CN106374775B - 一种含柔性轴的行波超声电机 - Google Patents
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Abstract
一种含柔性轴的行波超声电机，它涉及一种行波超声电机，以解决现有行波超声电机定子转子接触的均匀性差，电机的运转稳定性差的问题，它包括底座、前角接触球轴承、外壳、柔性轴、后角接触球轴承、定子和转子；外壳和底座可拆卸连接，柔性轴安装在前角接触球轴承和后角接触球轴承上；转子和定子布置在前角接触球轴承和后角接触球轴承之间，转子与壳体相邻设置并且安装在柔性轴的环形凸棱上，定子安装在底座上，转子的轮缘的端面上铺设有与定子接触的一层环形摩擦材料，定子与底座相邻的端面上铺设有环形压电陶瓷层；位于转子和定子之间的柔性轴的轴段上加工有柔性铰链结构或柔性折叠梁结构。本发明用于精密驱动。
Description
技术领域
本发明涉及一种行波超声电机，具体涉及一种含柔性轴的行波超声电机。属于压电驱动技术领域。
背景技术
超声电机是一种利用压电材料的逆压电效应将电能转化为机械能的一种新型微型电机。超声电机的定子通常是由压电陶瓷和金属弹性体组成的特定形状的复合弹性体，通过给压电陶瓷施加超声频率的交流电压实现定子弹性体中同频机械振动的激励，进而在定子表面形成具有驱动作用的运动轨迹，一般情况下质点的运行轨迹为椭圆，通过定子和转子间的摩擦耦合，实现转子宏观运动的输出。与传统电磁电机相比，超声电机具有低速大转矩、响应速度快、无电磁干扰、断电自锁等优点。随着我国航空航天等事业的飞速发展，超声电机的优点越来越受到重视，但同时也对超声电机的运转稳定性提出了更高的要求。因此，研制出具有高运转稳定性的行波超声电机具有十分重要的意义。
公开号为CN201742324U，公开日为2011年02月09日，专利名称为“旋转型行波超声电机”的不足之处在于不具备柔性轴结构，且不能消除下轴承的游隙，使电机的运转稳定性不高。公开号为CN202111634U，公开日为2012年01月11日，专利名称为“螺母调节预压力的旋转型行波超声电机”的发明专利在输出轴上加工有一段螺纹,通过旋转预紧螺母将固联在转轴上的转子向定子的方向拉紧,通过控制预紧螺母在转轴的中心线沿定子的方向移动距离控制定子与转子之间的预压力，其不足之处在于不具备柔性轴结构，如果采用深沟球轴承则轴承的径向游隙难以消除，电机的运转稳定性难以保证；如果采用角接触轴承则定子和转子的相对位置固定，不能自适应调节，难以保证定子面与转子面的紧密均匀接触，降低电机的驱动能力和运转稳定性。公开号为CN105207520A，公开日为2015年12月30日，专利名称为“一种旋转型行波超声电机及其定子与转子预紧方法”，通过弹性挡圈施加预压力，其不足之处在于不具备柔性轴结构，采用的深沟球轴承难以消除轴承游隙，使得电机的运转稳定性难以保证。
发明内容
本发明是为解决现有行波超声电机定子转子接触的均匀性差，电机的运转稳定性差的问题，进而提供一种含柔性轴的行波超声电机。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
方案一：一种含柔性轴的行波超声电机包括底座、前角接触球轴承、柔性轴、外壳、后角接触球轴承、转子和定子；
外壳和底座可拆卸连接，底座上安装有前角接触球轴承，外壳上安装有后角接触球轴承，柔性轴安装在前角接触球轴承和后角接触球轴承上；转子和定子布置在前角接触球轴承和后角接触球轴承之间，转子与壳体相邻设置并且安装在柔性轴的环形凸棱上，定子安装在底座上，转子的轮缘的端面上铺设有与定子接触的一层环形摩擦材料，定子与底座相邻的端面上铺设有环形压电陶瓷层；位于转子和定子之间的柔性轴的轴段上加工有柔性铰链结构或柔性折叠梁结构；
柔性铰链结构主要由柔性轴径向上加工的N个整圈圆弧槽构成，其中N≥1；
折叠梁结构主要由柔性轴径向上加工的交错布置的多个凹槽以及凹槽之间的多个梁构成。
方案二：一种含柔性轴的行波超声电机包括底座、柔性轴、外壳、转子、定子和两个角接触球轴承；
外壳和底座可拆卸连接，底座和外壳相对的侧面上分别安装有一个角接触球轴承，两个角接触球轴承背对背设置，柔性轴的两端分别安装在两个角接触球轴承上，两个角接触球轴承之间布置有转子和定子，转子与外壳相邻设置并且安装在柔性轴的环形凸棱上，定子安装在底座上，转子的轮缘的端面上铺设有与定子接触的一层环形摩擦材料，定子与底座相邻的端面上铺设有环形压电陶瓷层；位于转子和定子之间的柔性轴的轴段上加工有柔性铰链结构或柔性折叠梁结构；
柔性铰链结构主要由柔性轴径向上加工的N个整圈圆弧槽构成，其中N≥1；折叠梁结构主要由柔性轴径向上加工的交错布置的多个凹槽以及凹槽之间的多个梁构成。
本发明与现有技术相比具有以下效果：本发明采用柔性铰链结构和柔性折叠梁结构组成的柔性轴结构，使定子和转子的接触能够自适应轴向的偏载，保证定子和转子均匀接触，并采用角接触轴承消除轴承的游隙，提高了超声电机的运行稳定性，增强了电机的负载能力。柔性铰链结构在弯矩的作用下能够产生一定的变形，能够传递扭矩，免装配，无摩擦磨损。
附图说明
图1为本发明带有柔性铰链结构的超声电机；
图2为本发明带有折叠梁结构的超声电机；
图3为具体实施方式三用预紧螺母预紧前角接触轴承的超声电机；
图4为具体实施方式七用预紧螺母和挡块预紧背对背安装的两个角接触球轴承的超声电机。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-图3说明，本实施方式的一种含柔性轴的行波超声电机，它包括底座1、前角接触球轴承3、柔性轴4、外壳9、后角接触球轴承10、转子12和定子13；
外壳9和底座1可拆卸连接，底座1上安装有前角接触球轴承3，外壳9上安装有后角接触球轴承10，柔性轴4安装在前角接触球轴承3和后角接触球轴承10上；转子12和定子13布置在前角接触球轴承3和后角接触球轴承10之间，转子12与壳体9相邻设置并且安装在柔性轴4的环形凸棱4-1上，定子13安装在底座1上，转子12的轮缘的端面上铺设有与定子13接触的一层环形摩擦材料8，定子13与底座1相邻的端面上铺设有环形压电陶瓷层6；位于转子12和定子13之间的柔性轴4的轴段上加工有柔性铰链结构或柔性折叠梁结构；
柔性铰链结构主要由柔性轴4径向上加工的N个整圈圆弧槽4-2构成，其中N≥1；
折叠梁结构主要由柔性轴4径向上加工的交错布置的多个凹槽4-3以及凹槽4-3之间的多个梁4-4构成。
本实施方式的定子13通过螺钉2与底座1连接，转子12通过螺栓11与外壳9连接，外壳9和底座1通过紧固螺钉7连接。
前角接触球轴承3和后角接触球轴承10单独预紧，保证电机的正常使用。
本实施方式的有益效果是：本实施方式采用柔性铰链结构或折叠梁结构构成柔性轴，实现转子与定子接触的自适应调节，柔性铰链的尺寸由给定工况要求计算得出，折叠梁结构的圆弧槽的深度、宽度与角度由给定要求计算得出，可以避免由于柔性轴两端固定带来转子与定子的接触不均，使定子和转子的接触可以根据接触情况进行自适应调节，增加了电机的运转稳定性。
具体实施方式二：结合图1和图2说明，本实施方式的一种含柔性轴的行波超声电机还包括弹性挡圈5，前角接触球轴承3通过弹性挡圈5将定子13的内环预紧。如此设置，预紧方便可靠，使用简单。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1和图3说明，本实施方式的一种含柔性轴的行波超声电机还包括预紧螺母15，柔性轴4的靠近前角接触球轴承3的轴段为螺纹轴段，预紧螺母15旋拧在螺纹轴段上，前角接触球轴承3通过预紧螺母15将定子13的内环预紧。如此设置，预紧螺母施加预紧力，提高了预压力加载的均匀性，配合柔性轴使用，可以进一步提高电机运转稳定性和负载能力。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图1-图3说明，本实施方式的底座1与前角接触球轴承3过盈配合或过渡配合；外壳9与后角接触球轴承10过盈配合或过渡配合。如此设置，保证前角接触球轴承和后角接触球轴承稳定可靠，提高电机运行运转稳定性。其它与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：结合图1和图3说明，本实施方式的圆弧槽4-1的数量为2个。如此设置，在弯矩的作用下能够产生一定的变形，能够传递扭矩，免装配，无摩擦磨损，保证电机运转稳定可靠。其它与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式的环形摩擦材料8为含油摩擦材料，该含油摩擦材料包括以质量百分比计的如下组分：
聚合物基体：45％-80％；
摩擦调节剂：10％-30％；
碳微米管：1％-30％；
所述的聚合物基体为聚四氟乙烯与聚苯酯、聚酰亚胺或双马来酰胺任意一种的组合；
所述的摩擦调节剂为铜粉、镍粉、氧化铜、二硫化钼、石墨、纳米金刚石粉、碳纤维、玻璃纤维和稀土粉中的一种或几种的组合。
本实施方式以碳微米管为含油载体，可以精确控制摩擦材料的含油量，并提高其含油保持率，不限制含油材料的基体材料种类，可制备出适合不同工况下超声电机用摩擦材料；
该摩擦材料使超声电机的运转平稳、输出力矩大，改善电机再启动性能，大幅提高超声电机的寿命，有效避免经过长期存储后定转子的粘结；提高了超声电机的运转稳定性，增强了电机的负载能力。摩擦系数为0.07-0.18，磨损率为1.0×10-8mm3/Nm-2×10-8mm3/Nm。其它与具体实施方式四相同。
具体实施方式七：结合图4说明，本实施方式的一种含柔性轴的行波超声电机包括底座1、柔性轴4、外壳9、转子12、定子13和两个角接触球轴承14；
外壳9和底座1可拆卸连接，底座1和外壳9相对的侧面上分别安装有一个角接触球轴承14，两个角接触球轴承14背对背设置，柔性轴4的两端分别安装在两个角接触球轴承14上，两个角接触球轴承14之间布置有转子12和定子13，转子12与外壳9相邻设置并且安装在柔性轴4的环形凸棱4-1上，定子13安装在底座1上，转子12的轮缘的端面上铺设有与定子13接触的一层环形摩擦材料8，定子13与底座1相邻的端面上铺设有环形压电陶瓷层6；位于转子12和定子13之间的柔性轴4的轴段上加工有柔性铰链结构或柔性折叠梁结构；柔性铰链结构主要由柔性轴4径向上加工的N个整圈圆弧槽4-2构成，其中N≥1；折叠梁结构主要由柔性轴4径向上加工的交错布置的多个凹槽4-3以及凹槽4-3之间的多个梁4-4构成。
本实施方式的定子13通过螺钉2与底座1连接，转子12通过螺栓11与外壳9连接，外壳9和底座1通过紧固螺钉7连接。本实施方式采用相同规格的两个轴承，并采用背对背配对安装，两个轴承配合使用预紧，保证了电机运转稳定可靠。
本实施方式的有益效果是：本实施方式采用柔性铰链结构或折叠梁结构构成柔性轴，实现转子与定子接触的自适应调节，柔性铰链的尺寸由给定工况要求计算得出，折叠梁结构的圆弧槽的深度、宽度与角度由给定要求计算得出，可以避免由于柔性轴两端固定带来转子与定子的接触不均，使定子和转子的接触可以根据接触情况进行自适应调节，增加了电机的运转稳定性。
具体实施方式八：结合图4说明，本实施方式的一种含柔性轴的行波超声电机还包括预紧螺母15、一号挡块16和二号挡块17；一号挡块16套设在柔性轴4上，一号挡块16与底座1上的角接触球轴承14的内圈相接触，柔性轴4的邻近一号挡块16的轴段上加工有螺纹，预紧螺母15旋拧在螺纹上，柔性轴4的与外壳9相邻的端面加工有螺纹孔，二号挡块17通过旋拧在螺纹孔内的紧顶螺钉固定在柔性轴4上并与角接触球轴承14的内圈相接触。
本实施方式在柔性轴4的前端加工有螺纹，后端加工有螺钉孔，一号挡块16与角接触轴承14的内圈接触，二号挡块17通过紧顶螺钉固定在柔性轴4上与角接触轴承14的内圈接触，拧紧预紧螺母15通过封闭轴系实现定转子间预压力的加载。采用两个角接触球轴承背对背安装，利用封闭轴系给定转子施加预压力，提高了预压力加载的均匀性，配合柔性轴使用，可以进一步提高电机运转稳定性和负载能力。其它与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式的环形摩擦材料8为含油摩擦材料，该含油摩擦材料包括以质量百分比计的如下组分：
聚合物基体：45％-80％；摩擦调节剂：10％-30％；碳微米管：1％-30％；
所述的聚合物基体为聚四氟乙烯与聚苯酯、聚酰亚胺或双马来酰胺任意一种的组合；
所述的摩擦调节剂为铜粉、镍粉、氧化铜、二硫化钼、石墨、纳米金刚石粉、碳纤维、玻璃纤维和稀土粉中的一种或几种的组合。
本实施方式以碳微米管为含油载体，可以精确控制摩擦材料的含油量，并提高其含油保持率，不限制含油材料的基体材料种类，可制备出适合不同工况下超声电机用摩擦材料；
该摩擦材料使超声电机的运转平稳、输出力矩大，改善电机再启动性能，大幅提高超声电机的寿命，有效避免经过长期存储后定转子的粘结；提高了超声电机的运转稳定性，增强了电机的负载能力。摩擦系数为0.07-0.18，磨损率为1.2×10-8mm3/Nm-2×10-8mm3/Nm。其它与具体实施方式八相同。
Claims (9)
1.一种含柔性轴的行波超声电机，其特征在于：它包括底座(1)、前角接触球轴承(3)、柔性轴(4)、外壳(9)、后角接触球轴承(10)、转子(12)和定子(13)；
外壳(9)和底座(1)可拆卸连接，底座(1)上安装有前角接触球轴承(3)，外壳(9)上安装有后角接触球轴承(10)，柔性轴(4)安装在前角接触球轴承(3)和后角接触球轴承(10)上；转子(12)和定子(13)布置在前角接触球轴承(3)和后角接触球轴承(10)之间，转子(12)与壳体(9)相邻设置并且安装在柔性轴(4)的环形凸棱(4-1)上，定子(13)安装在底座(1)上，转子(12)的轮缘的端面上铺设有与定子(13)接触的一层环形摩擦材料(8)，定子(13)与底座(1)相邻的端面上铺设有环形压电陶瓷层(6)；位于转子(12)和定子(13)之间的柔性轴(4)的轴段上加工有柔性铰链结构或柔性折叠梁结构；
柔性铰链结构主要由柔性轴(4)径向上加工的N个整圈圆弧槽(4-2)构成，其中N≥1；
折叠梁结构主要由柔性轴(4)径向上加工的交错布置的多个凹槽(4-3)以及凹槽(4-3)之间的多个梁(4-4)构成。
2.根据权利要求1所述的一种含柔性轴的行波超声电机，其特征在于：它还包括弹性挡圈(5)，前角接触球轴承(3)通过弹性挡圈(5)将定子(13)的内环预紧。
3.根据权利要求1所述的一种含柔性轴的行波超声电机，其特征在于：它还包括预紧螺母(15)，柔性轴(4)的靠近前角接触球轴承(3)的轴段为螺纹轴段，预紧螺母(15)旋拧在螺纹轴段上，前角接触球轴承(3)通过预紧螺母(15)将定子(12)的内环预紧。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种含柔性轴的行波超声电机，其特征在于：底座(1)与前角接触球轴承(3)过盈配合或过渡配合；外壳(9)与后角接触球轴承(10)过盈配合或过渡配合。
5.根据权利要求4所述的一种含柔性轴的行波超声电机，其特征在于：圆弧槽(4-2)的数量为2个。
6.根据权利要求4所述的一种含柔性轴的行波超声电机，其特征在于：环形摩擦材料(8)为含油摩擦材料，该含油摩擦材料包括以质量百分比计的如下组分：
聚合物基体：45％-80％；
摩擦调节剂：10％-30％；
碳微米管：1％-30％；
所述的聚合物基体为聚四氟乙烯与聚苯酯、聚酰亚胺或双马来酰胺任意一种的组合；
所述的摩擦调节剂为铜粉、镍粉、氧化铜、二硫化钼、石墨、纳米金刚石粉、碳纤维、玻璃纤维和稀土粉中的一种或几种的组合。
7.一种含柔性轴的行波超声电机，其特征在于：它包括底座(1)、柔性轴(4)、外壳(9)、转子(12)、定子(13)和两个角接触球轴承(14)；
外壳(9)和底座(1)可拆卸连接，底座(1)和外壳(9)相对的侧面上分别安装有一个角接触球轴承(14)，两个角接触球轴承(14)背对背设置，柔性轴(4)的两端分别安装在两个角接触球轴承(14)上，两个角接触球轴承(14)之间布置有转子(12)和定子(13)，转子(12)与外壳(9)相邻设置并且安装在柔性轴(4)的环形凸棱(4-1)上，定子(13)安装在底座(1)上，转子(12)的轮缘的端面上铺设有与定子(13)接触的一层环形摩擦材料(8)，定子(13)与底座(1)相邻的端面上铺设有环形压电陶瓷层(6)；位于转子(12)和定子(13)之间的柔性轴(4)的轴段上加工有柔性铰链结构或柔性折叠梁结构；
柔性铰链结构主要由柔性轴(4)径向上加工的N个整圈圆弧槽(4-2)构成，其中N≥1；
折叠梁结构主要由柔性轴(4)径向上加工的交错布置的多个凹槽(4-3)以及凹槽(4-3)之间的多个梁(4-4)构成。
8.根据权利要求7所述的一种含柔性轴的行波超声电机，其特征在于：它还包括预紧螺母(15)、一号挡块(16)和二号挡块(17)；一号挡块(16)套设在柔性轴(4)上，一号挡块(16)与底座(1)上的角接触球轴承(14)的内圈相接触，柔性轴(4)的邻近一号挡块(16)的轴段上加工有螺纹，预紧螺母(15)旋拧在螺纹上，柔性轴(4)的与外壳(9)相邻的端面加工有螺纹孔，二号挡块(17)通过旋拧在螺纹孔内的预紧螺钉固定在柔性轴(4)上并与角接触球轴承(14)的内圈相接触。
9.根据权利要求8所述的一种含柔性轴的行波超声电机，其特征在于：环形摩擦材料(8)为含油摩擦材料，该含油摩擦材料包括以质量百分比计的如下组分：
聚合物基体：45％-80％；
摩擦调节剂：10％-30％；
碳微米管：1％-30％；
所述的聚合物基体为聚四氟乙烯与聚苯酯、聚酰亚胺或双马来酰胺任意一种的组合；
所述的摩擦调节剂为铜粉、镍粉、氧化铜、二硫化钼、石墨、纳米金刚石粉、碳纤维、玻璃纤维和稀土粉中的一种或几种的组合。
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