CN108199616A - 一种准零刚度复合转子超声电机 - Google Patents

Abstract

一种准零刚度复合转子超声电机，它包括压电陶瓷（4）、定子（3）、转动轴（7）和转子（2），其特征是所述的转子（2）为准零刚度复合转子，该准零刚度复合转子由转盘（16）、机械弹簧（17）、内磁力弹簧和外磁力弹簧及上端盖（12）组成。本发明创造性将静态的准零刚度隔振技术应用于超声电机，使超声电机转子预压力技术调节获得了重大突破。同时本发明根据超声电机的特点对准零刚度隔振器进行改进，使之适合于动态运行。

Description

一种准零刚度复合转子超声电机

技术领域

本发明涉及一种超声电机，尤其是一种结合了准零刚度技术的超声电机，具体地说是一种准零刚度复合转子超声电机。

背景技术

超声电机是一种全新概念的微特电机，是利用压电材料的逆压电效应，激发超声频率的振动，并通过定、转子之间的摩擦作用产生旋转（直线）运动，输出功率，驱动负载。超声电机具有结构紧凑、低速大转矩、响应速度快、可直接驱动负载等优点，在微型机器人、汽车、航空航天、精密定位仪、光学仪器、内窥镜及武器装备等领域具有广阔的应用前景。

超声电机定、转子之间的接触传动是超声电机系统中非常重要的传递过程，它决定着电机最后的输出特性。影响超声电机定转子接触状态主要有定、转子接触界面摩擦材料的特性和定、转子之间的预压力，因此预压力的施加方式对于电机的性能影响至关重要。之前采用刚性转子的超声电机采用碟簧施加预压力，但是碟簧可能会受到外部冲击载荷或者自身应力松弛的影响，预压力可能会发生改变，随之电机的性能也发生变化，后来为了使转子随着定子的振动而变形，增大定、转子之间的接触，超声电机的转子采用柔性结构，预压力通过电机的装配施加，但是同样受到外部环境的影响，转子发生一定的形变，施加在定转子间的预压力与变形位移量呈线性关系，电机的性能就可能有不确定的改变。之前所授权的一些关于超声电机预压力调节的专利，虽然能达到主动控制预压力的变化，但是当超声电机受到外部环境因素的影响，可靠性就可能下降，如果能够设计出具有零刚度特性并且零刚度均匀性较好的转子，就能保持在高冲击载荷环境下定转子之间的预压力处于正常工作预压力状态，保证超声电机的正常运作。

发明内容

本发明的目的是针对现有的超声电机转子采用刚性和柔性施压方式均验证以保证定转子之间实现良好接触的问题，尤其是在受到冲击载荷作用时，定、转子之间的接触应力会发生突破且难以快速抵消的问题，设计一种准零刚度复合转子超声电机，以实现电机在高冲击过后能够保持在正常预压力状态下工作。

本发明的技术方案是：

一种准零刚度复合转子超声电机，它包括压电陶瓷4、定子3、转动轴7和转子2，压电陶瓷4安装在定子的一个端面上，定子的另一个端面与转子2相抵，转子2安装在转动轴7上，其特征是所述的转子2为准零刚度复合转子，该准零刚度复合转子由转盘16、机械弹簧17、内磁力弹簧和外磁力弹簧及上端盖12组成，转盘16的中心设有供转动轴7通过的方形孔，转动轴7对应部位也呈方形结构，以便转动轴既能在转盘中作轴向窜动又能在转盘16的带动下转动；转盘16的底面与定子3相啮合产生转动力，转盘16的另一面与机械弹簧17的一端相连，机械弹簧17产生弹力以转子2与定子3保持设定的压力，机械弹簧17的另一端与外磁力弹簧的一端相低，外磁力弹簧的另一端与上端盖12相连，上端盖12通过压套10实现其在转动轴7上的轴向定位；内磁力弹簧通过一端的调节螺母18和转动轴7上的台阶面固定在转动轴7上，调节压套10在转动轴上的位置，使内磁力弹簧和外磁力弹簧复合产生的负刚度与机械弹簧产生的正刚度相匹配，使转子2在转动过程中既与定子3保持设定的啮合力又能在受到外界冲击时自动抵消所受的冲击载荷。

所述的压套10通过螺纹旋装在转动轴7上。

所述的内磁力弹簧由内永磁铁20、内套筒21和底盖19组成，内永磁铁20套装在内套筒21中，内永磁铁20又套装在转动轴7上，内套筒21的上端面与转动轴7上的台界面相抵，底盖19安装在内套筒21的下端面上，底盖19在转动轴7上的位置由旋装在转动轴上的调节螺母18确定。

所述的外磁力弹簧由外套筒15和内永磁铁15组成，内永磁铁15安装在外套筒14中，外套筒14的下端与机械弹簧17的一端相连，外套筒14的上端与上端盖12固定相连，上端盖12的中心设有方形槽以便转子既能沿轴向小幅移动又能在上端盖的带动下转动。

所述的转动轴7上设有标记线22，标记线22与上端盖12的下表面重合时，转子2的内永磁铁20就正对于外永磁铁15，两永磁铁中截面重合实现磁力弹簧负刚度，并联正刚度机械弹簧，转子处于零刚度工作状态。

所述的机械弹簧17的上表面焊接固定在在外套筒14下表面的凹槽内，机械弹簧17的下表面焊接固定在转盘16上表面的凹槽内，机械弹簧与内、外磁力弹性在轴向方向上并联实现零刚度特性。

所述的转动轴7的轴肩与内套筒21上端之间添加有能改变内永磁铁20中心截面的位置以使内外永磁体中心截面重合的橡胶垫片。

所述的上端盖12和外套筒14之间加装有调节垫圈13。

所述的内永磁铁20和外永磁铁15均为径向辐射充磁的磁瓦，且充磁方向相反，采用磁瓦拼接方式代替环形磁铁。

所述的内永磁铁20和外永磁铁15的材料为汝铁硼，其他电机部件材料均为非导磁性或弱导磁性材料。

本发明的有益效果：

本发明创造性将静态的准零刚度隔振技术应用于超声电机，使超声电机转子预压力技术调节获得了重大突破。同时本发明根据超声电机的特点对准零刚度隔振器进行改进，使之适合于动态运行。此外：

（1）本发明可通过设计复合转子2中的内永磁铁20和外永磁铁15的高度、厚度及内外永磁铁之间的间隙等几何参数，使得该复合转子能在两永磁铁中截面重合的平衡位置附近的较大区域内产生很大的负刚度，且负刚度的均匀性较好。因此，该复合转子能够抵抗较大幅值的高冲击载荷。

（2）本发明，复合转子2处于平衡位置，若内永磁铁20和外永磁铁15的中截面重合，负刚度的特性最好；若沿轴向方向，内永磁铁20偏离外永磁铁15较多，就不能达到准零刚度转子的效果。不同型号的超声电机施加的预压力不同，转子的形变也不同，两磁环的中截面就会偏离理论工作位置。本发明克服这一缺点，转动轴7套筒下端的调节螺母18具有调节距离的功能。对于不同使用情况的超声电机，可以提前通过调节调节螺母18和适当地在内套筒21与转动轴7的方形阶梯轴之间加装调节垫片，使得内永磁铁20和外永磁铁15中截面重合，零刚度转子处于理想的工作状态。

（3）由于辐射充磁的环形永磁铁加工困难，成本高，可采用径向充磁的磁瓦拼接的方式代替环形永磁铁，结构简单。

（4）本发明的复合转子2的上端盖12的方形槽利于超声电机受到轴向冲击，在轴向方向有一定的可动位移，并在周向方向能由转动轴带动旋转。

（5）本发明的超声电机定转子之间的预压力通过螺纹连接在转动轴7的压套10施加，可以较准确的施加电机正常工作预压力。

总之，本发明所提出的准零刚度转子的超声电机，对于较大幅值的冲击载荷都有很好的抗载效果，可以应用在制导炮弹、光学仪器（电子显微镜、激光干涉仪等）、精密加工设备（精密镗床、磨床进刀系统）、微型机器人、医疗器械、办公自动化设备等高新技术领域。而且，本发明提出的采用准零刚度转子的超声电机结构简单，装拆方便，可靠性高。

附图说明

图1为本发明准零刚度转子超声电机的剖视示意图。

图2为超声电机准零刚度转子的剖视图。

图3为磁瓦拼接的内永磁铁示意图。

图4为零刚度转子的刚度—位移图。

图5是本发明的工作原理示意图。

图中：1.电机外壳，2.复合转子，3.定子，4.压电陶瓷，5.电机底座，6.轴承压套，7.转动轴，8.下轴承，9.摩擦层，10.压套，11.上轴承，12.上端盖，13.调节垫圈，14.外套筒，15.外永磁铁，16.转盘,17.机械弹簧，18.调节螺母，19.底盖，20.内永磁铁，21.内套筒，22.标记线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-5所示。

一种准零刚度复合转子超声电机，它包括压电陶瓷4、定子3、转动轴7和转子2，压电陶瓷4安装在定子的一个端面上，定子的另一个端面与转子2相抵，转子2安装在转动轴7上，如图1所示，所述的转子2为准零刚度复合转子，如图2所示，该准零刚度复合转子由转盘16、机械弹簧17、内磁力弹簧和外磁力弹簧及上端盖12组成，转盘16的中心设有供转动轴7通过的方形孔，转动轴7对应部位也呈方形结构，以便转动轴既能在转盘中作轴向窜动又能在转盘16的带动下转动；转盘16的底面与定子3相啮合产生转动力，转盘16的另一面与机械弹簧17的一端相连，机械弹簧17产生弹力以转子2与定子3保持设定的压力，机械弹簧17的另一端与外磁力弹簧的一端相低，外磁力弹簧的另一端与上端盖12相连，上端盖12通过压套10实现其在转动轴7上的轴向定位；内磁力弹簧通过一端的调节螺母18和转动轴7上的台阶面固定在转动轴7上，压套10通过螺纹旋装在转动轴7上，调节压套10在转动轴上的位置，使内磁力弹簧和外磁力弹簧复合产生的负刚度与机械弹簧产生的正刚度相匹配，使转子2在转动过程中既与定子3保持设定的啮合力又能在受到外界冲击时自动抵消所受的冲击载荷。所述的内磁力弹簧由内永磁铁20、内套筒21和底盖19组成，内永磁铁20套装在内套筒21中，内永磁铁20又套装在转动轴7上，内套筒21的上端面与转动轴7上的台界面相抵，底盖19安装在内套筒21的下端面上，底盖19在转动轴7上的位置由旋装在转动轴上的调节螺母18确定。所述的外磁力弹簧由外套筒15和内永磁铁15组成，内永磁铁15安装在外套筒14中，外套筒14的下端与机械弹簧17的一端相连，外套筒14的上端与上端盖12固定相连。所述的转动轴7上设有标记线22，标记线22与上端盖12的下表面重合时，转子2的内永磁铁20就正对于外永磁铁15，两永磁铁中截面重合实现磁力弹簧负刚度，并联正刚度机械弹簧，转子处于零刚度工作状态。所述的机械弹簧17的上表面焊接固定在在外套筒14下表面的凹槽内，机械弹簧17的下表面焊接固定在转盘16上表面的凹槽内，机械弹簧与内、外磁力弹性在轴向方向上并联实现零刚度特性。所述的转动轴7的轴肩与内套筒21上端之间添加有能改变内永磁铁20中心截面的位置以使内外永磁体中心截面重合的橡胶垫片。所述的上端盖12和外套筒14之间加装有调节垫圈13。所述的内永磁铁20和外永磁铁15均为径向辐射充磁的磁瓦，且充磁方向相反，采用磁瓦拼接方式代替环形磁铁。所述的内永磁铁20和外永磁铁15的材料为汝铁硼，其他电机部件材料均为非导磁性或弱导磁性材料。

详述如下：

如图1所示，一种零刚度转子超声电机，包括电机外壳1、转子2、定子3、压电陶瓷4、电机底座5、轴承压套6、转动轴7、下轴承8、摩擦层9、压套10、上轴承11，定子3通过机械螺丝固定在电机底座5上，定子3的下表面与压电陶瓷4相粘结，定子3的上齿状驱动面与转子2下表面粘贴的摩擦层9接触，转子2上端面通过螺纹连接在转动轴7的压套10进行固定并施加预压力，上轴承11通过过盈配合和转动轴7的轴肩固定在电机外壳1的圆槽内，转动轴7与上轴承11过盈配合，穿过转子2的方形槽，与其间隙配合，并穿过定子3中心及设有下轴承8的电机底座5的中心并露在电机底座5外，下轴承8通过轴承压套6和转动轴7的轴肩进行内外圈固定，电机外壳1与电机底座5通过机械螺钉固连，压电陶瓷4通电使得定子3的上齿状驱动面产生行波，通过定、转子间的摩擦力驱动转子2转动。

所述的转子2由磁力弹簧、机械弹簧和转盘构成，磁力弹簧部分包括外套筒14和内套筒21，外套筒14的内部放置外永磁铁15，上端盖12和外套筒14通过调节垫圈13进行对外永磁铁15轴向固定，外套筒14与上端盖12通过螺钉固连，内套筒21内装有内永磁铁20，底盖19将内永磁铁20固定在内套筒21中，转动轴7位于内套筒21下部的位置通过细牙螺纹连接有调节螺母18，通过调节螺母18和转动轴7的方形轴肩将内部固定有内永磁铁20的内套筒21固定在转动轴7上，机械弹簧17的上表面焊接固定在在外套筒14下表面的凹槽内，机械弹簧17的下表面焊接固定在转盘16上表面的凹槽内，转动轴7套入上端盖12的方形滑动槽内，穿过内套筒21的中心，再穿过转盘16的方形槽，与其间隙配合，转动轴7上的标记线22用于表征内永磁铁20相对于外永磁铁15的位置，当标记线22与上端盖12的下表面重合时，内永磁铁20就正对于外永磁铁15，零刚度复合转子2就处于正常的工作状态。

如图2所示，所述的转动轴7的标记线22,与上端盖22的下表面重合时，复合转子2的内永磁铁20就正对于外永磁铁15，两永磁铁中截面重合实现磁力弹簧负刚度，并联正刚度机械弹簧，转子处于零刚度工作状态，将本发明的采用环形永磁铁产生负刚度的零刚度复合转子代替之前的柔性转子将其装配到圆盘型旋转行波超声电机中，利用压电陶瓷的压电陶瓷激发定子的振动产生行波，在零刚度转子施加一定的预压力，利用定转子之间的摩擦运动转化成转子的转动。

如图2所示，所述的机械弹簧17的上表面焊接固定在在外套筒14下表面的凹槽内，机械弹簧17的下表面焊接固定在转盘16上表面的凹槽内，机械弹簧与磁力弹簧在轴向方向上并联实现零刚度特性。

如图3所示，所述的复合转子2的上端盖12设置的方形槽和转盘16的方形槽利于超声电机受到轴向冲击，在轴向方向有一定的可动位移，并在周向方向能由转动轴带动旋转。上端盖12的方形槽套装在转动轴7上对应的方轴段，而压套10从转动轴7的方轴段上方的圆柱螺纹段旋入抵住上端盖12，上端盖在压套和机械弹簧的弹力作用下定位在转动轴7上。

由于辐射充磁的环形永磁铁加工困难，价格高，可采用径向充磁的磁瓦拼接而成，如图4所示磁瓦拼接的内永磁铁示意图。本发明内永磁铁20和外永磁铁15采用径向充磁的磁瓦拼接的方式形成，代替环形磁铁。由于磁瓦的斥力作用，用磁瓦拼接成完整的环形磁铁很困难，故磁瓦间允许存在间隙，不需要拼接成完整的环形磁铁。

作为本发明的优选实施方式，所述的内永磁铁20和外永磁铁15的材料为汝铁硼。

作为本发明的优选实施方式，除内永磁铁20和外永磁铁15外，所述准零刚度转子超声电机的其他零部件均为非导磁性或弱导磁性材料。所述非导磁性或弱导磁性材料为硬铝。

本发明的工作原理如下：如附图5所示，在内外永磁铁中截面重合的平衡位置附近，由两个永磁铁构成的磁力弹簧产生很大的负刚度；并联机械弹簧后，转子在平衡位置处的刚度很小，接近于零。因此转子的动刚度很小，在收到强冲击载荷，能保持施加在转子的预压力不变。当转子处于静止状态，内永磁铁20和外永磁铁15的中截面重合，由于对称性，外永磁铁15对内永磁铁20沿轴向的磁力为零，因此磁力弹簧不会影响转子的承载能力。

具体实施时，将采用环形永磁铁产生负刚度的磁力弹簧与正刚度机械弹簧并联实现零刚度转子的超声电机这一点在权利的保护范围内。对于本技术领域内的普通技术人员来说，在不脱离本发明方法和原理的前提下，还可做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种准零刚度复合转子超声电机，它包括压电陶瓷（4）、定子（3）、转动轴（7）和转子（2），压电陶瓷（4）安装在定子的一个端面上，定子的另一个端面与转子（2）相抵，转子（2）安装在转动轴（7）上，其特征是所述的转子（2）为准零刚度复合转子，该准零刚度复合转子由转盘（16）、机械弹簧（17）、内磁力弹簧和外磁力弹簧及上端盖（12）组成，转盘（16）的中心设有供转动轴（7）通过的方形孔，转动轴（7）对应部位也呈方形结构，以便转动轴既能在转盘中作轴向窜动又能在转盘（16）的带动下转动；转盘（16）的底面与定子（3）相啮合产生转动力，转盘（16）的另一面与机械弹簧（17）的一端相连，机械弹簧（17）产生弹力以转子（2）与定子（3）保持设定的压力，机械弹簧（17）的另一端与外磁力弹簧的一端相低，外磁力弹簧的另一端与上端盖（12）相连，上端盖（12）通过压套（10）实现其在转动轴（7）上的轴向定位；内磁力弹簧通过一端的调节螺母（18）和转动轴（7）上的台阶面固定在转动轴（7）上，调节压套（10）在转动轴上的位置，使内磁力弹簧和外磁力弹簧复合产生的负刚度与机械弹簧产生的正刚度相匹配，使转子（2）在转动过程中既与定子（3）保持设定的啮合力又能在受到外界冲击时自动抵消所受的冲击载荷。

2.根据权利要求1所述的准零刚度复合转子超声电机，其特征是所述的压套（10）通过螺纹旋装在转动轴（7）上。

3.根据权利要求1所述的准零刚度复合转子超声电机，其特征是所述的内磁力弹簧由内永磁铁（20）、内套筒（21）和底盖（19）组成，内永磁铁（20）套装在内套筒（21）中，内永磁铁（20）又套装在转动轴（7）上，内套筒（21）的上端面与转动轴（7）上的台界面相抵，底盖（19）安装在内套筒（21）的下端面上，底盖（19）在转动轴（7）上的位置由旋装在转动轴上的调节螺母（18）确定。

4.根据权利要求1所述的准零刚度复合转子超声电机，其特征是所述的外磁力弹簧由外套筒（15）和内永磁铁（15）组成，内永磁铁（15）安装在外套筒（14）中，外套筒（14）的下端与机械弹簧（17）的一端相连，外套筒（14）的上端与上端盖（12）固定相连；上端盖（12）的中心设有方形槽以便转子既能沿轴向小幅移动又能在上端盖的带动下转动。

5.根据权利要求1所述的准零刚度复合转子超声电机，其特征是所述的转动轴（7）上设有标记线（22），标记线（22）与上端盖（12）的下表面重合时，转子（2）的内永磁铁（20）就正对于外永磁铁（15），两永磁铁中截面重合实现磁力弹簧负刚度，并联正刚度机械弹簧，转子处于零刚度工作状态。

6.根据权利要求4所述的准零刚度复合转子超声电机，其特征是所述的机械弹簧（17）的上表面焊接固定在在外套筒（14）下表面的凹槽内，机械弹簧（17）的下表面焊接固定在转盘（16）上表面的凹槽内，机械弹簧与内、外磁力弹性在轴向方向上并联实现零刚度特性。

7.根据权利要求1所述的准零刚度复合转子超声电机，其特征是所述的转动轴（7）的轴肩与内套筒（21）上端之间添加有能改变内永磁铁（20）中心截面的位置以使内外永磁体中心截面重合的橡胶垫片。

8.根据权利要求1所述的准零刚度复合转子超声电机，其特征是所述的上端盖（12）和外套筒（14）之间加装有调节垫圈（13）。

9.根据权利要求3或4所述的准零刚度复合转子超声电机，其特征是所述的内永磁铁（20）和外永磁铁（15）均为径向辐射充磁的磁瓦，且充磁方向相反，采用磁瓦拼接方式代替环形磁铁。

10.根据权利要求9所述的准零刚度复合转子超声电机，其特征是所述的内永磁铁（20）和外永磁铁（15）的材料为汝铁硼，其他电机部件材料均为非导磁性或弱导磁性材料。