[發明專利]雙定轉子階梯軸結構盤狀行波超聲電機

無效

• 申請號: 200910185434.2
• 申請日: 2009-11-09
• 公開（公告）號: CN101702592A
• 公開（公告）日: 2010-05-05
• 發明（設計）人: 趙淳生;尹育聰;姚志遠;陳超;蘆丹
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H02N2/16
• 分類號: H02N2/16
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 唐小紅

技術領域

本發明屬于超聲電機技術領域，特別涉及一種組合結構的盤狀旋轉行波超聲電機。?

背景技術

盤狀行波超聲電機是新型特種電機，利用壓電陶瓷片的逆壓電效應，將電能轉化為定子金屬振動體的機械能，在定子表面產生超聲頻率的微幅振動，通過振動模態疊加在定子表面形成行波，利用軸向預壓力和接觸表面摩擦力將定子振動體的微米量級振動轉換為轉子的回轉，從而輸出機械能以帶動負載工作。盤狀行波超聲電機可用于航空航天領域和生物醫療領域，具有如下特點：?

(1)結構緊湊，設計靈活、功率體積比大。?

(2)低速大轉矩，無需減速機構可直接驅動負載。?

(3)轉子質量小，啟動停止響應時間為毫秒級。?

(4)定子振幅是微米級，且斷電自鎖力矩大，位置和速度控制性好，位移分辨率高。?

(5)不產生磁場，亦不受外界磁場干擾。?

(6)工作頻率在20kHz以上，低噪聲運行。?

(7)可在真空、高/低溫等極端環境下運轉。?

圖1的第一種電機為已有的單定轉子盤狀行波超聲電機，定子由壓電陶瓷片與定子振動體黏結而成，放置于定子基座上，在定子的上表面由薄盤狀轉子直接變形壓在其上。軸的中上部有軸環，軸環下端面由螺釘與轉子連接，軸環上端面通過止推軸承置于圓罩狀外殼中，軸的下端經普通軸承穿過定子基座。圓罩狀外殼通過螺釘固定在定子基座上，通過圓罩狀外殼內的止推軸承與軸的軸環上端面的配合，構成了限定軸沿軸上移的單向幾何約束，同時，在軸的軸環上端面與圓罩狀外殼內的止推軸承之間設置有預壓力調整墊片，直接通過轉子的彎曲變形來調節定轉子間的預壓力。圖2是第一種電機的定轉子接觸示意圖，由于薄盤狀轉子彎曲剛度較小時，定子振動體和轉子的接觸摩擦副存在有變形匹配，這種變形?匹配使定轉子在接觸振動中始終保持較大的徑向接觸區域，從而保證了盤狀行波超聲電機具有輸出轉矩大、機械效率高的優點。?

由于盤狀行波超聲電機的原理是利用定子振動體產生周向行波，通過摩擦來驅動轉子的，當壓電陶瓷片工作在額定功率時，提高驅動摩擦力的方法包括增加軸向預壓力和增大行波振幅，而軸向預壓力的增加伴隨有行波振幅的下降，因此，盤狀行波超聲電機的最大輸出轉矩存在限制。在要求結構尺寸小但輸出轉矩大的場合，目前盤狀行波超聲電機有兩種典型的結構組合方案：?

(1)雙定子單轉子盤狀行波超聲電機?

兩個定子具有完全相同的結構，上下對置夾住中間單個轉子，通過軸輸出轉矩。圖3的第二種電機是文獻《一種旋轉式超聲電機》(發明專利，公開號CN1909355A)所提出的電機結構方案，兩個定子由上圓盤型壓電陶瓷片、上定子振動體(上薄圓臺金屬彈性體)、下定子振動體(下薄圓臺金屬彈性體)、下圓盤型壓電陶瓷片組成，中間單個轉子為中間轉子(圓環型轉子)，定轉子由緊固螺母與緊固螺栓固定，并通過碟形彈簧調節定轉子間的預壓力，該結構方案的定轉子接觸狀態如圖4所示，中間轉子(圓環型轉子)夾持在下定子振動體(下薄圓臺金屬彈性體)和上定子振動體(上薄圓臺金屬彈性體)之間，中間轉子(圓環型轉子)不發生彎曲變形，定轉子之間的徑向接觸區域較小，從而降低了電機的輸出轉矩和機械效率。圖5的第三種電機是文獻《A?new?method?of?improving?thetorque?of?a?travelling?wave?ultrasonic?motor》(Proceedings?of?the?1999IEEE/ASME?International?Conference?on?Advanced?Intelligent?MechatronicsSeptember?19-23.1999?Atlanta，USA)中的電機結構示意圖，下定子由下壓電陶瓷片、下定子振動體組成，上定子由上定子振動體、上壓電陶瓷片組成，中間單個轉子為中間轉子，定轉子間的預壓力通過下碟形彈簧與上碟形彈簧調節，在電機運轉過程中，中間單個轉子與下定子之間的變形匹配由下定子塞、下針孔支撐、下碟形彈簧、下止推軸承等外圍輔助機構共同實現，中間單個轉子與上定子之間的變形匹配由上止推軸承、上碟形彈簧、上針孔支撐、上定子塞等外圍輔助機構共同實現，該結構組合方案通過定子的彎曲變形實現了定轉子間的變形匹配，但由于定子的振動邊界條件比較復雜，存在振動模態混疊的問題，增加了電機在設計、加工、制作、調試過程中的難度，影響電機的輸出性能，而且由于兩?個定子的外圍輔助機構復雜，相應電機的體積較大。?

(2)雙定轉子盤狀行波超聲電機?