CN110380642B - 一种并联复合型双输出轴旋转超声波电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联复合型双输出轴旋转超声波电机，它包括：一个基座(61)，该基座用于安装V振子、预压力机构和输出轴；四个V振子(41)；两个预压力螺栓(91)；四个与预压力螺栓配合的套筒(71)；四个弹簧(81)；两个轴(11)；两个轴承(31)；两个端盖(21)；一个壳体(101)；壳体内有一摩擦材料层，为摩擦层(51)。该电机通过V振子触头做椭圆运动，与摩擦层摩擦产生驱动力。本发明的原理及结构简单，该旋转电机具有输出力矩大、运行平稳性好等特点。

Description

一种并联复合型双输出轴旋转超声波电机

技术领域

本发明涉及一种超声波电机，尤其是一种通过V振子并联设计而成的旋转超声波电机，属于超声波电机领域。

背景技术

与传统电磁电机相比，超声波电机不依靠电磁介质来传递能量，而是利用压电陶瓷的逆压电效应，通过不同振动模式(伸缩/弯曲/扭转)的转换与耦合，将材料的微观变形通过共振放大和摩擦耦合转换成振子或滑块的宏观运动，并且电机工作时也不容易受到电磁场的干扰。目前多数旋转超声波电机存在输出力矩不大的缺陷，以兰杰文振子为基础设计的V型直线超声波电机具有推力大的优点，若将V振子用来作为旋转型超声波电机的转子，那么该旋转超声波电机同样会获得较大的扭矩。专利【CN201210433818.3】提出了一种使用多个并联的V振子驱动的旋转超声波电机，但不足之处在于V振子触头作用于动子上(即输出轴上)，而轴的径向尺寸必然很小，这就造成力臂短，输出扭矩小的问题。

发明内容

基于以上所提出的问题，发明了一种V振子并联，通过V振子触头与电机壳体摩擦层的摩擦驱动转子旋转，优点在于整个电机尺寸较小时，力臂较长，输出力矩大。

本发明的技术方案为：一种并联复合型双输出轴旋转超声波电机，包括一个基座(61)，该基座用于安装V振子、预压力机构和输出轴；该基座(61)为类圆柱体，类圆柱体分为上下两层，上层和下层水平方向均开有非圆形通孔，上层和下层的非圆形通孔在空间上呈90°，上层和下层水平方向均开有槽，上层的非圆形通孔和上层的槽呈90°，下层的非圆形通孔和下层的槽呈90°；上层和下层的非圆形通孔上分别安装V振子夹持部件，V振子夹持部件与V振子相连；

基座(61)上下两端面设置有四个沿基座轴线环形阵列的螺纹孔，均可与带有法兰的上下两个输出轴相连接；

上层的非圆形通孔与上层的槽相交处设置有预压力机构，该预压力机构沿通孔方向设置，该预压力机构两端分别和V振子夹持部件接触；该预压力机构包括预压力螺栓，预压力螺栓两端的螺纹套筒，以及两端螺纹套筒最外侧的压缩弹簧；

该电机通过V振子接入相应的激励信号后触头做椭圆运动，触头与摩擦层摩擦产生驱动力，实现电机的稳定输出。

进一步，V振子的选型自由，四个V振子共分为两层布置，每一层有两个V振子背向放置，四个V振子在平面的投影呈90°。

进一步，两个输出轴均套有轴承，轴承固定于端盖(21)上，端盖(21)和壳体(101)形成电机内腔，壳体(101)与其内部的V振子触头之间设置有摩擦层(51)。

进一步，所述预压力螺栓为双头螺栓，螺栓两端的螺纹旋向相反，螺栓中部为一突起的正六边形柱体，便于转动螺栓调节预压力的大小。

进一步，所述螺纹套筒后部为方形，能够与基座配合限制除非圆形通孔轴向自由度外的所有自由度。

进一步，所述预压力螺栓旋转推动套筒向前运动，挤压弹簧，弹簧另一端与V振子夹持部件接触，V振子触头与摩擦层材料接触，实现施加预压力的过程。

进一步，所述V振子夹持部件(22)，与V振子的两夹心换能器配合，装配位置是夹心换能器的纵振节面处，V振子夹持部件(22)外伸的一段截面为非圆形，与基座的非圆形通孔配合。

本发明具有以下技术效果：

基于本发明的核心部件基座，解决了多个V振子并联驱动时预压力施加困难的问题，相比于行波超声波电机，本发明具有更高的输出力矩和转速，且该装置便于施加预压力，每层的两个V振子在受力不均时会自动移动平衡压力差，保证在同一平面的两V振子触头与摩擦层的接触压力相同，使得电机运行平稳性好。V振子并联结构使得每个V振子具有相同的激励频率，并联效率得以提高。

综上所述，本发明具有原理简单、结构紧凑、并联效率高、扭矩输出大、输出性能稳定等特点。

附图说明

图1是本发明的装配示意图。

图2是装配图中基座部分(111)的局部放大图。

图3是本发明的转子结构示意图。

图4是本发明的基座与预压力螺栓、螺纹套筒的三维装配示意图。

图5是本发明所选V振子及夹持装置示意图。

图6是单个V振子信号加载示意图。

图7是本发明V振子两夹心换能器角度与触头形成椭圆运动类型的关系图。(a)为扁长椭圆轨迹；(b)为矮胖椭圆轨迹。

图中标号名称：(11)为输出轴，(21)为端盖，(31)为轴承，(41)为V振子，(51)为摩擦层，(61)为基座，(71)为螺纹套筒，(81)为弹簧，(91)为预压力螺栓，(101)为壳体；图3中(411)、(412)、(413)、(414)分别为四个V振子的编号，(22)为V振子夹持部件；(72)、(73)分别为扁长和矮胖椭圆轨迹；(111)为基座部分。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。示例实施例可以以许多不同的形式实施，并不能解释为局限于在这里提出的实施例。附图仅为说明本实施例，并不是按照比例绘制。

本发明的一种并联复合型双输出轴旋转超声波电机，包括一个基座(61)，该基座用于安装V振子、预压力机构和输出轴；该基座(61)为类圆柱体，类圆柱体分为上下两层，上层和下层水平方向均开有非圆形通孔，上层和下层的非圆形通孔在空间上呈90°，上层和下层水平方向均开有槽，上层的非圆形通孔和上层的槽呈90°，下层的非圆形通孔和下层的槽呈90°；上层和下层的非圆形通孔上分别安装V振子夹持部件，V振子夹持部件与V振子相连；

基座(61)上下两端面设置有四个沿基座轴线环形阵列的螺纹孔，均可与带有法兰的上下两个输出轴相连接；

上层的非圆形通孔与上层的槽相交处设置有预压力机构，该预压力机构沿通孔方向设置，该预压力机构两端分别和V振子夹持部件接触；该预压力机构包括预压力螺栓，预压力螺栓两端的螺纹套筒，以及两端螺纹套筒最外侧的压缩弹簧；

该电机通过V振子接入相应的激励信号后触头做椭圆运动，触头与摩擦层摩擦产生驱动力，实现电机的稳定输出。

本实施例的装配示意图如图1-2所示，包括转子和定子，所述转子如图3所示，所述转子由基座、预压力装置和V振子装配而成，基座如图4所示，V振子如图5所示，每个V振子独立安装，且每个V振子都是相同规格，V振子的选择是自由的，可选用不同规格的V振子进而设计整个电机，基座安装孔为非正圆型孔(本发明使用了方孔)，目的是限制除V振子触头与摩擦层接触的法向方向以外的自由度，旋拧螺栓施加预压力时，两V振子和预压力装置在安装孔的孔向自由度不受限制，所以两V振子在受力不均时会自动移动平衡压力差，保证在同一平面的两V振子触头与摩擦层的接触压力相同。

所述转子在放入电机壳体之前，预压力螺栓处于放松状态，所以转子容易放置到本身该处于的正确位置，随后旋拧螺栓，套筒压缩弹簧，使V振子触头与摩擦层产生正压力，进而可保证转子保持自身的正确位置，然后通过螺栓将输出轴固定于基座的两端，最后固定端盖，即完成整个电机的装配。

如图3所示，所述转子由一个基座、四个V振子、两套预压力装置构成，其中四个V振子共分为两层布置，每一层有两个V振子背向放置，四个V振子在平面的投影呈90°；所述定子是一圆筒外壳，内壁有一层摩擦材料；所述输出轴为两个，通过螺栓紧固在基座两端，形成双输出轴旋转电机。

所述V振子采用同频激励的并联激励方式。可同频同相激励四个V振子，使四个V振子同时产生驱动力。也可不同时激励四个V振子，只同时激励在同一层的两个V振子，且两层的的激励信号相位差为180°。

实施例一

此实施例中，四个V振子不同时产生驱动力，采用上层两个V振子触头与摩擦层接触产生驱动力时，下层两个V振子触头不与摩擦层接触，反之亦然。若调整V振子A、B两相激励信号相位差为-90°，可实现电机的反转。如图3所示转子的四个V振子，每个V振子的两夹心换能器分为A、B两相，如图6所示，此实施例中(411)、(413)号振子A、B相接入相位差为90°的简谐激励信号，(412)、(414)号振子A相接入与(414)、(413)号振子A相的相位差为180°的简谐激励信号，(412)、(414)号振子B相接入与(411)、(413)号振子B相的相位差为180°的简谐激励信号。

实施例二

此实施例中，四个V振子同时产生驱动力，每个V振子的激励信号完全相同，即同频同相。若调整V振子A、B两相激励信号相位差为-90°，可实现电机的反转。如图3所示转子的四个V振子，(411)、(412)、(413)、(414)号振子A、B相接入相位差为90°的简谐激励信号。

实施例三

此实施例中，通过改变V振子两夹心换能器之间的夹角大小，可控制V振子触头形成椭圆运动的形态。当夹角小于90°时，V振子触头形成的椭圆为扁长形，如图7(a)所示，(72)为触头的运动轨迹，是扁长椭圆形，触头与摩擦层接触的法向方向振幅大，所以触头与摩擦层摩擦时可产生较大的摩擦力，使得电机的输出扭矩大。

实施例四

此实施例中，当V振子两夹心换能器之间的夹角大于90°时，V振子触头形成的椭圆为矮胖形，如图7(b)所示，(73)为触头的运动轨迹，是矮胖椭圆形，触头与摩擦层接触的切向方向振幅大，电机可获得较高的转速。

实施例五

此实施例中，V振子的尺寸规格既定，改变输入信号的电压幅值，V振子触头运动轨迹(72)会随之改变，即振子触头振幅改变，实现通过激励电压幅值变化来调控电机输出性能，尤其是输出扭矩和转速。

实施例六

此实施例中，V振子的尺寸规格既定，改变V振子两相激励电压相位差调控椭圆轨迹形状和大小，进而改变V振子触头的振幅，最终实现通过电压相位差调控电机输出的输出性能，尤其是输出扭矩和转速。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种并联复合型双输出轴旋转超声波电机，其特征在于：包括一个基座(61)，该基座用于安装V振子、预压力机构和输出轴；该基座(61)为类圆柱体，类圆柱体分为上下两层，上层和下层水平方向均开有非圆形通孔，上层和下层的非圆形通孔在空间上呈90°，上层和下层水平方向均开有槽，上层的非圆形通孔和上层的槽呈90°，下层的非圆形通孔和下层的槽呈90°；上层和下层的非圆形通孔上分别安装V振子夹持部件，V振子夹持部件与V振子相连；每个V振子由两个夹心换能器组成，振子端部为触头，两个夹心换能器以触头位置为顶点呈V字形夹角，且夹角的大小可以改变；

基座(61)上下两端面设置有四个沿基座轴线环形阵列的螺纹孔，均可与带有法兰的上下两个输出轴相连接；

上层的非圆形通孔与上层的槽相交处设置有预压力机构，该预压力机构沿通孔方向设置，该预压力机构两端分别和V振子夹持部件接触；该预压力机构包括预压力螺栓，预压力螺栓两端的螺纹套筒，以及两端螺纹套筒最外侧的压缩弹簧；

该电机通过V振子接入相应的激励信号后触头做椭圆运动，触头与摩擦层摩擦产生驱动力，实现电机的稳定输出；

四个V振子共分为两层布置，每一层有两个V振子背向放置，四个V振子在平面的投影呈90°；

两个输出轴均套有轴承，轴承固定于端盖(21)上，端盖(21)和壳体(101)形成电机内腔，壳体(101)与其内部的V振子触头之间设置有摩擦层(51)；

所述V振子夹持部件(22)，与V振子的两夹心换能器配合，装配位置是夹心换能器的纵振节面处，V振子夹持部件(22)外伸的一段截面为非圆形，与基座的非圆形通孔配合；

转子由基座、N个V振子、一套预压力装置构成，其中V振子的夹持部件(22)插入基座(61)侧面的非圆形通孔中，同层V振子连同夹持部件(22)沿基座轴线共面阵列。

2.根据权利要求1所述的一种并联复合型双输出轴旋转超声波电机，其特征在于：所述预压力螺栓为双头螺栓，螺栓两端的螺纹旋向相反，螺栓中部为一突起的正六边形柱体，便于转动螺栓调节预压力的大小。

3.根据权利要求1所述的一种并联复合型双输出轴旋转超声波电机，其特征在于：所述螺纹套筒后部为方形，能够与基座配合限制除非圆形通孔轴向自由度外的所有自由度。

4.根据权利要求1所述的一种并联复合型双输出轴旋转超声波电机，其特征在于：所述预压力螺栓旋转推动套筒向前运动，挤压弹簧，弹簧另一端与V振子夹持部件接触，V振子触头与摩擦层材料接触，实现施加预压力的过程。

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