一种大中空旋转型超声电机

1.本发明涉及精密驱动技术领域与超声电机技术领域，尤其涉及一种大中空旋转型超声电机。


背景技术：

2.旋转型超声电机是旋转型超声电机中最多的一类，已经成功应用于机械制造、智能机器人、相机镜头等民用领域。随着航空航天等高精尖领域的飞速发展，各种装备对旋转型超声电机的性能提出了苛刻的要求。特别是在空间控制力矩陀螺、空间激光通信装置、空间机械臂这些空间机构的应用领域中，旋转型超声电机必须具备低速大扭矩、长寿命、结构紧凑、能量转换效率高等优势。当前，贴片式行波型旋转超声电机发展较为成熟，因此主要应用于这些典型空间机构中。但是，由于贴片式压电陶瓷片工作在d31模式，能量利用率较低，且由于多极化分区导致陶瓷片在长时间工作状态下容易疲劳破坏，这类电机的输出扭矩提升较为困难、大尺寸环形压电陶瓷片难以加工。鉴于此，研究人员提出了很多新型的旋转型超声电机结构，典型的纵-弯模态复合型旋转超声电机，其齿环与变截面结构相结合，构成一体化的变幅杆-齿环结构，通过多组兰杰文振子与齿环的模态复合，从而驱动转子旋转。这种方案能够提高能量转换效率，提升电机的输出性能。但是，多个变幅杆与整个齿环的一体化结构显著增加了核心零件加工制造的难度，且在装配过程中难以独立调节换能器与齿环之间的应变协调性，这会造成电机装配调试的困难以及增加了电机出现问题时的故障排查难度。综上，急需找到优化性的或替代性的结构、设计、加工方案以推动旋转型超声电机在高精尖设备及特殊空间机构中高效稳定的服役。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种大中空旋转型超声电机。
4.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种大中空旋转型超声电机，包含定子、转子、输出轴、第一轴承、第二轴承、预紧螺母和预紧弹簧；所述定子包含基体、驱动模组和固定支架；所述基体为两端开口的空心圆柱体；所述输出轴分别和第一轴承、第二轴承的内圈同轴固连；所述第一轴承、第二轴承的外圈均和所述基体的内壁同轴固连，使得输出轴和基体同轴且输出轴的两端分别从基体两端伸出；所述驱动模组包含法兰盘、m*n个兰杰文换能器、以及n个驱动板，m、n均为大于等于2的自然数；所述兰杰文换能器包含前梁、2p个压电陶瓷片、后梁和预紧螺栓，p为大于等于1的自然数；
所述前梁呈变截面结构，其横截面从下到上逐渐变小，且下端面中心设有和所述预紧螺栓相配合的螺纹盲孔；所述后梁为柱体，其沿轴线设有供所述预紧螺栓穿过的通孔；所述压电陶瓷片和后梁横截面形状相同，沿其厚度方向极化，中心设有供所述预紧螺栓穿过的通孔；所述法兰盘呈圆环状，其上周向均匀设有m*n个和所述安装兰杰文换能器一一对应的安装通孔；所述2p个压电陶瓷片对称设置在法兰盘上其所在兰杰文换能器对应的安装通孔的两侧；所述预紧螺栓依次穿过后梁、p个压电陶瓷片、法兰盘上其所在兰杰文换能器对应的安装通孔、另外p个压电陶瓷片后和所述前梁的螺纹盲孔螺纹相连，将2p个压电陶瓷片和法兰盘夹紧在后梁和前梁之间；相邻压电陶瓷片的极化方向相反；所述m*n个兰杰文换能器周向均匀分为n个换能器组，每个换能器组均包含相邻m个兰杰文换能器；所述驱动板呈扇面状，n个驱动板和n个换能器组一一对应，驱动板的下端面和其对应换能器组中m个兰杰文换能器的前梁的上端均固连；所述驱动板的上端面沿其长度方向均匀设有q个驱动齿， q为大于等于1的自然数；所述法兰盘通过固定支架和所述基体固连；所述转子呈圆盘状，其中心设有和所述输出轴配合的通孔，下端面设有摩擦层；所述转子套在输出轴上，其摩擦层和各个驱动板上的驱动齿相抵，且转子通过其中心的通孔和所述输出轴键连接，使得转子周向和输出轴固定、轴向能够相对输出轴自由滑动；所述输出轴上端设有和所述预紧螺母相配合的螺纹；所述预紧螺母和所述输出轴的上端螺纹相连；所述预紧弹簧套在预紧螺母和转子之间的输出轴外，一端和预紧螺母相抵，另一端和转子相抵；所述预紧螺母用于调节转子的摩擦层和驱动板上的各个驱动齿之间的预压力。
5.作为本发明一种大中空旋转型超声电机进一步的优化方案，所述摩擦层采用高硬度材料，通过环氧树脂胶粘在转子下端面。
6.作为本发明一种大中空旋转型超声电机进一步的优化方案，所述n取4。
7.作为本发明一种大中空旋转型超声电机进一步的优化方案，所述法兰盘在mn个安装通孔内侧周向均匀设有q个固定通孔，q为大于等于3的自然数；所述法兰盘通过q个固定通孔和所述固定支架固连；所述法兰盘在mn个安装通孔和q个固定通孔之间还周向均匀设有若干个个弧形通槽，以减少对各个兰杰文换能器的振动影响。
8.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1. 本发明不受限于大尺寸贴片式多分区极化压电陶瓷环难加工的问题，将贴片式改成夹心式，充分利用压电陶瓷d33系数大的优势，提高机电转换效率，改善机械输出性能。
9.2. 本发明选用高硬度高耐磨材料，能够在增强输出性能的同时延长摩擦界面的寿命。
10.3. 本发明采用了模块化设计方法，其中驱动模组结构设计灵活，可根据应用领域的具体需求及电机的结构总体设计尺寸合理选择驱动单元的数量以及驱动单元中的兰杰文换能器的数量。总体规律为：电机外径越大，可装配的模块数量越多。兰杰文换能器的数量越多，驱动单元的驱动能力越强；驱动单元数量越多，电机驱动力矩越大、输出功率越高。
11.4. 本发明采用了模块化设计方法，其中驱动单元之间的振动不会相互干扰、不会产生模态的不良耦合，避免了难以调试的难题。独立驱动单元中，通过相邻兰杰文换能器之间特定相位差的驱动信号，可以更加容易的在驱动齿处形成闭合的振动轨迹，进一步降低了设计的难度。
12.5. 本发明采用了模块化设计方法，其中驱动模组中的驱动单元独立制造、独立装配、独立调试、独立维修，可以方便快速的拆卸更换，其设计计算的成本和效率大幅度降低，并且加工制造的成本和难度也大幅度降低。
附图说明
13.图1 是本发明的剖面示意图；图2 是本发明中驱动模组的结构示意图；图3 是本发明中驱动单元中的一种压电陶瓷片极化方向配置方式示意图；图4 是本发明的驱动示意图；图5 是本发明中独立驱动单元的工作原理示意图；图6 是本发明中独立驱动单元的扩展原理示意图。
14.图中，1-基体，2-转子，3-输出轴，4-第一轴承，5-第二轴承，6-驱动板，7-前梁，8-压电陶瓷片，9-后梁，10-预紧螺栓，11-转子和输出轴之间的键，12-预紧螺母，13-预紧弹簧，14-法兰盘，15-驱动齿，16-固定通孔，17-弧形通槽。
实施方式
15.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
16.应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各个元件、组件和/或部分，但这些元件、组件和/或部分不受这些术语限制。这些术语仅仅用于将元件、组件和/或部分相互区分开来。因此，下面讨论的第一元件、组件和/或部分在不背离本发明教学的前提下可以成为第二元件、组件或部分。
17.现有行波型旋转超声电机由于采用贴片式压电陶瓷而带来的能量利用效率低、长时间交变应力下陶瓷易碎裂、大尺寸环状多分区压电陶瓷加工难度大、电机稳定运转时间短的问题而提出的夹心式电机结构；而现有的纵-弯模态复合型旋转超声电机结构中存在的核心零部件难以加工，电机难以装配，调试难度高，故障难以排查；针对这些缺陷，如图1所示，本发明公开了一种大中空旋转型超声电机，采用模块化设计，包含定子、转子、输出轴、第一轴承、第二轴承、预紧螺母和预紧弹簧；所述定子包含基体、驱动模组和固定支架；
所述基体为两端开口的空心圆柱体；所述输出轴分别和第一轴承、第二轴承的内圈同轴固连；所述第一轴承、第二轴承的外圈均和所述基体的内壁同轴固连，使得输出轴和基体同轴且输出轴的两端分别从基体两端伸出；如图2所示，所述驱动模组包含法兰盘、m*n个兰杰文换能器、以及n个驱动板，m、n均为大于等于2的自然数；所述兰杰文换能器包含前梁、2p个压电陶瓷片、后梁和预紧螺栓，p为大于等于1的自然数；所述前梁呈变截面结构，其横截面从下到上逐渐变小，且下端面中心设有和所述预紧螺栓相配合的螺纹盲孔；所述后梁为柱体，其沿轴线设有供所述预紧螺栓穿过的通孔；所述压电陶瓷片和后梁横截面形状相同，沿其厚度方向极化，中心设有供所述预紧螺栓穿过的通孔；所述法兰盘呈圆环状，其上周向均匀设有m*n个和所述安装兰杰文换能器一一对应的安装通孔；所述2p个压电陶瓷片对称设置在法兰盘上其所在兰杰文换能器对应的安装通孔的两侧；所述预紧螺栓依次穿过后梁、p个压电陶瓷片、法兰盘上其所在兰杰文换能器对应的安装通孔、另外p个压电陶瓷片后和所述前梁的螺纹盲孔螺纹相连，将2p个压电陶瓷片和法兰盘夹紧在后梁和前梁之间；相邻压电陶瓷片的极化方向相反；所述m*n个兰杰文换能器周向均匀分为n个换能器组，每个换能器组均包含相邻m个兰杰文换能器；所述驱动板呈扇面状，n个驱动板和n个换能器组一一对应，驱动板的下端面和其对应换能器组中m个兰杰文换能器的前梁的上端均固连；所述驱动板的上端面沿其长度方向均匀设有q个驱动齿， q为大于等于1的自然数；所述法兰盘通过固定支架和所述基体固连；所述转子呈圆盘状，其中心设有和所述输出轴配合的通孔，下端面设有摩擦层；所述转子套在输出轴上，其摩擦层和各个驱动板上的驱动齿相抵，且转子通过其中心的通孔和所述输出轴键连接，使得转子周向和输出轴固定、轴向能够相对输出轴自由滑动；所述输出轴上端设有和所述预紧螺母相配合的螺纹；所述预紧螺母和所述输出轴的上端螺纹相连；所述预紧弹簧套在预紧螺母和转子之间的输出轴外，一端和预紧螺母相抵，另一端和转子相抵；所述预紧螺母用于调节转子的摩擦层和驱动板上的各个驱动齿之间的预压力。
18.所述摩擦层采用高硬度材料，通过环氧树脂胶粘在转子下端面；n优先取4。
19.所述法兰盘具体连接时，在mn个安装通孔内侧周向均匀设有q个固定通孔，q为大于等于3的自然数；所述法兰盘通过q个固定通孔和所述固定支架固连；所述法兰盘在mn个安装通孔和q个固定通孔之间还周向均匀设有若干个个弧形通槽，以减少对各个兰杰文换能器的振动影响。
20.本发明中，每个换能器组和其对应的驱动板形成一个驱动单元，各个驱动单元之间相互独立，避免了振动模态的耦合。兰杰文换能器工作在纵振模态，兰杰文换能器的机械性能能够通过调整压电陶瓷片的配置数目实现；驱动单元中相邻兰杰文换能器的信号具有一定的相位差，如90
°
相位差，以此在驱动齿处构建闭合振动轨迹；驱动单元中的驱动板则有两种工作模式：共振式与非共振式。
21.本发明中驱动模组的结构设计灵活，可以根据应用领域的具体需求及电机的结构总体设计尺寸合理选择驱动单元的数量以及驱动单元中的兰杰文换能器的数量。其总体规律为：电机外径越大，可装配的驱动单元数量越多。兰杰文换能器的数量越多，单个驱动单元的驱动能力越强；驱动单元数量越多，整机驱动力矩越大。驱动模组中的驱动单元可以方便快速的更换，设计迭代效率比传统纵-弯模态耦合型旋转超声电机的设计迭代效率高。
22.同一个驱动单元的机械性能可通过改变兰杰文换能器的数目m，以及更改兰杰文换能器中的压电陶瓷片的个数2p实现。
23.如图3所示为本实施例的其中一种压电陶瓷片极化配置方式，即同一个驱动单元中的压电陶瓷片两两叠放，上下相邻压电陶瓷片的极化方向相反。
24.如图4所示，信号发生器发出两相成特定相位差的信号，通过功率放大器放大，作用于驱动单元中的压电陶瓷片上，激发出兰杰文换能器的交替纵向振动。
25.如图5所示，所述驱动单元中，相邻兰杰文换能器的信号具有一定的相位差，在本实施例中，对左侧兰杰文换能器施加起始相位为0
°
的驱动信号，对右侧的兰杰文换能器施加起始相位为90
°
的驱动信号，以此在驱动齿处构建闭合的振动轨迹，并且当驱动信号的频率接近兰杰文换能器的纵振共振频率时，能量利用率最大，驱动效果最好。
26.如图6所示，对所述驱动单元进行扩展配置，即兰杰文换能器的数目为3个，通过特定的驱动信号相位差、信号频率及压电陶瓷片的极化配置方式，在相邻两个兰杰文换能器中间的驱动板上驱动齿均能实现闭合的振动轨迹。
27.本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包含技术术语和科学术语）具有与本发明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。
28.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种大中空旋转型超声电机，其特征在于，包含定子、转子、输出轴、第一轴承、第二轴承、预紧螺母和预紧弹簧；所述定子包含基体、驱动模组和固定支架；所述基体为两端开口的空心圆柱体；所述输出轴分别和第一轴承、第二轴承的内圈同轴固连；所述第一轴承、第二轴承的外圈均和所述基体的内壁同轴固连，使得输出轴和基体同轴且输出轴的两端分别从基体两端伸出；所述驱动模组包含法兰盘、m*n个兰杰文换能器、以及n个驱动板，m、n均为大于等于2的自然数；所述兰杰文换能器包含前梁、2p个压电陶瓷片、后梁和预紧螺栓，p为大于等于1的自然数；所述前梁呈变截面结构，其横截面从下到上逐渐变小，且下端面中心设有和所述预紧螺栓相配合的螺纹盲孔；所述后梁为柱体，其沿轴线设有供所述预紧螺栓穿过的通孔；所述压电陶瓷片和后梁横截面形状相同，沿其厚度方向极化，中心设有供所述预紧螺栓穿过的通孔；所述法兰盘呈圆环状，其上周向均匀设有m*n个和所述安装兰杰文换能器一一对应的安装通孔；所述2p个压电陶瓷片对称设置在法兰盘上其所在兰杰文换能器对应的安装通孔的两侧；所述预紧螺栓依次穿过后梁、p个压电陶瓷片、法兰盘上其所在兰杰文换能器对应的安装通孔、另外p个压电陶瓷片后和所述前梁的螺纹盲孔螺纹相连，将2p个压电陶瓷片和法兰盘夹紧在后梁和前梁之间；相邻压电陶瓷片的极化方向相反；所述m*n个兰杰文换能器周向均匀分为n个换能器组，每个换能器组均包含相邻m个兰杰文换能器；所述驱动板呈扇面状，n个驱动板和n个换能器组一一对应，驱动板的下端面和其对应换能器组中m个兰杰文换能器的前梁的上端均固连；所述驱动板的上端面沿其长度方向均匀设有q个驱动齿， q为大于等于1的自然数；所述法兰盘通过固定支架和所述基体固连；所述转子呈圆盘状，其中心设有和所述输出轴配合的通孔，下端面设有摩擦层；所述转子套在输出轴上，其摩擦层和各个驱动板上的驱动齿相抵，且转子通过其中心的通孔和所述输出轴键连接，使得转子周向和输出轴固定、轴向能够相对输出轴自由滑动；所述输出轴上端设有和所述预紧螺母相配合的螺纹；所述预紧螺母和所述输出轴的上端螺纹相连；所述预紧弹簧套在预紧螺母和转子之间的输出轴外，一端和预紧螺母相抵，另一端和转子相抵；所述预紧螺母用于调节转子的摩擦层和驱动板上的各个驱动齿之间的预压力。2.根据权利要求1所述的大中空旋转型超声电机，其特征在于，所述摩擦层采用高硬度材料，通过环氧树脂胶粘在转子下端面。3.根据权利要求1所述的大中空旋转型超声电机，其特征在于，所述n取4。4.根据权利要求1所述的大中空旋转型超声电机，其特征在于，所述法兰盘在mn个安装
通孔内侧周向均匀设有q个固定通孔，q为大于等于3的自然数；所述法兰盘通过q个固定通孔和所述固定支架固连；所述法兰盘在mn个安装通孔和q个固定通孔之间还周向均匀设有若干个个弧形通槽，以减少对各个兰杰文换能器的振动影响。

技术总结
本发明公开了一种大中空旋转型超声电机，包含定子、转子、输出轴、第一轴承、第二轴承、预紧螺母和预紧弹簧；定子包含基体、驱动模组和固定支架；驱动模组包含法兰盘、m*n个兰杰文换能器、以及n个驱动板。兰杰文换能器工作在其纵振模态，本发明利用兰杰文换能器之间的特定信号相位差使所有驱动单元具备驱动能力，多个模块通过有序组合，同步驱动转子旋转。本发明具有结构设计快速、模块化组合形式灵活多样，模块化的设计方式完全不受电机尺寸的影响，并且尤其适合应用于大直径中空超声电机，核心部件调试和更换方式简便、输出扭矩大、能量利用率高、工作寿命长，可广泛应用于航空航天、精密光学、精密制造领域。精密制造领域。精密制造领域。


技术研发人员：杨颖 马欣驰 皮奥特沃尔
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/9/20