CN108111054A - 一种双弹性异形结构预紧的旋转型超声波电机 - Google Patents

Abstract

一种双弹性异形结构预紧的旋转型超声波电机，包括第一锁紧螺母、第一弹性元件、第二锁紧螺母、第二弹性元件、转子、摩擦材料、定子、压电陶瓷、右壳体、输出轴、轴承、隔套和第三锁紧螺母；由传统单预紧结构优化为双预紧独立结构，转子内外侧单独轴向预紧加载，外侧采用第一锁紧螺母和第一弹性元件轴向加载预紧，内侧采用第二锁紧螺母和第二弹性元件轴向加载预紧，可以根据传递的扭矩载荷、电机运行工况和环境调节转子内侧和外侧的预紧力，操作方便，通过锁紧螺母与输出轴螺纹配合实现不同预紧控制。

Description

一种双弹性异形结构预紧的旋转型超声波电机

技术领域

本发明涉及一种双弹性异形结构预紧的旋转型超声波电机，属于电机技术领域。

背景技术

超声波电机(USM，Ultrasonic Motor)，突破了传统电磁电机的概念，它利用压电陶瓷逆压电效应和超声振动，将定子微观变形通过共振放大和摩擦耦合转换成动子的宏观运动。

传统的电磁型电机由于工作原理和结构的限制，难以当前宇宙飞船、人造卫星、飞机、运载火箭等国防产品以及其他电子设备、精密仪器等对电机所提出的短、小、薄、低噪声、无电磁干扰等要求。为此，世界各国都在探索其他新型电机。其中，超声波电机算是最典型的一种。它采用全新的原理和全新的结构。它不需要磁铁和线圈，而是利用压电材料的逆压电效应和超声振动直接获得运动和力矩。它打破了迄今为止由电磁效应获得转速和转矩的电机的概念，是处于当前学科前沿的高新技术之一。超声波电机具有电磁型电机所没有的许多特点：(1)结构简单、紧凑、转矩/重量比大(是传统电机的3～10倍)，可以实现电机的短、小、薄。(2)低速大转矩，无需齿轮减速机构，可实现直接驱动，大大减小由齿轮箱所增加的体积、振动、噪声、能量损耗和传动误差。(3)运动部件(转子)的惯性小，响应快(毫秒级)。(4)断电自锁，且能就地停止不动。(5)速度和位置控制性好，分辨率高。开环条件下，旋转步进电机步距能达到0.01度。(6)不产生磁场，亦不受外界磁场干扰，电磁兼容性好。(7)低噪声运行。(8)可在较苛刻的环境下工作，如真空、低温能达到零下100℃。(9)容易做成直线型超声波电机。(10)形状可以多样化：圆的、方的、空心的、杆状的等。正由它具有以上的特点，超声波电机技术在20世纪得到迅速的发展，并在航空航天、机器人、汽车、精密定位仪、微型机械等领域里已得到成功的应用。

超声波电机定子与转子之间通过摩擦材料进行传递扭矩，摩擦传动影响因素较大的是轴向预紧力。常用的方法是通过对定子径向内侧施加预紧力并传递至摩擦材料和定子之间，该方法问题是在对转子施加预紧力时转子端面变形，径向方向上内侧接触紧密，预紧力通过转子腹板传递后沿着摩擦材料径向方向由内而外逐渐减小，因此无法均匀地将力传递至转子与定子接触界面，同时电机运行中随着零件热胀冷缩时定子产生变形从而使预紧压力在径向上变化较大，无法实现均匀稳定输出负载能力等。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种双弹性异形结构预紧的旋转型超声波电机，引入双弹性异形结构预紧，实现定子在轴向上内侧与外侧分别预紧，同时设计异形结构实现对摩擦材料径向上均匀加载，同时内侧与外侧调节预紧力互不干扰，以适应更多的复杂工况。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种双弹性异形结构预紧的旋转型超声波电机，包括第一锁紧螺母、第一弹性元件、第二锁紧螺母、第二弹性元件、转子、摩擦材料、定子、压电陶瓷、右壳体、输出轴、轴承、隔套和第三锁紧螺母；

所述输出轴为阶梯形柱状，从输出轴的一端到另一端依次设有左端螺纹、多边形轴、第一圆柱面、台阶面、第二圆柱面和右端螺纹；

所述轴承套装在输出轴的第二圆柱面的两端，隔套套装在输出轴的第二圆柱面的中部；所述隔套位于两端的轴承之间；第三锁紧螺母安装在输出轴的右端螺纹上，第三锁紧螺母用于输出轴、轴承和隔套的紧固连接；所述右壳体为桶状，右壳体的底部设有通孔和凸缘，将上述输出轴、轴承、隔套和第三锁紧螺母整体装入右壳体内，输出轴的左端螺纹、多边形轴和第一圆柱面由右壳体的底部通孔穿出；

所述定子为阶梯状圆筒，套装在输出轴的第一圆柱面上，定子的一端与右壳体的端面连接；所述转子为柱状，转子的内部设有阶梯状通孔，转子套装在输出轴的多边形轴上；所述摩擦材料固定在转子上，与定子的一个端面接触；所述压电陶瓷安装在定子上靠近右壳体的阶梯状端面上；

所述第二弹性元件为弹簧状，套装在输出轴的左端螺纹上；第二锁紧螺母安装在输出轴的左端螺纹上，用于第二弹性元件和转子的紧固连接；所述第一弹性元件为阶梯状喇叭形，套装在输出轴的左端螺纹上；第一锁紧螺母安装在输出轴的左端螺纹上，用于第一弹性元件和转子的紧固连接。

上述双弹性异形结构预紧的旋转型超声波电机，所述第一弹性元件的外径与转子的外径之比为0.8～1。

上述双弹性异形结构预紧的旋转型超声波电机，所述第一弹性元件为3～9层阶梯状的喇叭形。

上述双弹性异形结构预紧的旋转型超声波电机，所述第一弹性元件受外力压缩时，半径较小的阶梯缩进半径较大的阶梯内。

上述双弹性异形结构预紧的旋转型超声波电机，所述第一弹性元件的喇叭形的锥度为30°～80°。

上述双弹性异形结构预紧的旋转型超声波电机，所述第一弹性元件为金属材料；所述第二弹性元件为金属材料。

上述双弹性异形结构预紧的旋转型超声波电机，所述第二弹性元件与转子接触的端面为平面。

上述双弹性异形结构预紧的旋转型超声波电机，所述第二弹性元件的尺寸和刚度均小于第一弹性元件。

上述双弹性异形结构预紧的旋转型超声波电机，所述转子的中心设有多边形通孔，转子的多边形通孔卡在所述多边形轴上。

上述双弹性异形结构预紧的旋转型超声波电机，所述旋转型超声波电机还包括左壳体，左壳体与右壳体连接，左壳体用于对第一锁紧螺母、第一弹性元件、第二锁紧螺母、第二弹性元件、转子、摩擦材料、定子和压电陶瓷的防护。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明结构合理、预紧针对性强，由传统单预紧结构优化为双预紧独立结构，转子内外侧单独轴向预紧加载，外侧采用第一锁紧螺母和第一弹性元件轴向加载预紧，内侧采用第二锁紧螺母和第二弹性元件轴向加载预紧，可以根据传递的扭矩载荷、电机运行工况和环境调节转子内侧和外侧的预紧力，操作方便，通过锁紧螺母与输出轴螺纹配合实现不同预紧控制；

(2)本发明转子通过内孔与输出轴外圆多边形连接，转子内孔与输出轴外圆根据电机工况环境和需求设计成不同间隙，可适应高低温环境工况；

(3)本发明第一弹性元件与转子的接触面设置成锥面或近似锥面结构，在转子径向上外侧到内侧预紧力变化由大到小，以实现第二弹性元件对转子预紧径向加载传递至摩擦界面从外侧到内侧预紧力变化由小到大不平均的补偿；

(4)本发明通过改变第一弹性元件的结构形式，以实现对转子与摩擦界面不同预紧加载，同时可以适应多种工况条件，即本发明适应于多种压电陶瓷类型的电机预紧；

(5)本发明能够实现不同要求的超声波电机的内侧和外侧独立稳定预紧加载，保证电机持续稳定输出力矩。

附图说明

图1为本发明旋转型超声波电机的组成剖视图；

图2为本发明输出轴的结构示意图；

图3为本发明转子的结构示意图；

图4为本发明第二弹性元件的结构示意图；

图5为本发明第一弹性元件的结构示意图；

图6为本发明第一锁紧螺母的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

图1为本发明旋转型超声波电机的组成剖视图。双弹性异形结构预紧的旋转型超声波电机，包括：第一锁紧螺母1、第一弹性元件2、第二锁紧螺母3、第二弹性元件4、转子5、摩擦材料6、定子7、压电陶瓷8、左壳体9、右壳体10、输出轴11、轴承12、隔套13和第三锁紧螺母14。

本发明电机的工作原理是利用压电陶瓷逆压电效应和超声振动，将定子7微观变形通过共振放大和摩擦耦合转换成转子5的宏观运动。具体为电机通电后，压电陶瓷8通过逆压电效应产生超声振动，并与定子7形成共振，定子7振动通过与定子7接触的摩擦材料6传递给转子5，在本发明的第一弹性元件2稳定压紧作用下形成稳定的转动，最后通过转子5腹板将力矩传递给输出轴11，在第二弹性元件4作用下，转子5与输出轴11之间能够实现紧密贴合，并适应电机热胀冷缩的温度变化工况。

输出轴11为阶梯形柱状，如图2所示，从输出轴11的一端到另一端依次设有左端螺纹11-1、多边形轴11-2、第一圆柱面11-3、台阶面11-4、第二圆柱面11-5和右端螺纹11-6。

轴承12套装在输出轴11的第二圆柱面11-5的两端，隔套13套装在输出轴11的第二圆柱面11-5的中部；隔套13位于两端的轴承12之间；第三锁紧螺母14安装在输出轴11的右端螺纹11-6上，第三锁紧螺母14用于输出轴11、轴承12和隔套13的紧固连接；第三锁紧螺母14产生的轴向预紧力是通过第三锁紧螺母14的左端面与右侧轴承12的右端面、右侧轴承12的左端面与隔套13右端面、隔套13左端面与左侧轴承12的右端面、左侧轴承12的左端面与输出轴11台阶面11-4传递，预紧力在输出轴11上闭环，实现了第三锁紧螺母14、2个轴承12、隔套13、输出轴11的轴向限位，根据工况要求可以调节对轴承12的轴向限位力。

右壳体10为桶状，右壳体10的底部设有通孔和凸缘，将上述输出轴11、轴承12、隔套13和第三锁紧螺母14整体装入右壳体10内，输出轴11的左端螺纹11-1、多边形轴11-2和第一圆柱面11-3由右壳体10的底部通孔穿出；

定子7为阶梯状圆筒，套装在输出轴11的第一圆柱面11-3上，定子7的一端与右壳体10的端面连接，本实施例中定子7和右壳体10通过螺栓连接；转子5为柱状，转子5的内部设有阶梯状通孔，转子5的中心通孔为多边形，如图3所示，转子5的多边形通孔卡在所述多边形轴11-2上。转子5的多边形通孔与输出轴11的多边形轴11-2可根据工况条件设置成不同间隙。

转子5套装在输出轴11的多边形轴11-2上；摩擦材料6固定在转子5上，与定子7的一个端面接触，通过接触面摩擦传递扭矩；压电陶瓷8安装在定子7上靠近右壳体10的阶梯状端面上，本实施例中压电陶瓷8和定子7通过胶粘接固定。

第二弹性元件4为弹簧状，如图4所示，套装在输出轴11的左端螺纹11-1上；第二锁紧螺母3安装在输出轴11的左端螺纹11-1上，用于第二弹性元件4和转子5的紧固连接。第二弹性元件4接触转子5的端面为平面。第二弹性元件4为金属材料，本实施例中采用弹簧钢材料。在第二锁紧螺母3轴向预紧加载偏大时，轴向力直接传递至输出轴11的第一圆柱面11-3上，实现轴向力在输出轴11上闭环，防止对转子5、摩擦材料6和定子7之间轴向压力过大，起到保护效果。通过第二锁紧螺母3端部加压使得第二弹性元件4的另一端与转子5的端面径向内侧接触，对转子5轴向进行加载和限位。

第二弹性元件4在尺寸和刚度相对第一弹性元件2较小，实现对转子5内侧轴向限位，第二弹性元件4施加在转子5端面作用力传递至转子5端面外侧时在径向上由外侧到内侧是逐渐增大，转子5与定子7之间预紧力最终效果是2个弹性元件加载后在径向上叠加成相对稳定的状态，防止转子5与定子7之间局部接触磨损加快，寿命降低，同时保证转子5端部摩擦材料6与定子7良好接触实现稳定输出力矩。

第一弹性元件2为3～9层阶梯状喇叭形，本实施例中为5层，喇叭形的锥度为30°～80°，本实例中为60°，如图5所示；第一弹性元件2套装在输出轴11的左端螺纹11-1上；第一锁紧螺母1安装在输出轴11的左端螺纹11-1上，用于第一弹性元件2和转子5的紧固连接。第一弹性元件2的外径与转子5的外径之比为0.8～1，本实施例中的比值为0.9。第一弹性元件2受外力压缩时，半径较小的阶梯缩进半径较大的阶梯内。第一弹性元件2为金属材料，本实施例中采用弹簧钢材料。通过第一锁紧螺母1的端部，本实施例中采用弹簧钢材料加压第一弹性元件2的另一端与转子5的端面径向外侧接触，转子5传递实现摩擦材料6与定子7端面在径向外侧接触，传递预紧转子的轴向力。第一锁紧螺母1设置有凹槽对第一弹性元件2起到周向和轴向固定，如图6所示。在第一锁紧螺母1拧紧过程中使得第一弹性元件2的大端面外侧先与转子端面接触，再逐渐加载过程中使整个锥面与转子5端面贴合，该结构形式使得第一弹性元件2施加在转子5端面作用力在径向上由外侧到内侧为均匀状态。

旋转型超声波电机还包括左壳体9，左壳体9与右壳体10连接，形成一个相对封闭的空间，用于保护第一锁紧螺母1、第一弹性元件2、第二锁紧螺母3、第二弹性元件4、转子5、摩擦材料6、定子7和压电陶瓷8。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种双弹性异形结构预紧的旋转型超声波电机，其特征在于：包括第一锁紧螺母(1)、第一弹性元件(2)、第二锁紧螺母(3)、第二弹性元件(4)、转子(5)、摩擦材料(6)、定子(7)、压电陶瓷(8)、右壳体(10)、输出轴(11)、轴承(12)、隔套(13)和第三锁紧螺母(14)；

所述输出轴(11)为阶梯形柱状，从输出轴(11)的一端到另一端依次设有左端螺纹(11-1)、多边形轴(11-2)、第一圆柱面(11-3)、台阶面(11-4)、第二圆柱面(11-5)和右端螺纹(11-6)；

所述轴承(12)套装在输出轴(11)的第二圆柱面(11-5)的两端，隔套(13)套装在输出轴(11)的第二圆柱面(11-5)的中部；所述隔套(13)位于两端的轴承(12)之间；第三锁紧螺母(14)安装在输出轴(11)的右端螺纹(11-6)上，第三锁紧螺母(14)用于输出轴(11)、轴承(12)和隔套(13)的紧固连接；所述右壳体(10)为桶状，右壳体(10)的底部设有通孔和凸缘，将上述输出轴(11)、轴承(12)、隔套(13)和第三锁紧螺母(14)整体装入右壳体(10)内，输出轴(11)的左端螺纹(11-1)、多边形轴(11-2)和第一圆柱面(11-3)由右壳体(10)的底部通孔穿出；

所述定子(7)为阶梯状圆筒，套装在输出轴(11)的第一圆柱面(11-3)上，定子(7)的一端与右壳体(10)的端面连接；所述转子(5)为柱状，转子(5)的内部设有阶梯状通孔，转子(5)套装在输出轴(11)的多边形轴(11-2)上；所述摩擦材料(6)固定在转子(5)上，与定子(7)的一个端面接触；所述压电陶瓷(8)安装在定子(7)上靠近右壳体(10)的阶梯状端面上；

所述第二弹性元件(4)为弹簧状，套装在输出轴(11)的左端螺纹(11-1)上；第二锁紧螺母(3)安装在输出轴(11)的左端螺纹(11-1)上，用于第二弹性元件(4)和转子(5)的紧固连接；所述第一弹性元件(2)为阶梯状喇叭形，套装在输出轴(11)的左端螺纹(11-1)上；第一锁紧螺母(1)安装在输出轴(11)的左端螺纹(11-1)上，用于第一弹性元件(2)和转子(5)的紧固连接。

2.根据权利要求1所述的一种双弹性异形结构预紧的旋转型超声波电机，其特征在于：所述第一弹性元件(2)的外径与转子(5)的外径之比为0.8～1。

3.根据权利要求1所述的一种双弹性异形结构预紧的旋转型超声波电机，其特征在于：所述第一弹性元件(2)为3～9层阶梯状的喇叭形。

4.根据权利要求1所述的一种双弹性异形结构预紧的旋转型超声波电机，其特征在于：所述第一弹性元件(2)受外力压缩时，半径较小的阶梯缩进半径较大的阶梯内。

5.根据权利要求1所述的一种双弹性异形结构预紧的旋转型超声波电机，其特征在于：所述第一弹性元件(2)的喇叭形的锥度为30°～80°。

6.根据权利要求1～5之一所述的一种双弹性异形结构预紧的旋转型超声波电机，其特征在于：所述第一弹性元件(2)为金属材料；所述第二弹性元件(4)为金属材料。

7.根据权利要求1～5之一所述的一种双弹性异形结构预紧的旋转型超声波电机，其特征在于：所述第二弹性元件(4)与转子(5)接触的端面为平面。

8.根据权利要求1～5之一所述的一种双弹性异形结构预紧的旋转型超声波电机，其特征在于：所述第二弹性元件(4)的尺寸和刚度均小于第一弹性元件(2)。

9.根据权利要求1～5之一所述的一种双弹性异形结构预紧的旋转型超声波电机，其特征在于：所述转子(5)的中心设有多边形通孔，转子(5)的多边形通孔卡在所述多边形轴(11-2)上。

10.根据权利要求1～5之一所述的一种双弹性异形结构预紧的旋转型超声波电机，其特征在于：所述旋转型超声波电机还包括左壳体(9)，左壳体(9)与右壳体(10)连接，左壳体(9)用于对第一锁紧螺母(1)、第一弹性元件(2)、第二锁紧螺母(3)、第二弹性元件(4)、转子(5)、摩擦材料(6)、定子(7)和压电陶瓷(8)的防护。