CN112671157A - 复合材料传动的一体化直线作动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合材料传动的一体化直线作动器，其包括：永磁同步电机壳体；输出轴，前段具有外花键或平键，后段具有外螺纹；构成永磁同步电机转子的前半转轴、螺纹柱、后半转轴、轴套以及永磁体，前半转轴、螺纹柱以及后半转轴依次相连接后设置在轴套内并套设在输出轴上；永磁体周向设置在轴套的外周面上；螺纹柱采用复合材料制成并具有内螺纹，并与输出轴后段的外螺纹相配合，组成螺纹副；永磁同步电机定子；前套筒；花键块，花键块采用复合材料制成；花键块嵌设在前套筒内并与前套筒固定连接，花键块内部加工有内花键或平键槽，与外花键或平键相配合，组成花键副或平键副。本发明具有小型化、大推力输出、高功重比、低功耗推力保持的特点。

Description

复合材料传动的一体化直线作动器

技术领域

本发明涉及机电伺服作动器技术领域，尤其涉及一种复合材料传动的一体化直线作动器。

背景技术

直线作动器广泛应用于工业领域各种民用、军用驱动/执行装置，常见的有液压直线作动器、电动直线作动器等，相比于液压直线作动器，电动直线作动器具有使用简单、易维护的优点，尤其在小型直线作动器领域，优势更为明显。现有的电动直线作动器主要以滚珠(柱)丝杠和螺纹副作为传动原件。受限于滚珠丝杠与滚柱丝杠尺寸，直线作动器难以小型化，且不具备自锁功能，推力保持工况下功耗较大。同时丝杠导程很难减小且涉及滚道、滚珠(柱)等加工复杂，导致此种直线作动器精度低、价格高。虽然传统螺纹副能够实现自锁功能，且加工难度小，成本低，易于传动机构小型化设计，但存在传动效率低，输出力小等缺点。

发明内容

本发明提供了一种复合材料传动的一体化直线作动器，能够解决现有技术技术问题。

本发明的技术解决方案为：本发明提供一种复合材料传动的一体化直线作动器，该一体化直线作动器包括：

永磁同步电机壳体；

输出轴，输出轴穿设在所述永磁同步电机壳体上，所述输出轴前段具有外花键或平键，所述输出轴后段具有外螺纹；

构成永磁同步电机转子的前半转轴、螺纹柱、后半转轴、轴套以及永磁体，其中，永磁同步电机转子设置在永磁同步电机壳体内，构成永磁同步电机转子的前半转轴、螺纹柱以及后半转轴依次相连接后设置在所述轴套内并套设在所述输出轴上；所述永磁体周向设置在所述轴套的外周面上；所述螺纹柱采用复合材料制成并具有内螺纹，并与输出轴后段的外螺纹相配合，组成螺纹副；

永磁同步电机定子，套设在永磁同步电机转子上并设置在所述永磁同步电机壳体内；

前套筒，前套筒与永磁同步电机壳体第一端固定连接并套设在输出轴上；

花键块，花键块采用复合材料制成；花键块嵌设在前套筒内并与前套筒固定连接，花键块内部加工有内花键或平键槽，与所述输出轴前段具有的外花键或平键相配合，组成花键副或平键副，使输出轴直线输出；

所述直线作动器工作过程包括：电机收到位置信号后永磁体带动轴套转动，进而带动前半转轴、后半转轴转动，最后带动螺纹柱共同转动；螺纹柱通过螺纹副驱动、花键副或平键副导向将旋转运动转化为输出轴的直线运动，输出轴直线输出；运动到位后，一体化直线作动器通过螺纹自锁承受负载。

进一步地，一体化直线作动器还包括旋转变压器，旋转变压器设置在永磁同步电机壳体外并套设在后半转轴上，其具有旋转变压器转子和定子，旋转变压器转子与后半转轴固定连接，旋转变压器定子和永磁同步电机壳体的与第一端相背设置的第二端固定连接，其中，一体化直线作动器工作时，后半转轴带动旋转变压器转子转动，旋转变压器输出反馈信号，以实现闭环控制。

进一步地，一体化直线作动器还包括后套筒，旋转变压器设置在所述后套筒内且旋转变压器定子还与后套筒固定连接。

进一步地，一体化直线作动器还包括第一轴承和第二轴承，第一轴承位于永磁同步电机壳体内且套设在前半转轴上；第二轴承位于永磁同步电机壳体内且套设在后半转轴上。

进一步地，第一轴承和第二轴承均包括角接触轴承。

进一步地，一体化直线作动器还包括轴向挡圈，轴向挡圈设置安装在输出轴中间，用于输出轴的轴向限位。

进一步地，所述输出轴后段的外螺纹和螺纹柱的内螺纹的螺纹形式均为梯形螺纹或三角螺纹。

进一步地，旋转变压器转子与后半转轴通过双锁紧螺母固定连接。

进一步地，前半转轴、后半转轴与轴套均为过盈配合或胶接。

应用本发明的技术方案，提供了一种复合材料传动的一体化直线作动器，通过采用永磁同步电机(壳体+永磁同步电机定子和转子)+螺纹传动副+直线移动副高度一体化设计、基于复合材料设计螺纹柱和花键块，大幅度提高了直线作动器功重比，实现了小型化和大推力输出；利用螺纹副作为主要传动形式，使作动器具备自锁功能，可提供无功耗力矩保持；螺纹柱和花键块采用复合材料材料制成，在保证强度的前提下能够提高传动效率与螺纹副、花键副使用寿命；复合材料螺纹柱通过夹心形式结构固定在永磁同步电机转子中间，降低加工难度的同时利用两端金属提高整体强度。综上，本发明提供的一种复合材料传动的一体化直线作动器，具有小型化、大推力输出、高功重比、低功耗推力保持的特点，可广泛应用于对直线作动器可靠性、功重比、维护性等要求极高的航空航天等领域。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。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他的附图。

图1示出了根据本发明的具体实施例提供的一种复合材料传动的一体化直线作动器结构示意图；

图2示出了根据本发明的具体实施例提供的一种复合材料传动的一体化直线作动器转子装配示意图；

其中，上述附图包括以下附图标记：

1.壳体主体，2.端盖，3.永磁同步电机定子，4.螺纹柱，5.前半转轴，6.后半转轴，7.轴套，8.永磁体，9.前套筒，10.花键块，11.联接销，12.后套筒，13.输出轴，14.旋转变压器，15a.第一轴承，15b.第二轴承，16.锁紧螺母，17.轴向挡圈。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种复合材料传动的一体化直线作动器，该一体化直线作动器包括：永磁同步电机壳体；输出轴13；构成永磁同步电机转子的前半转轴5、螺纹柱4、后半转轴6、轴套7以及永磁体8；永磁同步电机定子3；永磁同步电机定子3；前套筒9；花键块10；其中，输出轴13穿设在所述永磁同步电机壳体上，所述输出轴13前段具有外花键或平键，所述输出轴13后段具有外螺纹；永磁同步电机转子设置在永磁同步电机壳体内，构成永磁同步电机转子的前半转轴5、螺纹柱4以及后半转轴6依次相连接后设置在所述轴套7内并套设在所述输出轴13上；所述永磁体8周向设置在所述轴套7的外周面上；所述螺纹柱4采用复合材料制成并具有内螺纹，并与输出轴13后段的外螺纹相配合，组成螺纹副；永磁同步电机定子3套设在永磁同步电机转子上并设置在所述永磁同步电机壳体内；前套筒9与永磁同步电机壳体第一端固定连接并套设在输出轴13上；花键块10采用复合材料制成；花键块10嵌设在前套筒9内并与前套筒9固定连接，花键块10内部加工有内花键或平键槽，与所述输出轴13前段具有的外花键或平键相配合，组成花键副或平键副，使输出轴13直线输出；所述直线作动器工作过程包括：电机收到位置信号后永磁体8带动轴套7转动，进而带动前半转轴5、后半转轴6转动，最后带动螺纹柱4共同转动；螺纹柱4通过螺纹副驱动、花键副或平键副导向将旋转运动转化为输出轴13的直线运动，输出轴13直线输出；运动到位后，一体化直线作动器通过螺纹自锁承受负载。

可见，利用前半转轴5、后半转轴6与轴套7通过夹心式结构将加工有内螺纹的螺纹柱4固定在转子中，轴套7上镶有永磁体8，即电机转子作为螺纹传动副中螺母，利用螺纹副作为主要传动形式，使作动器具备自锁功能，可提供无功耗力矩保持；同时，输出轴13后段为外螺纹，与螺纹柱4内螺纹配合，前段为外花键或平键，与花键块10内花键或平键槽配合，花键块10通过固定在前套筒9上，前套筒9固定在壳体上，即输出轴13既为螺纹传动副中螺杆，同时完成对自身旋转的限制，实现旋转到直线的输出形式转换。

应用此种配置方式，提供了一种复合材料传动的一体化直线作动器，通过采用永磁同步电机(壳体+永磁同步电机定子和转子)+螺纹传动副+直线移动副高度一体化设计、基于复合材料设计螺纹柱4和花键块10，大幅度提高了直线作动器功重比，实现了小型化和大推力输出；利用螺纹副作为主要传动形式，使作动器具备自锁功能，可提供无功耗力矩保持；螺纹柱4和花键块10采用复合材料材料制成，在保证强度的前提下能够提高传动效率与螺纹副、花键副使用寿命；复合材料螺纹柱4通过夹心形式结构固定在永磁同步电机转子中间，降低加工难度的同时利用两端金属提高整体强度。综上，本发明提供的一种复合材料传动的一体化直线作动器，具有小型化、大推力输出、高功重比、低功耗推力保持的特点，可广泛应用于对直线作动器可靠性、功重比、维护性等要求极高的航空航天等领域。

可选的，如图1所示，花键块10插入前套筒9前段并周向均匀使用联接销11将二者固连。

可选的，如图2所示，前半转轴5、螺纹柱4、后半转轴6通过各自端面凹槽依次连接在一起，然后共同装入轴套7内孔中，轴套7上周向均匀开槽装入永磁体8。

优选的，前半转轴5、后半转轴6材料为金属材料，以增加转子刚度(也即复合材料螺纹柱4通过夹心形式结构固定在金属结构中间，降低加工难度的同时利用两端金属提高整体强度)，输出轴13为耐磨轴承钢或类似特性材料并具有较高强度。

优选的，螺纹柱4和花键块10采用耐磨、低摩擦系数、高强度复合材料，也即现有技术中存在的耐磨、低摩擦系数、高强度复合材料均可用于制作所述螺纹柱4和花键块10，具体种类本实施例不作具体限定。

在上述实施例中，为了将前半转轴5、后半转轴6与轴套7更好地连接，前半转轴5、后半转轴6与轴套7均为过盈配合或胶接。

在上述实施例中，为了实现闭环控制，一体化直线作动器还包括旋转变压器14，旋转变压器14设置在永磁同步电机壳体外并套设在后半转轴6上，其具有旋转变压器14转子和定子，旋转变压器14转子与后半转轴6固定连接，旋转变压器14定子和永磁同步电机壳体的与第一端相背设置的第二端固定连接，其中，一体化直线作动器工作时，后半转轴6带动旋转变压器14转子转动，旋转变压器14输出反馈信号，以实现闭环控制。

可见，电机转子中的后半转轴6同时与旋转变压器14转子固连，即电机转子还同时作为旋变转子，此外，本发明实施例实现了永磁同步电机+旋转变压器14+螺纹传动副+直线移动副高度一体化设计。

在上述实施例中，如图1所示，为实现旋转变压器14的密封，一体化直线作动器还包括后套筒12，一体化直线作动器还包括后套筒12，旋转变压器14设置在所述后套筒12内且旋转变压器14定子还与后套筒12固定连接。

在上述实施例中，为了实现旋转变压器14转子和后半轴的固定连接，旋转变压器14转子与后半转轴6通过双锁紧螺母16固定连接。

在上述实施例中，一体化直线作动器还包括第一轴承15a和第二轴承15b，第一轴承15a位于前半转轴5与永磁同步电机壳体之间且套设在前半转轴5上；第二轴承15b位于后半转轴6与永磁同步电机壳体之间且套设在后半转轴6上。

在上述实施例中，为了更好地支撑永磁同步电机转子并降低摩擦，一体化直线作动器还包括第一轴承15a和第二轴承15b，第一轴承15a位于永磁同步电机壳体内且套设在前半转轴5上；第二轴承15b位于永磁同步电机壳体内且套设在后半转轴6上。

可选的，所述第一轴承15a和第二轴承15b均包括角接触轴承，作为本发明一种具体实施例，第一轴承15a为角接触轴承，第二接触轴承为角接触轴承，其中，前半转轴5、后半转轴6两端轴肩分别装入两只角接触轴承，再一同装入永磁同步电机壳体内。

在上述实施例中，如图1所示，为了防止输出轴13的脱出，一体化直线作动器还包括轴向挡圈17，轴向挡圈17设置安装在输出轴13中间，用于输出轴13的轴向限位。

在上述实施例中，为了提高承载能力，还将输出轴13后段的外螺纹和螺纹柱4的内螺纹的螺纹形式均设计为梯形螺纹或三角螺纹。作为本发明一种具体实施例，输出轴13后段的外螺纹为梯形螺纹，同时螺纹柱4的内螺纹为梯形螺纹。作为本发明另一种具体实施例，输出轴13后段的外螺纹为三角螺纹，同时螺纹柱4的内螺纹为三角螺纹。

优选的，为了便于永磁同步电机转子等组件的安装，可将永磁同步电机壳体设置为包括壳体主体1和端盖2，举例来讲，可将永磁同步电机转子、第一轴承15a和第二轴承15b装入壳体主体1内并通过端盖2进行固定。

此外，对于永磁同步电机包括其他组件本实施例不再详细描述，均为本领域技术人员所熟知的技术，例如控制器等。

综上，不同于现有以滚珠(柱)丝杠和螺纹副作为传动原件的电动直线作动器，本发明实施例提供的一体化直线作动器，利用螺纹副作为主要传动形式，通过采用高度一体化设计、基于复合材料设计螺纹柱和花键块等，相比于现有技术至少包括以下优势：

(1)采用永磁同步电机+旋转变压器+螺纹传动副+直线移动副高度一体化设计，减小直线作动器体积，提高功重比；

(2)利用螺纹副作为主要传动形式，使作动器具备自锁功能，可提供无功耗力矩保持；

(3)螺纹柱和花键块材料为耐磨、低摩擦系数、高强度复合材料，在保证强度的前提下能够提高传动效率与螺纹副、花键副使用寿命；

(4)复合材料螺纹柱通过夹心形式结构固定在金属结构中间，降低加工难度的同时利用两端金属提高整体强度；

(5)本发明实施例提供的一体化直线作动器，具有小型化、大推力输出、高功重比、低功耗推力保持的特点，可广泛应用于对直线作动器可靠性、功重比、维护性等要求极高的航空航天等领域。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种复合材料传动的一体化直线作动器，其特征在于，所述一体化直线作动器包括：

永磁同步电机壳体；

输出轴(13)，所述输出轴(13)穿设在所述永磁同步电机壳体上，所述输出轴(13)前段具有外花键或平键，所述输出轴(13)后段具有外螺纹；

构成永磁同步电机转子的前半转轴(5)、螺纹柱(4)、后半转轴(6)、轴套(7)以及永磁体(8)，其中，所述永磁同步电机转子设置在永磁同步电机壳体内，构成永磁同步电机转子的前半转轴(5)、螺纹柱(4)以及后半转轴(6)依次相连接后设置在所述轴套(7)内并套设在所述输出轴(13)上；所述永磁体(8)周向设置在所述轴套(7)的外周面上；所述螺纹柱(4)采用复合材料制成并具有内螺纹，并与输出轴(13)后段的外螺纹相配合，组成螺纹副；

永磁同步电机定子(3)，所述永磁同步电机定子(3)套设在永磁同步电机转子上并设置在所述永磁同步电机壳体内；

前套筒(9)，所述前套筒(9)与永磁同步电机壳体第一端固定连接并套设在所述输出轴(13)上；

花键块(10)，所述花键块(10)采用复合材料制成；所述花键块(10)嵌设在前套筒(9)内并与所述前套筒(9)固定连接，所述花键块(10)的内部加工有内花键或平键槽，与所述输出轴(13)前段具有的外花键或平键相配合，组成花键副或平键副，使输出轴(13)直线输出；

所述直线作动器工作过程包括：永磁同步电机收到位置信号后永磁体(8)带动轴套(7)转动，进而带动前半转轴(5)、后半转轴(6)转动，最后带动螺纹柱(4)共同转动；螺纹柱(4)通过螺纹副驱动、花键副或平键副导向将旋转运动转化为输出轴(13)的直线运动，输出轴(13)直线输出；运动到位后，一体化直线作动器通过螺纹自锁承受负载。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料传动的一体化直线作动器，其特征在于，所述一体化直线作动器还包括旋转变压器(14)，所述旋转变压器(14)设置在所述永磁同步电机壳体外并套设在所述后半转轴(6)上，其具有旋转变压器(14)转子和定子，所述旋转变压器(14)转子与所述后半转轴(6)固定连接，所述旋转变压器(14)定子和永磁同步电机壳体的与第一端相背设置的第二端固定连接，其中，所述一体化直线作动器工作时，所述后半转轴(6)带动所述旋转变压器(14)转子转动，所述旋转变压器(14)输出反馈信号，以实现闭环控制。

3.根据权利要求2所述的一种复合材料传动的一体化直线作动器，其特征在于，所述一体化直线作动器还包括后套筒(12)，所述旋转变压器(14)设置在所述后套筒(12)内且所述旋转变压器(14)定子还与所述后套筒(12)固定连接。

4.根据权利要求1或2所述的一种复合材料传动的一体化直线作动器，其特征在于，所述一体化直线作动器还包括第一轴承(15a)和第二轴承(15b)，所述第一轴承(15a)位于永磁同步电机壳体内且套设在前半转轴(5)上；所述第二轴承(15b)位于永磁同步电机壳体内且套设在后半转轴(6)上。

5.根据权利要求4所述的一种复合材料传动的一体化直线作动器，其特征在于，所述第一轴承(15a)和第二轴承(15b)均包括角接触轴承。

6.根据权利要求1-3任一项所述的一种复合材料传动的一体化直线作动器，其特征在于，所述一体化直线作动器还包括轴向挡圈(17)，所述轴向挡圈(17)设置安装在输出轴(13)中间，用于输出轴(13)的轴向限位。

7.根据权利要求1-4任一项所述的一种复合材料传动的一体化直线作动器，其特征在于，所述输出轴(13)后段的外螺纹和螺纹柱(4)的内螺纹的螺纹形式均为梯形螺纹或三角螺纹。

8.根据权利要求2所述的一种复合材料传动的一体化直线作动器，其特征在于，所述旋转变压器(14)转子与后半转轴(6)通过双锁紧螺母(16)固定连接。

9.根据权利要求1所述的一种复合材料传动的一体化直线作动器，其特征在于，所述前半转轴(5)、后半转轴(6)与轴套(7)均为过盈配合或胶接。

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