CN107134946A - 一种具有曲面定子齿的超低转速行波超声电机 - Google Patents

Abstract

一种具有曲面定子齿的超低转速行波超声电机，它涉及一种超声电机，以解决目前超声电机连续运行的转速难以降低到超低转速范围，以及无法避免由调频、调相和调幅调速方式对定子振动状态带来的不良影响的问题，它包括柔性轴、上螺母、下螺母、基座、外壳、上角接触球轴承、下角接触球轴承、转子和定子；上螺母和下螺母分别旋拧在柔性轴的上端和下端，所述定子的一端面沿周向加工有多个定子齿，相邻两个定子齿之间的空间为齿槽，多个定子齿的上表面连为一个环形曲面，转子的轮缘的端面上铺设有与定子齿的曲面接触的一层环形摩擦材料，定子的另一端面铺设有环形压电陶瓷层。本发明用于精密驱动。

Description

一种具有曲面定子齿的超低转速行波超声电机

技术领域

本发明涉及一种超声电机，具体涉及一种具有曲面定子齿的超低转速行波超声电机，属于压电驱动技术领域。

背景技术

超声电机是一种利用压电材料的逆压电效应将电能转化为机械能的新型驱动器，其定子通常由压电陶瓷和金属弹性体组成，通过给压电陶瓷施加超声频率的交流电压实现定子弹性体中同频机械振动的激励，进而在定子驱动区域内的质点形成具有驱动作用的运动轨迹，通过定子和转子的摩擦耦合，实现转子宏观运动的输出。由于超声电机的驱动频率在超声频，其转速范围一般为几十转到数千转每分钟，通过调频、调相和调幅三种调速方式只能将超声电机的转速降低到几转每分钟，难以满足要求低速0.5r/min以下或更低驱动转速的场合，因此，研制出超低转速超声电机具有重要的应用价值。

公开号为CN201742324U，公开日为2011年02月09日，专利名称为“旋转型行波超声电机”没有采用曲面齿结构，难以适用于超低速工况。公开号为CN202111634U，公开日为2012年01月11日，专利名称为“螺母调节预压力的旋转型行波超声电机”的发明专利在输出轴上加工有一段螺纹,通过旋转预紧螺母将固联在转轴上的转子向定子的方向拉紧,通过控制预紧螺母在转轴的中心线沿定子的方向移动距离控制定子与转子之间的预压力，其不足之处在于没有采用曲面齿结构，转速难以降低到超低转速范围。公开号为CN102904482A，公开日为2013年01月30日，专利名称为“一种超声电机超低转速控制方法”的发明专利采用间断式激励控制超声电机运行于超低转速，且具有良好的转速控制性能，其实现超低转速的方式是间断式驱动而不是连续驱动，无法避免由调频、调相和调幅调速方式对定子振动状态带来的不良影响。

发明内容

本发明提供一种具有曲面定子齿的超低转速行波超声电机，为解决目前超声电机连续运行的转速难以降低到超低转速范围，以及无法避免由调频、调相和调幅调速方式对定子振动状态带来的不良影响的问题。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：一种具有曲面定子齿的超低转速行波超声电机，它包括柔性轴、上螺母、下螺母、基座、外壳、上角接触球轴承、下角接触球轴承、转子和定子；

外壳和基座可拆卸连接，基座上安装有上角接触球轴承，外壳上安装有下角接触球轴承，柔性轴安装在上角接触球轴承和下角接触球轴承上，上角接触球轴承与下角接触球轴承之间布置有转子和定子，转子与外壳相邻设置并且安装在柔性轴上，定子安装于基座上，位于转子和定子之间的柔性轴的轴段上加工有柔性铰链结构；

上螺母和下螺母分别旋拧在柔性轴的上端和下端，所述定子的一端面沿周向加工有多个定子齿，相邻两个定子齿之间的空间为齿槽，多个定子齿的上表面连为一个环形曲面，环形曲面展开后呈曲面波形，曲面波形的幅值为行波波形振幅的0.2-50倍，转子的轮缘的端面上铺设有与定子齿的曲面接触的一层环形摩擦材料，定子的另一端面铺设有环形压电陶瓷层。

本发明的有益效果是：本发明采用曲面状的定子齿来调节行波超声电机的转速，避免了由调频、调相和调幅调速方式对定子振动状态带来的不良影响，是一种行波超声电机的新型调速方式，可突破现有超声电机转速的调节极限，可以大幅度降低超声电机的转速，使超声电机具有超低转速运行的性能，本发明超声电机连续运行的转速可以降低到超低转速0.5r/min以下，可以在超低转速下连续运行，适用于需要超低速驱动的场合。由于曲面状的定子齿结构尺寸微小，不会对定子振型有较大的影响，同时发挥超声电机高频驱动的特性，保证超声电机的运行稳定性，真正实现超声电机的超低转速驱动性能。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为曲面状的定子结构示意图；

图3为一个实施例中定子展开后曲面波形为正弦波形局部示意图；

图4为另一个实施例中定子展开后曲面波形为余弦波形与方波组合示意图；

图5为另一个实施例中定子展开后曲面波形为余弦波形和方波的叠加示意图；

图6为另一个实施例中定子齿的齿根部加工有微孔的局部示意图；

图7为时间为零时三种波形状态图；

图8为四分之一行波周期下的三种波形状态示意图；

图9为二分之一行波周期下的三种波形状态示意图；

图10为四分之三行波周期下的三种波形状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

结合图1-图6说明，一种具有曲面定子齿的超低转速行波超声电机，它包括柔性轴1、上螺母2、下螺母6、基座7、外壳10、上角接触球轴承4、下角接触球轴承11、转子5和定子9；

外壳10和基座7可拆卸连接，基座7上安装有上角接触球轴承4，外壳10上安装有下角接触球轴承11，柔性轴1安装在上角接触球轴承4和下角接触球轴承11上，上角接触球轴承4与下角接触球轴承11之间布置有转子5和定子9，转子5与外壳10相邻设置并且安装在柔性轴1上，定子9安装于基座7上，位于转子5和定子9之间的柔性轴1的轴段上加工有柔性铰链结构；

上螺母2和下螺母6分别旋拧在柔性轴1的上端和下端，所述定子9的一端面沿周向加工有多个定子齿9-1，相邻两个定子齿9-1之间的空间为齿槽，多个定子齿9-1的上表面连为一个环形曲面，环形曲面展开后呈曲面波形，曲面波形的幅值为行波波形振幅的0.2-50倍，转子5的轮缘的端面上铺设有与定子齿的曲面接触的一层环形摩擦材料8，定子9的另一端面铺设有环形压电陶瓷层13。

行波的振幅在微米级，定子齿的曲面波形的振幅也在微米级，曲面状定子齿结构不会对定子的振型有较大的改变，保证定子具有良好的振动特性。另外，相对于常用的调频调速方式，本项目的调速方式不影响定子的工作频率，可以使定子工作在最优的驱动频率下，实现电机转速的调节。采用角接触轴承消除轴承的游隙，提高了超声电机的运行稳定性，增强了电机的负载能力。柔性铰链结构在弯矩的作用下能够产生一定的变形，能够传递扭矩，免装配，无摩擦磨损。为了保证上角接触球轴承4和下角接触球轴承11牢靠稳定，柔性轴1的上端和下端分别旋拧上挡圈3和下挡圈12。

参见图2说明，单个定子齿9-1的横截面为扇形。如此设置，扇形定子齿保证了与定子整体结构的匹配，定子齿的宽度接近相同，相邻齿槽宽度接近相同。更好底实现电机转速的调节。

根据不同的低转速需求，通过不同形式的曲面波形与行波波形的叠加调整摩擦界面输出力的大小，进而获得超声电机不同的转速，曲面波形的形式有以下3种：

参见图3说明，所述曲面波形为正弦波形或余弦波形。这种形式适合超低转速的工况。

参见图4说明，所述曲面波形为正弦波形和方波组合或余弦波形和方波的组合。这种形式适合转速稍高的工况。

参见图5说明，所述曲面波形为余弦波形和方波的叠加。这种形式适合转速稍高的工况且有助于改善电机的启动性能。

参见图6说明，为了保证行波的稳定性，定子齿9-1的齿根部加工有微孔9-2，微孔9-2的孔径由曲面波形的最大幅值向最小幅值方向逐渐减小。定子齿根部加工孔径不相同的微孔，以调节定子中性层的位置，保证由压电陶瓷逆压电效应产生的行波不发生畸变。

参见图1说明，为了提高电机的运转稳定性，柔性铰链结构主要由柔性轴1径向上加工的N条整圈圆弧槽1-1构成，其中N≥1。采用柔性铰链结构，实现转子与定子接触的自适应调节，柔性铰链的尺寸由给定工况要求计算得出，可以避免由于柔性轴两端固定带来转子与定子的接触不均，使定子和转子的接触可以根据接触情况进行自适应调节，增加了电机的运转稳定性。

参见图1说明，为了提高电机再启动能力，提高电机的使用说明，环形摩擦材料8采用含油摩擦材料，该含油摩擦材料包括以重量百分比计的如下：

聚合物基体：45％-80％；

摩擦调节剂：10％-30％；

碳微米管：1％-30％；

所述的聚合物基体为聚四氟乙烯与聚苯酯、聚酰亚胺或双马来酰胺任意一种的组合；

所述的摩擦调节剂为铜粉、镍粉、氧化铜、二硫化钼、石墨、纳米金刚石粉、碳纤维、玻璃纤维和稀土粉中的一种或几种的组合。

碳微米管为含油载体，可以精确控制摩擦材料的含油量，并提高其含油保持率，不限制含油材料的基体材料种类，可制备出适合不同工况下超声电机用摩擦材料；该摩擦材料还使超声电机的运转平稳、输出力矩大，有效避免经过长期存储后定转子的粘结；提高了超声电机的运转稳定性，增强了电机的负载能力。摩擦系数为0.07-0.18，磨损率为1.0×10^-8mm³/Nm-2×10^-8mm³/Nm。

工作机理

以定子齿的曲面波形的振幅等于行波振幅为例，分析曲面定子齿和转子接触界面在一个周期内的运动和受力，如图7所示。W、W₁和W₂分别为定子表面的实际波形、行波波形和定子齿的曲面波形。其中定子齿的曲面波形W₂是固定的，不随时间的变化而改变，行波波形W₁随时间的沿x轴的正向传递，定子表面实际波形W是由行波波形W₁与定子齿的曲面波形W₂叠加而来。行波波形决定定子齿表面质点的运动；实际波形决定定子齿面变形的形状，进而决定定子和转子的实际接触状态。图7为时间t＝0时，三个波形的状态。纵坐标的位移单位是mm，此时，定子齿的曲面波形与行波波形重合，实际波形振幅增大，接触区内压强升高，实际接触区变小(意味着粘滞区减少)，接触界面的摩擦驱动力增大。图8为t＝T/4时，三个波形的状态，T为行波的周期。此时，行波波形与定子齿的曲面波形不再重合，实际波形决定着定子和转子的接触，在实际接触区内存在驱动区和反驱动区，两个区域内的摩擦力方向相反。驱动区的范围变小，接触界面的摩擦驱动力变小。图9为t＝T/2时，三个波形的状态。此时，行波波形与定子齿的曲面波形相互抵消，定子表面的实际波形为平面，此时在一个波长内的摩擦驱动力为0。图10为t＝3T/4时，三个波形的状态，与图8所示的状态相似。

从上述分析可见，通过改变定子的定子齿的环形曲面结构，可以控制摩擦驱动力的大小，进而控制超声电机的转速。还可通过继续增大定子齿的曲面波形的幅值，使在某些时间段内定子产生与转子转动方向相反的摩擦力，进一步降低电机的转速，还可通过设计两种以上波形(如余弦波形和方波)的叠加对电机的转速和力矩进行调节。以往的研究中，由于超声电机驱动频率位于超声频段，其转速较快，通过传统调频、调相和调幅的调速方式难以实现超低速的要求，本项目提出的通过定子曲面齿结构的调速方式能够很好的克服这一问题。由于行波的振幅在微米级，曲面波形的振幅也在微米级，曲面状的定子齿结构不会对定子的振型有较大的改变，保证定子具有良好的振动特性。另外，相对于常用的调频调速方式，本发明的调速方式不影响定子的工作频率，可以使定子工作在最优的驱动频率下，实现电机转速的调节。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (8)

1.一种具有曲面定子齿的超低转速行波超声电机，其特征在于：它包括柔性轴(1)、上螺母(2)、下螺母(6)、基座(7)、外壳(10)、上角接触球轴承(4)、下角接触球轴承(11)、转子(5)和定子(9)；

外壳(10)和基座(7)可拆卸连接，基座(7)上安装有上角接触球轴承(4)，外壳(10)上安装有下角接触球轴承(11)，柔性轴(1)安装在上角接触球轴承(4)和下角接触球轴承(11)上，上角接触球轴承(4)与下角接触球轴承(11)之间布置有转子(5)和定子(9)，转子(5)与外壳(10)相邻设置并且安装在柔性轴(1)上，定子(9)安装于基座(7)上，位于转子(5)和定子(9)之间的柔性轴(1)的轴段上加工有柔性铰链结构；

其特征在于：上螺母(2)和下螺母(6)分别旋拧在柔性轴(1)的上端和下端，所述定子(9)的一端面沿周向加工有多个定子齿(9-1)，相邻两个定子齿(9-1)之间的空间为齿槽，多个定子齿(9-1)的上表面连为一个环形曲面，环形曲面展开后呈曲面波形，曲面波形的幅值为行波波形振幅的0.2-50倍，转子(5)的轮缘的端面上铺设有与定子齿的曲面接触的一层环形摩擦材料(8)，定子(9)的另一端面铺设有环形压电陶瓷层(13)。

2.根据权利要求1所述一种具有曲面定子齿的超低转速行波超声电机，其特征在于：单个定子齿(9-1)的横截面为扇形。

3.根据权利要求2所述一种具有曲面定子齿的超低转速行波超声电机，其特征在于：所述曲面波形为正弦波形或余弦波形。

4.根据权利要求2所述一种具有曲面定子齿的超低转速行波超声电机，其特征在于：所述曲面波形为正弦波形和方波组合或余弦波形和方波的组合。

5.根据权利要求2所述一种具有曲面定子齿的超低转速行波超声电机，其特征在于：所述曲面波形为余弦波形和方波的叠加。

6.根据权利要求3所述一种具有曲面定子齿的超低转速行波超声电机，其特征在于：定子齿(9-1)的齿根部加工有微孔(9-2)，微孔(9-2)的孔径由曲面波形的最大幅值向最小幅值方向逐渐减小。

7.根据权利要求1至6任一项权利要求所述一种具有曲面定子齿的超低转速行波超声电机，其特征在于：柔性铰链结构主要由柔性轴(1)径向上加工的N条整圈圆弧槽(1-1)构成，其中N≥1。

8.根据权利要求7所述一种具有曲面定子齿的超低转速行波超声电机，其特征在于：环形摩擦材料(8)为含油摩擦材料，该含油摩擦材料包括以重量百分比计的如下：

聚合物基体：45％-80％；

摩擦调节剂：10％-30％；

碳微米管：1％-30％；

所述的聚合物基体为聚四氟乙烯与聚苯酯、聚酰亚胺或双马来酰胺任意一种的组合；

所述的摩擦调节剂为铜粉、镍粉、氧化铜、二硫化钼、石墨、纳米金刚石粉、碳纤维、玻璃纤维和稀土粉中的一种或几种的组合。