体积小，重量轻，以及噪音低，在小口径小转矩的电动装置上有广阔的应用前景。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于超声电机和复式谐波齿轮传动电动执行机构，包括：超声电机、波发生器、柔轮、固定刚轮/涡轮、蜗杆、输出刚轮、输出轴和反馈装置，所述超声电机和波发生器相连接，所述刚轮固定在蜗轮上，输出轴位于输出钢轮的外侧，且输出刚轮与柔轮相啮合，所述反馈装置与输出钢轮之间连接，且反馈装置位于所述输出钢轮的底部。
在本发明一个较佳实施例中，所述基于超声电机和复式谐波齿轮传动电动执行机构还包括感应磁铁、霍尔芯片和控制板，所述控制板位于所述超声电机的外部，且与霍尔芯片性连接，所述霍尔芯片与感应磁铁之间具有空隙。
在本发明一个较佳实施例中，所述反馈装置与感应磁铁之间通信连接，且反馈装置带动感应磁铁转动。
本发明的有益效果是：具有传动比大，传动效率高 ，传动精度高，体积小，重量轻，以及噪音低，在小口径小转矩的电动装置上有广阔的应用前景。
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它的附图，其中：
图1是本发明的一种基于超声电机和复式谐波齿轮传动电动执行机构一较佳实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供如下技术方案。
请参阅图1，在本实施例中提供一种基于超声电机和复式谐波齿轮传动电动执行机构，所述的基于超声电机和复式谐波齿轮传动电动执行机构包括：超声电机1、波发生器2、柔轮3、固定刚轮/涡轮4、蜗杆5、输出刚轮6、输出轴7和反馈装置8，所述超声电机1和波发生器2相连接，所述刚轮固定在蜗轮上，输出轴7位于输出钢轮的外侧，且输出刚轮6与柔轮3相啮合，所述反馈装置8与输出钢轮之间连接，且反馈装置8位于所述输出钢轮的底部。
所述基于超声电机1和复式谐波齿轮传动电动执行机构还包括感应磁铁10、霍尔芯片11和控制板9，所述控制板9位于所述超声电机1的外部，且与霍尔芯片11性连接，所述霍尔芯片11与感应磁铁10之间具有空隙。
所述反馈装置8与感应磁铁10之间通信连接，且反馈装置8带动感应磁铁10转动。
在一个具体实施例中，本发明提出了一种新颖的 基于超声电机1驱动的谐波齿轮传动电动高紧凑型执行机构，采用超声电机1作为电动执行机构的驱动电机、采用谐波齿轮传动机构作为电动执行机构的传动机构。具有结构简单，体积小、传动效率高、传动精度高的优点。
 　 谐波传动Harmonic Drive是由美国发明家C. Walt Musser马瑟于上世纪50年代中期发明创造的 。谐波传动装置主要由三个基本零部件构成，即波发生器2、柔轮3和刚轮：波发生器2：由柔性轴承与椭圆形凸轮组成。波发生器2通常安装在减速器输入端，柔性轴承内圈固定在凸轮上，外圈通过滚珠实现弹性变形成椭圆形。柔轮3：带有外齿圈的柔性薄壁弹性体零件，通常安装在减速器输出端。刚轮：带有内齿圈的刚性圆环状零件，一般比柔轮3多两个轮齿，通常固定在减速器机体上。
作为减速器使用时，通常采用波发生器2主动、刚轮固定、柔轮3输出形式。当波发生器2装入柔轮3内圆时，迫使柔轮3产生弹性变形而呈椭圆状，使其长轴处柔轮3轮齿插入刚轮的轮齿槽内，成为完全啮合状态；而其短轴处两轮轮齿完全不接触，处于脱开状态。由啮合到脱开的过程之间则处于啮出或啮入状态。当波发生器2连续转动时：迫使柔轮3不断产生变形，使两轮轮齿在进行啮入、啮合、啮出、脱开的过程中不断改变各自的工作状态，产生了所谓的错齿运动，从而实现了主动波发生器2与柔轮3的运动传递。
由于谐波齿轮传动优点突出，所以发展非常迅速，已经从航天军事等领域，迅速拓展到民用机械产品领域，如机床，起重机械、冶金、化工机械 电力机械等，随着现代的设计和制造技术的发展，谐波齿轮传动具有普通刚性机械传动无法比拟的优越性，具有传动比大，传动效率高 ，传动精度高，体积小，重量轻，以及噪音低  在小口径 小转矩的电动装置上有广阔的应用前进。
超声电机1(ultrasonic motor，USM)是20世纪80年代发展起来的一种新型电机。与传统的电磁电机不同，没有磁极和绕组，也不依靠电磁相互作用来传递能量，而是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将定子的微观变形通过共振放大和定转子间的摩擦耦合转换成转子(旋转型电机)或动子(直线型电机)的宏观运动。由于超声电机1特殊的工作原理，它具有很多传统电磁电机无法比拟的优越性能，如低速大力矩、响应速度快、保持力矩大和结构简单等优点。超声电机1的优点使得它非常适合于非连续运动的伺服控制及直接驱动。电动执行机构就是其中一种具体的应用场合，虽然和电磁电机相比超声电机1目前的功率容量仍然比较小，但是，由于超声电机1的不断发展，小型超声电机1的扭矩已经达到2.6N.m（江苏春生超声电机1公司），已经满足执行机构对于驱动电机的要求。
谐波齿轮传动输入轴和输出轴7同轴线，阀门电动装置的超声电动机1与谐波齿轮传动组件中的波发生器22相连接，输出刚轮66与谐波齿轮组件上的柔轮33啮合，刚轮6固定在蜗轮上，超声电机1输出的运动和动力通过波发生器22输入，经过谐波齿轮减速增加转矩后，由刚轮6将运动和动力由输出轴77输出。
手动运动经蜗杆5副由固定刚轮4处输入。利用蜗杆5副的自锁性，超声电机11驱动时，该刚轮4固定不动，而当蜗杆5手动驱动时，发生器、柔轮3、刚轮一起运动，实现手动快速驱动。 由于采用了超声电机1作为驱动电机，在输出相同的扭矩情况下，电机的体积大大小于电磁电机，使得整个执行机构的体积大大减小。
反馈装置8使感应磁铁10转动，转速与主轴转速成一定的速比，通过使得控制板9上的霍尔效应芯片产生的脉冲信号分析、处理实现位置的精确控制。
本发明的有益效果是：
（1）、精度高：多齿在两个180度对称位置同时啮合，因此齿轮齿距误差和累积齿距误差对旋转精度的影响较为平均，可得到极高的位置精度和旋转精度；
（2）、传动比大：单级谐波齿轮传动的传动比可达 i=30～500，且结构简单，三个在同轴上的基本零部件就可实现高减速比；
（3）、承载能力高：谐波传动中，齿与齿的啮合是面接触，加上同时啮合齿数比较多，因而单位面积载荷小，承载能力较其他传动形式高；
（4）、体积小、重量轻：相比普通的齿轮装置，体积和重量可以大幅降低，实现小型化、轻量化；
（5）、传动效率高、寿命长，传动平稳、无冲击，噪音小。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于超声电机和复式谐波齿轮传动电动执行机构，其特征在于，包括：超声电机（1）、波发生器（2）、柔轮（3）、固定刚轮/涡轮（4）、蜗杆（5）、输出刚轮（6）、输出轴（7）和反馈装置（8），所述超声电机和波发生器相连接，所述刚轮固定在蜗轮上，输出轴位于输出钢轮的外侧，且输出刚轮与柔轮相啮合，所述反馈装置与输出钢轮之间连接，且反馈装置位于所述输出钢轮的底部。
2.根据权利要求1所述的基于超声电机和复式谐波齿轮传动电动执行机构，其特征在于，所述基于超声电机和复式谐波齿轮传动电动执行机构还包括感应磁铁（10）、霍尔芯片（11）和控制板（9），所述控制板位于所述超声电机的外部，且与霍尔芯片性连接，所述霍尔芯片与感应磁铁之间具有空隙。
3.根据权利要求2所述的基于超声电机和复式谐波齿轮传动电动执行机构，其特征在于，所述反馈装置与感应磁铁之间通信连接，且反馈装置带动感应磁铁转动。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110701372A (zh) * 2019-09-17 2020-01-17 中国船舶重工集团公司第七0七研究所九江分部 一种新型部分回转电动执行器
CN113309889A (zh) * 2021-06-04 2021-08-27 金陵科技学院 一种基于超声电机精确控制液体压力的溢流阀及控制方法

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