CN113740729A - 应用于行波超声电机性能测试的预压力施加装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于行波超声电机性能测试的预压力精准施加装置及方法。本发明预压力施加装置中螺旋测微头的螺旋进给推动预压台移动，进而推动柔性预压头组件，使柔性预压头组件中的弹性机构产生形变，对定子施加预压力，同时设置了压力监测机构，实时获取上述预压力，并根据预压力调整螺旋测微头的螺旋给进，使行波超声电机的输出性能最优或得到定子和转子接触处所设摩擦材料的磨损规律；本发明还提供一种采用上述预压力施加装置实现的预压力施加方法；本发明装置和方法具有调节方便，精准可靠、易于维持且施加的预压力均匀分布的优点，在保证结构简洁的情况下，可达到预压力的准确施加的效果，为超声电机性能测试装置提供了技术支撑。

Description

应用于行波超声电机性能测试的预压力施加装置及方法

技术领域

本发明涉及一种行波超声电机测试装置和方法，具体涉及一种开放式预压力可控的旋转型行波超声电机性能测试装置和方法，属于超声电机测试技术应用领域。

背景技术

近年来，超声电机得到了较大的发展，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。电机的输出性能不仅与定、转子结构设计有关，同时也会受到预压力的影响，施加的预压力是否均匀，大小是否合适，都将影响电机的输出性能。

目前，国内外对超声电机预压力的研究多采用建模仿真的方法，由于所建立的模型忽略太多影响因素，不能真实反映出超声电机运行阶段预压力对其输出性能的影响。国外在对行波超声电机预压力测试装置介绍不明确，未见详细报道；国内如南京航空航天大学、清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学等有对行波超声电机预压力施加装置进行了研究，但仍有许多不足，首先，大多数行波超声电机预压力调节采用封闭式加载，不易于拆卸，其次，由于电机在运行过程中，磨损严重，摩擦材料厚度将会改变，故不能保证预压力始终不变。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种应用于行波超声电机性能测试的预压力精准施加装置及方法。本发明预压力施加装置中螺旋测微头的螺旋进给推动预压台移动，进而推动柔性预压头组件，使柔性预压头组件中的弹性机构产生形变，对定子施加预压力，同时设置了压力监测机构，实时获取上述预压力，并根据预压力调整螺旋测微头的螺旋给进，使行波超声电机的输出性能最优或得到定子和转子接触处所设摩擦材料的磨损规律；本发明还提供一种采用上述预压力施加装置实现的预压力施加方法；通过本发明装置和方法保证超声电机定子受力均匀，在保证结构简洁的情况下，可达到预压力的准确施加的效果。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种应用于行波超声电机性能测试的预压力施加装置，所述行波超声电机包括转子，定子和用于固定定子的定子座，所述定子和转子接触处涂覆摩擦材料，其特征在于，所述预压力施加装置包括柔性预压头组件，支撑固定机构，预压台，和螺旋测微头；

所述支撑固定机构用于支撑依次排列的行波超声电机，柔性预压头组件，预压台和螺旋测微头，使行波超声电机输出轴，柔性预压头组件，预压台和螺旋测微头同轴；

所述柔性预压头组件包括环形垫片，螺杆和弹性机构；所述预压台套于螺旋测微头上；所述环形垫片与定子座的端面平行，通过螺杆与定子座固定连接；所述弹性机构设于环形垫片与定子座的端面之间，且同时与环形垫片与定子座的端面相接触；

所述行波超声电机外壳与支撑固定机构固定连接；螺旋测微头的螺旋进给推动预压台移动，进而推动环形垫片，使弹性机构产生形变，通过定子座对定子施加预压力；

所述弹性机构的个数≥1；每个弹性机构为碟簧，柔性铰链，或碟簧和柔性铰链的组合。

进一步的，所述弹性机构为碟簧和柔性铰链的组合；

所述碟簧为中空平底锥形结构，底面设有4个间隔90°的通孔，用于该碟簧的定位，使碟簧中心与电机驱动轴中心共线。

所述柔性铰链为中空鼓形结构，两端为环形刚性连接件，且一端环形刚性连接件上设有4个间隔90°的螺纹孔，使用螺钉实现碟簧与柔性铰链的连接；鼓形结构的中间凸起区域采用为可伐合金，防止柔性铰链因被压缩变形而干涉电机轴的转动。

进一步的，所述支撑固定机构包括底座，第一支撑架，第二支撑架，和第三支撑架；

所述第一支撑架，第二支撑架，和第三支撑架固定安装于底座上，第二支撑架可沿螺旋测微头轴向移动；

行波超声电机外壳与第一支撑架固定连接；柔性预压头组件与第二支撑架固定连接；所述螺旋测微头的固定部分与第三支撑架固定连接；所述螺旋测微头的螺旋进给推动预压台，进而推动第二支撑架沿螺旋测微头轴向移动，使柔性预压头组件中的弹性机构产生形变。

进一步的，所述第二支撑架底部设有滑块，所述底座上设有与滑块相对应的导轨，所述滑块与导轨配合实现第二支撑架沿螺旋测微头的轴向移动。

进一步的，所述柔性预压头组件中的定子座，环形垫片和第二支撑架上分别设有相对应的安装孔，所述螺杆依次与定子座，环形垫片和第二支撑架上所设的安装孔配合，实现柔性预压头组件与第二支撑架固定连接。

进一步的，所述环形垫片上所设安装孔为螺纹孔，定子座上所设安装孔为通孔；螺杆为两端分别设有螺纹区和光杆区的阶梯型结构，所述螺纹区和光杆区分别与环形垫片上所设螺纹孔和定子座上所设通孔配合。

进一步的，所述预压台一端设有用于容纳行波超声电机输出轴的空腔，且空腔内壁不与行波超声电机输出轴接触，另一端设有盲孔，预压台通过盲孔安装于螺旋测微头上，所述盲孔与螺旋测微头间隙配合。

进一步的，所述预压力施加装置还包括压力监测机构；

所述压力监测机构用于实时获取螺旋测微头依次通过预压台，柔性预压头组件和定子座对定子施加预压力；所述压力监测机构根据预压力调整螺旋测微头的螺旋给进，使行波超声电机的输出性能最优；所述压力监测机构根据预压力的实时变化得到定子和转子接触处所设摩擦材料的磨损规律。

进一步的，所述压力监测机构包括环形薄膜压力传感器，压力显示模组和处理控制模块；所述环形薄膜压力传感器用于获取预压台和柔性预压头组件之间的压力信号并输出至处理控制模块；所述处理控制模块根据压力信号得到预压力并输出至压力显示模组，根据预压力调整螺旋测微头的螺旋给进，或对预压力进行进一步处理得到定子和转子接触处所用摩擦材料的磨损规律。

进一步的，所述环形薄膜压力传感器设于预压台和第二支撑架之间，为电阻式环形薄膜压力传感器。

一种应用于行波超声电机性能测试的预压力施加方法，采用上述一种应用于行波超声电机性能测试的预压力施加装置实现，包括以下步骤：

S1螺旋测微头通过预压台，柔性预压头组件和定子座对定子施加预压力；

S2环形薄膜压力传感器获取预压台和柔性预压头组件之间的压力信号并输出至数据处理与控制模块；

S3处理控制模块根据压力信号得到预压力并输出至压力显示模组，根据预压力调整螺旋测微头的螺旋给进；

或，处理控制模块对预压力进行进一步处理得到定子和转子接触处所用摩擦材料的磨损规律。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明一种应用于行波超声电机性能测试的预压力施加装置，采用开放式预压力施加方式，无需对电机内部进行拆卸改动，能够在行波超声电机性能测试中实时、动态、连续调节施加所需预压力；

(2)本发明一种应用于行波超声电机性能测试的预压力施加装置，设计了柔性预压头的具体结构，特别是使用碟簧和柔性铰链的组合实现柔性预压力的施加和预压力的均匀分布；

(3)本发明一种应用于行波超声电机性能测试的预压力施加装置，设计了支撑固定机构的具体结构，使支撑固定机构能够对行波超声电机，柔性预压头组件，预压台和螺旋测微头形成稳定支撑，且能保证预压力施加过程中各部件进行稳定移动或发生稳定形变，保证所施加的预压力的均匀，稳定且使预压力易于维持；

(4)本发明一种应用于行波超声电机性能测试的预压力施加装置和方法，引入压力监测机构，据预压力调整螺旋测微头的螺旋给进，使行波超声电机的输出性能最优，预压力的调节范围广，可达50～500N；

(5)本发明一种应用于行波超声电机性能测试的预压力施加装置和方法，引入压力监测机构，根据预压力的实时变化得到定子和转子接触处所设摩擦材料的磨损规律；

(6)本发明一种应用于行波超声电机性能测试的预压力施加装置，具有结构简单，调节方便，精准可靠，成本较低等优点；采用该装置实现的预压力施加方法，可通过实时调节使行波超声电机的输出性能最优，操作简单，节约了人力成本，为超声电机性能测试装置提供了技术支撑；本发明所述装置和方法在超声电机测领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明应用于行波超声电机性能测试的预压力施加装置的装配示意图；

图2是本发明底座结构示意图；

图3是本发明柔性预压头组件的示意图；

图4是本发明碟簧结构示意图；

图5是本发明柔性铰链结构示意图；

图6是为本发明预压台剖面结构示意图；

图7本发明电阻式环形薄膜压力传感器和压力显示模组结构示意图。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

图1-7中，附图标记包括：1-底座，2-第一支撑架，3-转子，4-摩擦材料，5-定子，6-碟簧，7-柔性铰链，8-定子座，9-螺杆，10-环形垫片，11-第二支撑架，12-压力显示模组，13-电阻式环形薄膜压力传感器，14-预压台，15-滑块，16-导轨，17-螺母，18-第三支撑架，19-螺旋测微头。

如图1所示，一种应用于行波超声电机性能测试的预压力精准施加装置及方法，包括底座1、第一支撑架2、柔性铰链7、螺杆9、环形垫片10、第二支撑架11、压力显示模组12、电阻式环形薄膜压力传感器13、数据处理与控制模块、预压台14、滑块15、导轨16、螺母17、第三支撑架18、螺旋测微头19。

如图2所示，底座1上设有螺纹通孔，用于固定安装第一支撑架2、第二支撑架11，第三支撑架18和导轨16。第一支撑架2用于固定行波超声电机，行波超声电机通过螺栓固定在第一支撑架2上，在电机内部定子5与定子座8由螺栓固定；第三支撑架18用于固定螺旋测微头19，保证所施加的预压力均匀分布，第一支撑架2、第二支撑架11和第三支撑架18需要有较高的平面度，且三者间有较高的平行度。

如图3所示，所述螺杆9为阶梯型，依次穿过第二支撑架11、环形垫片10、定子座8，将第二支撑架11、环形垫片10、定子座8连接起来，对定子周向转动和径向移动自由度进行约束。第二支撑架11固定在滑块15上，滑块15与导轨16配合，使第二支撑架11通过滑块在导轨上来回移动。螺旋测微头19通过螺母17固定在第三支撑架18上，与预压台14一端盲孔间隙配合，预压台14另一端紧贴着与第二支撑架11相接触的电阻式环形薄膜压力传感器13，通过螺旋测微头19的螺旋进给，使定子座8与环形垫片10之间的碟簧6和柔性铰链7被压缩受力变形，可通过压力显示模组12和数据处理与控制模块读出所施加的压力值，进而对行波超声电机施加精准可控的预压力。

进一步的，在定子座8与环形垫片10间依次设有碟簧6和柔性铰链7，如图4、图5所示，为碟簧6为平底圆锥形结构，且底部平面上设有4个间隔90°的通孔，用于该碟簧6的定位。柔性铰链7为中空鼓形结构，两端为环形刚性连接件，且一端圆环平面设有4个间隔90°的螺纹孔，使用螺钉将碟簧6固定在柔性铰链上，实现碟簧6与柔性铰链7的连接；另一端与环形垫片10配合约束；中间柔性鼓形凸起区域材质为可伐合金，防止柔性铰链7因被压缩变形而干涉电机轴的转动。，两者组合保证柔性预压力的施加和预压力的均匀分布。

进一步的，环形垫片10上设有螺纹孔，定子座8设有通孔，分别与阶梯型长螺杆9的螺纹区和光杆区配合，保证定子5周向转动和径向移动自由度被约束而保留轴向移动自由度。

进一步的，如图6所示，预压台14左端为中空圆柱体，与电阻式环形薄膜压力传感器13均匀接触，右端设有盲孔与螺旋测微头19间隙配合。

进一步的，如图7所示，电阻式环形薄膜压力传感器13外接压力显示模组12，其尺寸不得干涉预压力的均匀施加和行波超声电机转轴的旋转，预压力数值可由压力显示模组12准确读出。

一种应用于行波超声电机性能测试的预压力精准施加装置及方法的使用方法包括：

(1)通过旋拧螺旋测微头19压缩碟簧6和柔性铰链7，对定子5施加柔性预压力，电阻式环形薄膜压力传感器13受压阻值会发生改变，压力可由压力显示模组12准确读出。由于预压力对行波超声电机运行特性具有重要影响，因此可通过多次调节螺旋测微头19改变预压力值，找出最优值使行波超声电机的输出性能最优。

(2)通过旋拧螺旋测微头19压缩碟簧6和柔性铰链7对定子5施加柔性预压力，同时电阻式环形薄膜压力传感器13受压阻值会发生改变，压力可由压力显示模组12准确读出。当行波超声电机以适当的预压力运行时，定子5和转子3接触表面的摩擦材料4产生不可避免的磨耗导致预压力发生改变，因此该装置可用于实时动态监测预压力随摩擦材料4磨损的变化规律，可进一步实现电机的寿命预测和寿命补偿。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

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 (11)

1.一种应用于行波超声电机性能测试的预压力施加装置，所述行波超声电机包括转子(3)，定子(5)和用于固定定子的定子座(8)，所述定子(5)和转子(3)接触处涂覆摩擦材料，其特征在于，所述预压力施加装置包括柔性预压头组件，支撑固定机构，预压台(14)，和螺旋测微头(19)；

所述支撑固定机构用于支撑依次排列的行波超声电机，柔性预压头组件，预压台(14)和螺旋测微头(19)，使行波超声电机输出轴，柔性预压头组件，预压台(14)和螺旋测微头(19)同轴；

所述柔性预压头组件包括环形垫片(10)，螺杆(9)和弹性机构；所述预压台(14)套于螺旋测微头(19)上；所述环形垫片(10)与定子座(8)的端面平行，通过螺杆(9)与定子座(8)固定连接；所述弹性机构设于环形垫片(10)与定子座(8)的端面之间，且同时与环形垫片(10)与定子座(8)的端面相接触；

所述行波超声电机外壳与支撑固定机构固定连接；螺旋测微头(19)的螺旋进给推动预压台(14)移动，进而推动环形垫片(10)，使弹性机构产生形变，通过定子座(8)对定子施加预压力；

所述弹性机构的个数≥1；每个弹性机构为碟簧，柔性铰链，或碟簧和柔性铰链的组合。

2.根据权利要求1所述的一种应用于行波超声电机性能测试的预压力施加装置，其特征在于，所述弹性机构为碟簧(6)和柔性铰链(7)的组合；

所述碟簧(6)为中空平底锥形结构，底面设有4个间隔90°的通孔，用于该碟簧(6)的定位，使碟簧(6)中心与电机驱动轴中心共线；

所述柔性铰链(7)为中空鼓形结构，两端为环形刚性连接件，且一端环形刚性连接件上设有4个间隔90°的螺纹孔，使用螺钉实现碟簧(6)与柔性铰链(7)的连接；鼓形结构的中间凸起区域采用可伐合金，防止柔性铰链(7)因被压缩变形而干涉电机轴的转动。

3.根据权利要求1所述的一种应用于行波超声电机性能测试的预压力施加装置，其特征在于，所述支撑固定机构包括底座(1)，第一支撑架(2)，第二支撑架(11)，和第三支撑架(18)；

所述第一支撑架(2)，第二支撑架(11)，和第三支撑架(18)固定安装于底座(1)上，第二支撑架(11)可沿螺旋测微头(19)轴向移动；

行波超声电机外壳与第一支撑架(2)固定连接；柔性预压头组件与第二支撑架(11)固定连接；所述螺旋测微头(19)的固定部分与第三支撑架(18)固定连接；所述螺旋测微头(19)的螺旋进给推动预压台(14)，进而推动第二支撑架(11)沿螺旋测微头(19)轴向移动，使柔性预压头组件中的弹性机构产生形变。

4.根据权利要求3所述的一种应用于行波超声电机性能测试的预压力施加装置，其特征在于，所述第二支撑架(11)底部设有滑块(15)，所述底座(1)上设有与滑块(15)相对应的导轨(16)，所述滑块(15)与导轨(16)配合实现第二支撑架(11)沿螺旋测微头(19)的轴向移动。

5.根据权利要求3所述的一种应用于行波超声电机性能测试的预压力施加装置，其特征在于，所述柔性预压头组件中的定子座(8)，环形垫片(10)和第二支撑架(11)上分别设有相对应的安装孔，所述螺杆(9)依次与定子座(8)，环形垫片(10)和第二支撑架(11)上所设的安装孔配合，实现柔性预压头组件与第二支撑架(11)固定连接。

6.根据权利要求5所述的一种应用于行波超声电机性能测试的预压力施加装置，其特征在于，所述环形垫片(10)上所设安装孔为螺纹孔，定子座(8)上所设安装孔为通孔；螺杆(9)为两端分别设有螺纹区和光杆区的阶梯型结构，所述螺纹区和光杆区分别与环形垫片(10)上所设螺纹孔和定子座(8)上所设通孔配合。

7.根据权利要求5所述的一种应用于行波超声电机性能测试的预压力施加装置，其特征在于，所述预压台(14)一端设有用于容纳行波超声电机输出轴的空腔，且空腔内壁不与行波超声电机输出轴接触，另一端设有盲孔，预压台通过盲孔(14)安装于螺旋测微头(19)上，所述盲孔与螺旋测微头(19)间隙配合。

8.根据权利要求3所述的一种应用于行波超声电机性能测试的预压力施加装置，其特征在于，所述预压力施加装置还包括压力监测机构；

所述压力监测机构用于实时获取螺旋测微头(19)依次通过预压台(14)，柔性预压头组件和定子座(8)对定子施加预压力；所述压力监测机构根据预压力调整螺旋测微头(19)的螺旋给进，使行波超声电机的输出性能最优；所述压力监测机构根据预压力的实时变化得到定子(5)和转子(3)接触处所设摩擦材料的磨损规律。

9.根据权利要求8所述的一种应用于行波超声电机性能测试的预压力施加装置，其特征在于，所述压力监测机构包括环形薄膜压力传感器(13)，压力显示模组(12)和处理控制模块；所述环形薄膜压力传感器(13)用于获取预压台(14)和柔性预压头组件之间的压力信号并输出至处理控制模块；所述处理控制模块根据压力信号得到预压力并输出至压力显示模组(12)，根据预压力调整螺旋测微头(19)的螺旋给进，或对预压力进行进一步处理得到定子(5)和转子(3)接触处所用摩擦材料的磨损规律。

10.根据权利要求9所述的一种应用于行波超声电机性能测试的预压力施加装置，其特征在于，所述环形薄膜压力传感器(13)设于预压台(14)和第二支撑架(11)之间，为电阻式环形薄膜压力传感器。

11.一种应用于行波超声电机性能测试的预压力施加方法，其特征在于，采用权利要求9或10所述的一种应用于行波超声电机性能测试的预压力施加装置实现，包括以下步骤：

S1螺旋测微头(19)通过预压台(14)，柔性预压头组件和定子座(8)对定子施加预压力；

S2环形薄膜压力传感器(13)获取预压台(14)和柔性预压头组件之间的压力信号并输出至数据处理与控制模块；

S3处理控制模块根据压力信号得到预压力并输出至压力显示模组(12)，根据预压力调整螺旋测微头(19)的螺旋给进；

或，处理控制模块对预压力进行进一步处理得到定子(5)和转子(3)接触处所用摩擦材料的磨损规律。

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