CN114070127A - 一种具有自我保护功能的大转矩、高精度超声电机及其实施方式 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有自我保护功能的大转矩、高精度超声电机及其实施方式，装置中，垫片套设在超声电机组本体的输出轴上，谐波减速器套设在超声电机组本体的外壳上，电机轴穿设超声电机组本体，定义超声电机组本体靠近的电机轴的端部为顶端，在电机轴的底端顺次套设编码器支架、高精度编码器组件；垫片、谐波减速器、编码器支架以及高精度编码器组件由超声电机组本体向电机轴的底端顺次排布；超声电机组本体减速增扭后由电机轴输出转速和力矩；本发明的超声电机具有力矩限制保护装置，不仅可防止超声电机使用到堵转状态破坏定转子之间的摩擦接触面，还可以防止谐波减速器遭到破坏，具有输出力矩大、输出转速低、输出角分辨率更高更稳定的特性。

Description

一种具有自我保护功能的大转矩、高精度超声电机及其实施 方式

技术领域

本发明涉及一种具有自我保护功能的大转矩、高精度超声电机及其实施方式，属于超声电机技术领域。

背景技术

行波超声电机最早起源于日本，是一种新型的微特电机，其工作原理与传统电磁电机不同，是利用压电陶瓷片的逆压电效应，激发弹性体定子在超声频域内的微幅振动，并通过定转子之间的摩擦作用将微幅振动转换成转子的宏观旋转运动，输出功率，驱动负载。因振幅以及频率受到压电陶瓷片和定子自身的固有模态限制，导致输出转速、转矩受到限制，所以这种新型的微特电机的功率往往都是比较小，且在低速下的负载能力下降明显。随着旋转型行波超声电机的进步和发展，也出现了一些输出转矩较大、输出功率较大的超声电机，不过通常都是将若干个超声电机(或定转子组件)同轴串联而成。如：实用新型专利US4937488A所提出的串联超声电机(由双定转子串联而成)以及实用新型专利CN101702592A所提出的一种新的双定转子阶梯轴结构盘状行波超声电机，这种串联的旋转型行波超声电机的最大输出功率小于15W；另外，我公司在2018年公开的一种串联结构超声电机，专利号CN208369491U，是一种可以同轴串联n个定转子组件的旋转型行波超声电机，目前转化成实际产品的CSX76S3-60-B-C2型和CSX76S3-60-B-C4型产品的最大输出功率也分别只有20W和40W，最大输出转矩分别为2.4N.m和5N.m，其中CSX76S3-60-B-C4型超声电机的本体轴向尺寸已达70mm，空间包络尺寸已经变得较大。对于某些机械臂关节作动、太阳翼/天线帆板的展开等应用场合，不仅要求电机结构尺寸较小；输出转矩更大，通常高达几十牛米；输出转速更低，通常1°/s以下，而且要求定位精度达角秒级别，显然，现有技术下的旋转型行波超声电机尚无法完全满足上述要求，存在应用瓶颈。

根据GB/T 38337-2019超声波电动机及其驱动控制器通用技术条件可知，超声电机的工作区可划分成长时工作区、短时工作区和非工作区，其中：长时工作区，在超声电机寿命期内，以S3工作制(≤50％)工作，可连续运行和使用；短时工作区，在超声电机寿命期内，以S3工作制(≤40％)工作，可断续运行和使用；非工作区，根据工况又可分为两个区域，一是在允许的最大工作转矩内，输出转速低于允许的最低工作转速的区域，二是输出转矩在允许的最大工作转矩和最大转矩(堵转转矩)之间任意转速的区域，在超声电机寿命期内，不准许使用。在非工作区，尤其是输出转矩在允许的最大工作转矩和最大转矩(堵转转矩)之间任意转速的区域，一旦使用到最大转矩(即堵转转矩，转速为零)，超声电机定转子接触面会出现严重的破坏，导致超声电机的输出性能急剧下降，主要表现是超声电机在额定供电状态下，输出转速下降、负载能力下降，电机输出稳定性下降。

而现有技术中，超声电机都是通过限制超声电机的工作频率范围来限制超声电机的输出转速或者通过热敏电阻检测超声电机内部定子上的温度自动补偿超声电机的温漂频率，以防止超声电机工作在共振频率下造成电机的损坏。超声电机自身不具备自我保护的功能，电机在使用过程中，只能通过人为控制负载不超过允许的最大工作力矩，在人为操作失误(比如加载的负载超过允许的最大工作力矩时)以及输出端的系统突然因某种故障卡死，超声电机会出现堵转，破坏超声电机定转子之间的摩擦接触面。

因此，亟需一种具有自我保护功能的超低速、超大转矩且输出角分辨率更高更稳定的超声电机。

发明内容

本发明提供一种具有自我保护功能的大转矩、高精度超声电机及其实施方式，电机输出力矩更大、输出转速更低、输出角分辨率更高更稳定，且能自我保护，不仅可以防止定转子摩擦接触面遭到破坏，还可以防止谐波减速器遭到损坏。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种具有自我保护功能的大转矩、高精度超声电机，包括超声电机组本体、垫片、谐波减速器、电机轴、编码器支架和高精度编码器组件，

垫片套设在超声电机组本体的输出轴上，谐波减速器套设在超声电机组本体的外壳上，电机轴穿设超声电机组本体，定义超声电机组本体靠近的电机轴的端部为顶端，在电机轴的底端顺次套设编码器支架、高精度编码器组件；

所述垫片、谐波减速器、编码器支架以及高精度编码器组件由超声电机组本体向电机轴的底端顺次排布；

作为本发明的进一步优选，所述超声电机组本体包括定子座、轴承端盖、第二轴承、定子组件、定子压盖、第一轴承、柔性转子组件、转子轴、预压力调整垫片、辅助调整垫片、输入摩擦盘、输出摩擦盘组件、输出轴、预压力调整螺母、外壳和第三轴承，在靠近电机轴底端的外壳中心开设与电机轴同轴心的螺纹孔，预压力调整螺母上嵌设第三轴承，并套设在外壳中心开设的螺纹孔内；

输出轴与输出摩擦盘组件同轴固联，并与电机轴同轴心穿设嵌设在预压力调整螺母上的第三轴承；

定子座中心开设与电机轴同轴心的轴承孔，且轴承孔深度为第一轴承厚度的1/2-4/5，第一轴承嵌设在定子座中心开设的轴承孔内，转子轴与电机轴同轴心穿设定子座和第一轴承；

在定子座表面还布设定子组件，定子组件内环上表面覆设定子压盖，柔性转子组件、输入摩擦盘顺次布设于定子组件表面，并套设在转子轴上。

所述定子组件包括柔性印制板、压电陶瓷片以及定子，且柔性印制板、压电陶瓷片以及定子同轴心由电机轴顶端至底端方向顺次套设在定子座内设的凸起圆柱上；

所述柔性转子组件包括摩擦材料、转子以及减震橡胶，且摩擦材料、转子以及减振橡胶同轴心由电机轴顶端至底端方向顺次叠设；

作为本发明的进一步优选，

所述转子轴，穿设第一轴承，且转子轴为中空结构，在第一轴承与转子轴之间布设预压力调整垫片，第一轴承与柔性转子组件之间布设辅助调整垫片；

作为本发明的进一步优选，

在定子座上靠近电机轴顶端的止口端上布设轴承压盖，且在轴承压盖内侧同轴心布设第二轴承；

在转子的内腹板表面布设输入摩擦盘，且输入摩擦盘与转子轴固联；

在输入摩擦盘表面叠设输出摩擦盘组件，输出摩擦盘组件包括输出摩擦盘和摩擦片，输出摩擦盘的内腹板固设在穿设第三轴承的输出轴上；

作为本发明的进一步优选，

所述超声电机组本体包含两个摩擦副，其中定子组件的齿面与柔性转子组件的摩擦材料表面构成第一摩擦副，为超声电机驱动摩擦副，输入摩擦盘的外圈圆环表面与输出摩擦盘组件的摩擦片表面构成第二摩擦副，为力矩保护装置摩擦副；

所述的力矩保护装置摩擦副即为所述超声电机组本体具有的力矩限制保护装置；

作为本发明的进一步优选，

所述谐波减速器包括波发生器、柔轮、钢轮、异形轴承和密封圈，以电机轴的中心轴线为中心线，波发生器同轴心套设在输出轴上，在输出轴与波发生器之间设置垫片；

钢轮其中一端面同轴心固定安装在异形轴承内圈端面上，且钢轮另一端面与电机轴的法兰盘固定连接；柔轮同轴心固定安装在异形轴承外圈端面上，同时异形轴承外圈以及柔轮同轴心固定安装在外壳上；

异形轴承外圈和钢轮之间嵌设密封圈；

作为本发明的进一步优选，所述高精度编码器组件包括编码器码盘和编码器外壳；

编码器码盘套设固定在电机轴靠近底端位置，在码盘上覆设编码器外壳，其中，编码器支架同轴心安装在异形轴承外圈上，编码器外壳与编码器支架固定；

所述的编码器外壳还包含编码器读头；

一种基于所述的具有自我保护功能的大转矩、高精度超声电机的实施方式，所述超声电机组本体的输出轴输出转速、转矩至谐波减速器的波发生器，由电机轴输出转速和力矩，高精度编码器组件反馈电机轴的输出转速以及角度位置信息；

作为本发明的进一步优选，定义超声电机驱动摩擦副输出最大转矩为T₃，超声电机驱动摩擦副输出的最大工作转矩为T₁，力矩保护装置摩擦副的静摩擦转矩为T₂，谐波减速器瞬间允许的最大转矩为T₄，谐波减速器输出减速比为i，其中，T₁为T₃的70％～85％，即T₁＝(70％～85％)·T₃，静摩擦转矩T₂小于或者等于最大工作转矩T₁，同时静摩擦转矩T₂小于或者等于T₄/i，静摩擦转矩T₂的上限值取T₁、T₄/i中的较小值；

当T₁≤T₄/i时，也即取T₂＝T₁，当电机输出端施加的负载大于等于i·T₂时，回传至力矩保护装置摩擦副的转矩达到其静摩擦力矩极限值T₁后，力矩保护装置摩擦副出现打滑，此时谐波减速器承受的实际转矩为i·T₁，同时回传至超声电机驱动摩擦副的实际转矩为T₁，而T₁＝T₂＜T₃，且i·T₁≤T₄，因此，超声电机组本体的定子、转子之间的摩擦接触面不会出现破坏，谐波减速器不会损坏；

当T₁＞T₄/i时，也即取T₂＝T₄/i，在电机输出端施加的负载大于等于T₄时，回传至力矩保护装置摩擦副的转矩达到其静摩擦力矩极限值T₄/i后，力矩保护装置摩擦副出现打滑，此时谐波减速器承受的实际转矩为T₄，同时回传至超声电机驱动摩擦副的实际转矩为T₄/i，而T₄/i＝T₂＜T₁＜T₃，因此，超声电机组本体的定子、转子之间的摩擦接触面不会出现破坏，谐波减速器不会损坏。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的超声电机，将超声电机、谐波减速器和高精度编码器集成为一体成为一个全新的超声电机，结合了超声电机极慢速、高分辨率和谐波减速器传动平稳、运动精度高、传动比大的优点，进一步大幅度的降低了超声电机的最终输出转速、大幅度提高了超声电机的最终输出转矩、大幅度提高了超声电机的最终输出角分辨率和定位精度；

2、本发明提供的超声电机，因采用了大减速比的谐波减速器，大幅度的降低了超声电机的最低工作转速，提高了超声电机在低转速下的稳定性；

3、本发明提供的超声电机，具有力矩限制保护装置，不仅可防止超声电机使用到堵转状态破坏定转子之间的摩擦接触面，还可以防止谐波减速器的柔轮、柔轮上的齿和钢轮上的齿遭到破坏。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明提供的优选实施例1的结构示意图；

图2是本发明提供的优选实施例1中超声电机组本体的结构示意图；

图3是本发明提供的优选实施例1中谐波减速器的结构示意图；

图4是本发明提供的优选实施例1中电机轴结构示意图；

图5是本发明提供的优选实施例2的结构示意图；

图6是本发明提供的优选实施例2中超声电机组本体的结构示意图；

图7是本发明提供的优选实施例2中谐波减速器的结构示意图。

其中：图1-图4中，1为具有自我保护功能的超声电机组本体，101为定子座，102为定子组件，1021为定子，1022为压电陶瓷片，1023为柔性印制板，103为定子压盖，104为柔性转子组件，1041为转子，1042为摩擦材料，1043为减振橡胶，105为电机引出线缆，106为压线卡，107为转子轴，108为预压力调整垫片，109为第一轴承，110为辅助调整垫片，111为输入摩擦盘，112为输出摩擦盘组件，1121为输出摩擦盘，1122为摩擦片，113为外壳，114为预压力调整螺母，115为第三轴承，116为输出轴，117为轴承压盖，118为第二轴承，2为垫片，3为谐波减速器，301为波发生器，302为柔轮，303为钢轮，304为异形轴承，3041为异形轴承内圈，3042为异形轴承外圈，305为密封圈，4为电机轴，5为编码器支架，6为高精度编码器组件；

图5-图7中，7为具有自我保护功能的超声电机组本体，701为定子座，702为定子组件，7021为定子，7022为压电陶瓷片，7023为柔性印制板，703为定子压盖，704为柔性转子组件，7041为转子，7042为摩擦材料，7043为减振橡胶，705为电机引出线缆，706为压线卡，707为转子轴，708为预压力调整垫片，709为第一轴承，710为辅助调整垫片，711为输入摩擦盘，712为输出摩擦盘组件，7121为输出摩擦盘，7122为摩擦片，713为外壳，714为摩擦盘预压力调整垫片，715为第三轴承，716为输出轴，717为第一轴承压盖，718为第二轴承，8为垫片，9为谐波减速器，901为波发生器，902为柔轮，903为钢轮，10为前端外壳，11为第二轴承压盖，12为第四轴承，13为第三轴承压盖，14为电机轴，15为高精度编码器组件。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。本申请的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”、“顶端”、“底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如背景技术中所阐述的，一些特定应用场合，电机的尺寸需要较小，输出转矩较大，同时输出转速较低，显然现有技术的电机无法达到上述所有效果，而且现有技术中的超声电机自身不具备自我保护的功能，电机在使用过程中，只能通过人为控制负载不超过允许的最大工作力矩，在人为操作失误(比如加载的负载超过允许的最大工作力矩时)以及输出端的系统突然因某种故障卡死，超声电机会出现堵转，破坏超声电机定转子之间的摩擦接触面。

因此本申请旨在提供一种超声电机，可以满足一些对电机本身尺寸要求较小、对输出转矩要求超大以及对输出转速要求超慢的应用场合，同时电机自身具备自我保护的功能，可以避免定转子摩擦接触面的破坏。

这里需要提前说明的是，本申请利用的部件主要是，超声电机本身的优点结合谐波减速器的优点，实现超声电机输出转速的降低、输出转矩的提高以及输出角分辨率的提高；在超声电机组本体结构中增加了力矩限制保护装置，避免出现定转子摩擦接触面的破坏；同时增加了高精度编码器实时反馈角度位置信息。当然所有的部件必然是共同作用，匹配的位置关系方能达到最终效果。

本申请提供了如图1-图4所示的第一种实施例，包括超声电机组本体1、垫片2、谐波减速器3、电机轴4、编码器支架5和高精度编码器组件6，为了对结构进行方位阐述，以图1中视图为标准，定义超声电机组本体靠近的电机轴的端部为顶端，垫片、谐波减速器、编码器支架以及高精度编码器组件由超声电机组本体向电机轴的底端顺次排布；。

本申请中，图2所示，所述超声电机组本体包括定子座2、轴承端盖、第二轴承、定子组件102、定子压盖103、第一轴承109、转子组件、转子轴107、预压力调整垫片108、辅助调整垫片110、输入摩擦盘111、输出摩擦盘组件112、输出轴、预压力调整螺母114、外壳113和第三轴承115，在靠近电机轴底端的外壳中心开设与电机轴同轴心的螺纹孔，预压力调整螺母上嵌设第三轴承，并套设在外壳中心开设的螺纹孔内，输出轴116与输出摩擦盘组件同轴固联，并与电机轴同轴心穿设嵌设在预压力调整螺母上的第三轴承，定子座中心开设与电机轴同轴心的轴承孔，且轴承孔深度为第一轴承厚度的1/2～4/5，第一轴承嵌设在定子座中心开设的轴承孔内，转子轴与电机轴同轴心穿设定子座和第一轴承，在定子座表面还布设定子组件，定子组件内环上表面覆设定子压盖，柔性转子组件104、输入摩擦盘顺次布设于定子组件表面，并套设在转子轴上。

所述定子组件包括柔性印制板1023、压电陶瓷片1022以及定子1021，且柔性印制板、压电陶瓷片以及定子同轴心由电机轴顶端至底端方向顺次套设在定子座内设的凸起圆柱上；所述转子组件包括摩擦材料1042、转子以及减震橡胶，且摩擦材料、转子1041以及减振橡胶1043同轴心由电机轴顶端至底端方向顺次叠设。

所述转子轴，穿设第一轴承，且转子轴为中空结构，在第一轴承与转子轴之间布设预压力调整垫片2，第一轴承与转子组件之间布设辅助调整垫片，调整预压力调整垫片和辅助调整垫片的厚度即可以调整转子组件与定子组件之间的预压力。

在定子座上靠近电机轴顶端的止口端上布设轴承压盖117，且在轴承压盖内侧同轴心布设第二轴承118；

本申请中，如图2所示，所述超声电机组本体中具有力矩限制保护装置，超声电机组本体包含两个摩擦副，其中定子组件的齿面与转子组件的摩擦材料表面构成第一摩擦副，为超声电机驱动摩擦副，输入摩擦盘的外圈圆环表面与输出摩擦盘组件的摩擦片1122表面构成第二摩擦副，为力矩保护装置摩擦副；

实现本申请中避免出现定转子摩擦接触面破坏的力矩限制保护装置，如图2所示，在转子的内腹板表面布设输入摩擦盘，且输入摩擦盘与转子轴固联；在输入摩擦盘表面叠设输出摩擦盘组件，输出摩擦盘组件包括输出摩擦盘1121和摩擦片，输出摩擦盘的内腹板固设在穿设第三轴承的输出轴上，其中，在外壳中心套设预压力调整螺母，第三轴承嵌设在预压力调整螺母的内孔上，旋转预压力调整螺母可以调整输入摩擦盘和输出摩擦盘组件之间的预压力，进而调整输入摩擦盘和输出摩擦盘组件之间的静摩擦力大小；在具体实施时，超声电机组本体输出轴传动的最大转矩取决于输入摩擦盘和输出摩擦盘组件之间的静摩擦转矩，因此只要保证静摩擦转矩满足一定的要求，即可保证超声电机组本体定转子摩擦接触面不被破坏，保证谐波减速器3不被损坏。

在本申请中，实现超声电机输出转速、转矩以及角度位置要求的部件包括谐波减速器以及高精度编码器组件，同时包括一些辅助结构，如垫片以及编码器支架，那么在安装时，垫片、谐波减速器、编码器支架以及高精度编码器组件由超声电机组本体向电机轴的底端顺次排布。

图3所示，所述谐波减速器包括波发生器301、柔轮302、钢轮303、异形轴承和密封圈305，以电机轴的中心轴线为中心线，波发生器同轴心套设在输出轴上，在输出轴与波发生器之间设置垫片，改变垫片的厚度即可调整波发生器端面与柔轮齿端面的距离；钢轮其中一端面同轴心固定安装在异形轴承内圈3041端面上，且钢轮另一端面与电机轴的法兰盘固定连接；柔轮同轴心固定安装在异形轴承外圈3042端面上，同时异形轴承外圈以及柔轮同轴心固定安装在外壳上；异形轴承外圈和钢轮之间嵌设密封圈。

所述高精度编码器组件包括码盘和编码器外壳(这里的编码器外壳包含编码器读头)，编码器的码盘套设固定在电机轴靠近底端位置，在码盘上覆设编码器外壳，其中，编码器支架同轴心安装在异形轴承外圈上，编码器外壳(含编码器读头)与编码器支架固定。

在上述结构中，超声电机组本体在谐波减速器的配合下，具有自我保护功能的超声电机组本体的输出轴输出转速和转矩给谐波减速器的波发生器，减速增扭后，最终由电机轴输出转速和力矩，高精度编码器组件反馈电机轴的输出转速、角度位置等信息，实现超声电机输出转速的大幅度降低，输出转矩以及输出角分辨率的大幅度提高。输入摩擦盘和输出摩擦盘组件之间的配合使得具有自我保护功能的超声电机组本体不会出现使用到最大转矩的情况，避免超声电机组本体的定转子摩擦接触面的破坏；在输出端卡死或负载力矩过大的时候，输入摩擦盘和输出摩擦盘组件出现滑动摩擦，可避免谐波减速器被破坏和超声电机组本体的定转子摩擦接触面的破坏。

具体的，需要结合实施方式来做进一步陈述，首先我们需要定义超声电机驱动摩擦副(定子组件、柔性转子组件)输出最大转矩为T₃，超声电机驱动摩擦副(定子组件、柔性转子组件)输出的最大工作转矩为T₁，力矩保护装置摩擦副(输入摩擦盘和输出摩擦盘组件)的静摩擦转矩为T₂，谐波减速器瞬间允许的最大转矩为T₄，谐波减速器输出减速比为i，其中，T₁为T₃的70％～85％，即T₁＝(70％～85％)·T₃，静摩擦转矩T₂小于或者等于最大工作转矩T₁，同时静摩擦转矩T₂小于或者等于T₄/i，静摩擦转矩T₂的上限值取T₁、T₄/i中的较小值；

当T₁≤T₄/i时，也即取T₂＝T₁，在电机输出端施加的负载大于等于i·T₂(含电机负载端因故障将电机轴卡死的情况)时，回传至力矩保护装置摩擦副的转矩达到其静摩擦力矩极限值T₁后，力矩保护装置摩擦副出现打滑，即输入摩擦盘和输出摩擦盘组件将出现打滑，此时谐波减速器承受的实际转矩为i·T₁(因传动的最大转矩取决于力矩保护装置摩擦副的最大静摩擦转矩)，而i·T₁≤T₄，即谐波减速器的柔轮、柔轮上的齿和钢轮上的齿也不会遭到破坏，保护了谐波减速器；同时，回传至超声电机驱动摩擦副的实际转矩为T₁，而T₁＝T₂＜T₃，即超声电机组本体不会出现使用到最大转矩T₃(即堵转)的情况，避免了定转子之间的摩擦接触面破坏，保护了超声电机组本体；

当T₁＞T₄/i时，也即取T₂＝T₄/i，在电机输出端施加的负载大于等于T₄(含电机负载端因故障将电机轴卡死的情况)时，回传至力矩保护装置摩擦副的转矩达到其静摩擦力矩极限值T₄/i后，力矩保护装置摩擦副出现打滑，即输入摩擦盘和输出摩擦盘组件将出现打滑，此时谐波减速器承受的实际转矩为T₄(因传动的最大转矩取决于力矩保护装置摩擦副的最大静摩擦转矩)，即谐波减速器的柔轮、柔轮上的齿和钢轮上的齿也不会遭到破坏，保护了谐波减速器；同时回传至超声电机驱动摩擦副的实际转矩为T₄/i，而T₄/i＝T₂＜T₁＜T₃，即超声电机组本体不会出现使用到最大转矩T₃(即堵转)的情况，避免了定转子之间的摩擦接触面破坏，保护了超声电机组本体。

谐波减速器钢轮输出减速比i₂的计算公式为

其中，Z_c为钢轮的齿数，Z_f为柔轮的齿数，R₂为钢轮输出的额定速比值。

上述阐述的是本申请给出的匹配图1-图4所示的实施例1，实现转矩、转速以及输出角分辨率达到预期效果的谐波减速器是置于超声电机组本体的后方，即图1视角中，谐波减速器靠近电机轴的底端，编码器支架以及编码器组件顺次设置在谐波减速器与电机轴底端之间，超声电机组本体的输出轴输入至谐波减速器的波发生器901，经过谐波减速器钢轮输出，最终由贯穿谐波减速器和超声电机组本体的电机轴输出。

接着本申请还给出了另一个实施例2，图5-图6所示，在此结构中，定子组件702、定子座701、定子7021、压电陶瓷片7022、柔性印制板7023、定子压盖703、柔性转子组件704、第一轴承709、辅助调整垫片710、预压力调整垫片708以及第一轴承压盖717(此处对应实施例1中的轴承压盖117)均可参照实施例1，接下来主要阐述与实施例1的差别点主要有以下几点：

首先，实现本申请中避免出现定转子摩擦接触面破坏的力矩限制保护装置预压力的施加方式，如图6所示，在转子的内腹板表面布设输入摩擦盘711，且输入摩擦盘与转子轴707固联；在输入摩擦盘表面叠设输出摩擦盘组件712，输出摩擦盘组件包括输出摩擦盘7121和摩擦片7122，输出摩擦盘的内腹板固设在穿设第三轴承715的输出轴716上，其中，在外壳713内侧与第三轴承之间嵌设摩擦盘预压力调整垫片714，也就是说实施例2中，其施加预压力的方式是更换不同厚度的预压力调整垫片来实现的。

其次，第二轴承718直接布设在转子轴内，第二轴承上压设第二轴承压盖11，第二轴承的外圈随转子轴转动，第二轴承的内圈随电机轴转动。第三，实施例2匹配的结构中，以图5视角为例，同样定义电机轴右侧为顶端，由电机轴顶端至底端顺次套设谐波减速器9、垫片8、超声电机组本体7以及高精度编码器组件15，谐波减速器(实施例2中的谐波减速器结构如图7所示)的钢轮903固定安装在前端外壳10上，前端外壳与电机轴之间还嵌设第四轴承12，并用第三轴承压盖13压住第四轴承的外圈，谐波减速器的柔轮902与电机轴14固定连接，超声电机组本体的输出轴输入至谐波减速器的波发生器，经过谐波减速器的柔轮输出，最终由贯穿谐波减速器以及超声电机组本体的电机轴输出。

那么需要额外阐述的是，实施例2中，涉及到的是谐波减速器柔轮输出减速比，定义为i₁，那么其计算公式为

其中，Z_c为钢轮的齿数，Z_f为柔轮的齿数，R₁为柔轮输出的额定速比值。

第三，采用同等减速比的谐波减速器时，实施例2匹配的结构总体上比实施例1较为紧凑，外形尺寸较小，重量较轻。

最后，需要说明的是，本发明中的电机轴(图1中序号4和图5中的序号14)并非只限制于图中所呈现的结构，该电机轴在实际应用中可以是方轴、花键轴、齿轮轴等。

在图2以及图5给出的两种实施方式中，还涉及到压线卡106或706和电机引出线缆，电机引出线缆105或705布设在定子座表面，且伸出定子座，在电机引出线缆上通过压线卡压设。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种具有自我保护功能的大转矩、高精度超声电机，包括超声电机组本体、垫片、谐波减速器、电机轴、编码器支架和高精度编码器组件，其特征在于：

垫片套设在超声电机组本体的输出轴上，谐波减速器套设在超声电机组本体的外壳上，电机轴穿设超声电机组本体，定义超声电机组本体靠近的电机轴的端部为顶端，在电机轴的底端顺次套设编码器支架、高精度编码器组件；

所述垫片、谐波减速器、编码器支架以及高精度编码器组件由超声电机组本体向电机轴的底端顺次排布。

2.根据权利要求1所述的具有自我保护功能的大转矩、高精度超声电机，其特征在于：所述超声电机组本体包括定子座、轴承端盖、第二轴承、定子组件、定子压盖、第一轴承、柔性转子组件、转子轴、预压力调整垫片、辅助调整垫片、输入摩擦盘、输出摩擦盘组件、输出轴、预压力调整螺母、外壳和第三轴承，在靠近电机轴底端的外壳中心开设与电机轴同轴心的螺纹孔，预压力调整螺母上嵌设第三轴承，并套设在外壳中心开设的螺纹孔内；

输出轴与输出摩擦盘组件同轴固联，并与电机轴同轴心穿设嵌设在预压力调整螺母上的第三轴承；

定子座中心开设与电机轴同轴心的轴承孔，且轴承孔深度为第一轴承厚度的1/2-4/5，第一轴承嵌设在定子座中心开设的轴承孔内，转子轴与电机轴同轴心穿设定子座和第一轴承；

在定子座表面还布设定子组件，定子组件内环上表面覆设定子压盖，柔性转子组件、输入摩擦盘顺次布设于定子组件表面，并套设在转子轴上。

3.根据权利要求2所述的具有自我保护功能的大转矩、高精度超声电机，其特征在于：

所述定子组件包括柔性印制板、压电陶瓷片以及定子，且柔性印制板、压电陶瓷片以及定子同轴心由电机轴顶端至底端方向顺次套设在定子座内设的凸起圆柱上；

所述柔性转子组件包括摩擦材料、转子以及减震橡胶，且摩擦材料、转子以及减振橡胶同轴心由电机轴顶端至底端方向顺次叠设。

4.根据权利要求3所述的具有自我保护功能的大转矩、高精度超声电机，其特征在于：

所述转子轴，穿设第一轴承，且转子轴为中空结构，在第一轴承与转子轴之间布设预压力调整垫片，第一轴承与柔性转子组件之间布设辅助调整垫片。

5.根据权利要求4所述的具有自我保护功能的大转矩、高精度超声电机，其特征在于：

在定子座上靠近电机轴顶端的止口端上布设轴承压盖，且在轴承压盖内侧同轴心布设第二轴承；

在转子的内腹板表面布设输入摩擦盘，且输入摩擦盘与转子轴固联；

在输入摩擦盘表面叠设输出摩擦盘组件，输出摩擦盘组件包括输出摩擦盘和摩擦片，输出摩擦盘的内腹板固设在穿设第三轴承的输出轴上。

6.根据权利要求2所述的具有自我保护功能的大转矩、高精度超声电机，其特征在于：

所述超声电机组本体包含两个摩擦副，其中定子组件的齿面与柔性转子组件的摩擦材料表面构成第一摩擦副，为超声电机驱动摩擦副，输入摩擦盘的外圈圆环表面与输出摩擦盘组件的摩擦片表面构成第二摩擦副，为力矩保护装置摩擦副；

所述的力矩保护装置摩擦副即为所述超声电机组本体具有的力矩限制保护装置。

7.根据权利要求6所述的具有自我保护功能的大转矩、高精度超声电机，其特征在于：

所述谐波减速器包括波发生器、柔轮、钢轮、异形轴承和密封圈，以电机轴的中心轴线为中心线，波发生器同轴心套设在输出轴上，在输出轴与波发生器之间设置垫片；

钢轮其中一端面同轴心固定安装在异形轴承内圈端面上，且钢轮另一端面与电机轴的法兰盘固定连接；柔轮同轴心固定安装在异形轴承外圈端面上，同时异形轴承外圈以及柔轮同轴心固定安装在外壳上；

异形轴承外圈和钢轮之间嵌设密封圈。

8.根据权利要求7所述的具有自我保护功能的大转矩、高精度超声电机，其特征在于：所述高精度编码器组件包括编码器码盘和编码器外壳；

编码器码盘套设固定在电机轴靠近底端位置，在码盘上覆设编码器外壳，其中，编码器支架同轴心安装在异形轴承外圈上，编码器外壳与编码器支架固定；

所述的编码器外壳还包含编码器读头。

9.一种基于权利要求1-8任一所述的具有自我保护功能的大转矩、高精度超声电机的实施方式，其特征在于：所述超声电机组本体的输出轴输出转速、转矩至谐波减速器的波发生器，由电机轴输出转速和力矩，高精度编码器组件反馈电机轴的输出转速以及角度位置信息。

10.根据权利要求9所述的具有自我保护功能的大转矩、高精度超声电机的实施方式，其特征在于：定义超声电机驱动摩擦副输出最大转矩为T₃，超声电机驱动摩擦副输出的最大工作转矩为T₁，力矩保护装置摩擦副的静摩擦转矩为T₂，谐波减速器瞬间允许的最大转矩为T₄，谐波减速器输出减速比为i，其中，T₁为T₃的70％～85％，即T₁＝(70％～85％)·T₃，静摩擦转矩T₂小于或者等于最大工作转矩T₁，同时静摩擦转矩T₂小于或者等于T₄/i，静摩擦转矩T₂的上限值取T₁、T₄/i中的较小值；

当T₁≤T₄/i时，也即取T₂＝T₁，当电机输出端施加的负载大于等于i·T₂时，回传至力矩保护装置摩擦副的转矩达到其静摩擦力矩极限值T₁后，力矩保护装置摩擦副出现打滑，此时谐波减速器承受的实际转矩为i·T₁，同时回传至超声电机驱动摩擦副的实际转矩为T₁，而T₁＝T₂＜T₃，且i·T₁≤T₄，因此，超声电机组本体的定子、转子之间的摩擦接触面不会出现破坏，谐波减速器不会损坏；

当T₁＞T₄/i时，也即取T₂＝T₄/i，在电机输出端施加的负载大于等于T₄时，回传至力矩保护装置摩擦副的转矩达到其静摩擦力矩极限值T₄/i后，力矩保护装置摩擦副出现打滑，此时谐波减速器承受的实际转矩为T₄，同时回传至超声电机驱动摩擦副的实际转矩为T₄/i，而T₄/i＝T₂＜T₁＜T₃，因此，超声电机组本体的定子、转子之间的摩擦接触面不会出现破坏，谐波减速器不会损坏。

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