CN107888107A - 一种内置于超声电机的调节预压力方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种内置于超声电机的调节预压力方法及装置，其特征是在超声电机原***中嵌入一个预压力调节装置，该预压力调节装置包括一个长方块型压电叠堆，该长方块型压电叠堆安装于柔性放大机构周向均布的三个输入端上，压电叠堆通电后伸长并输出力和位移，经过柔性放大机构放大将力与位移施加在碟簧上，再经压套和推力轴承为超声电机定转子接触界面提供稳定的预压力；压电叠堆的预紧力通过与壳体旋合的预紧螺母压紧外露壳体的楔形块实现调节；超声电机启动时对定子施加一定范围内的不同频率电压进行电机扫频启动以及对压电叠堆施加不同的电压信号实现不同定转子接触界面进行电机扫压启动。本发明结构简单紧凑，控制特性好，调节范围广且精密，无电磁干扰，可保持较高的机械和力学一致性，加工成本低。

Description

一种内置于超声电机的调节预压力方法及装置

技术领域

本发明涉及一种超声电机技术，尤其是一种以旋转行波型超声电机为代表需预紧的驱动装置的预压力调节技术，具体地说是一种基于微位移两级放大的压电作动装置在超声电机等驱动装置的一种内置于超声电机的调节预压力方法及装置。

背景技术

众所周知，超声电机（ultrasonic motor，USM）是一种新型微特电机，其工作原理是利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体（定子）在超声频段内的微幅振动，并通过定、转子之间的摩擦作用将振动转成转子的旋转运动，输出功率，驱动负载。但是在超声电机实用化进程中，超声电机遇到了很多问题。如电机柔性转子或者碟簧对刚性转子所施加的预压力不稳定导致了超声电机一致性下降；再如超期储存条件下，超声电机施加预压力的元件发生应力松弛，同时定转子接触界面摩擦材料发生蠕变导致“齿陷”（转子摩擦材料因长时间受压变形而陷入定子齿槽中）。以上问题均是目前预压力不可调节或者预压力不能卸载所导致。针对以上问题，有学者提出利用电磁吸合装置控制超声电机的预压力，但该装置体积过大，电磁线圈发热，同时使得超声电机原本无电磁干扰的巨大优势完全丧失，所以利用电磁吸合装置控制与预压力的方法有待进一步商榷。

压电叠堆是将多个晶片叠加起来，以实现较低电压下的较大变形和输出力。它由压电陶瓷片、绝缘体、内部电极以及外部电极等部分组成，采用机械上串联，电极上并联的方式，具有输入电压低、功耗低、变形大、输出力大、响应快、位移可重复性好、体积效率高以及电磁控制相对简单等优点，它与放大机构配合广泛应用于精密进给机构和高精度精密直线驱动器等。

故发明人考虑到当前超声电机由预压力不稳定性导致的诸多问题，以及压电叠堆作动器优良的控制性能和精密驱动特征。设计了一种压电作动器的预压力调节装置，并以超声电机为代表进行了融合***设计。该种预压力调节方法可成功解决超声电机为代表由预压力不稳定所导致的各种问题，也可推广到其他各种需要预紧的装置中，如磁致伸缩致动器等驱动装置。

发明内容

本发明的目的是针对现有的超声电机预压力调整不便，影响电机启动和存储的问题，发明一种超声电机的预压力调节方法，同时提供相应的调节机构。

本发明的技术方案之一是：

一种内置于超声电机的预压力调节方法，其特征是在超声电机原***中嵌入一个预压力调节装置，该预压力调节装置包括一个长方块型压电叠堆，该长方块型压电叠堆安装于柔性放大机构周向均布的三个输入端上，压电叠堆通电后伸长并输出力和位移，经过柔性放大机构放大将力与位移施加在碟簧上，再经压套和推力轴承为超声电机定转子接触界面提供稳定的预压力；压电叠堆的预紧力通过与壳体旋合的预紧螺母压紧外露壳体的楔形块实现调节；超声电机启动时对定子施加一定范围内的不同频率电压进行电机扫频启动以及对压电叠堆施加不同的电压信号实现不同定转子接触界面进行电机扫压启动；这两种启动方式综合作用能杜绝电机处于启动死区，改善超声电机启动特性。

超声电机工作过程中，通过控制压电叠堆的电参数可精确控制作用在电机定转子接触界面的压力，精确调控电机输出力矩，并与外负载相匹配以适应不同工况，同时减小定转子接触界面间非必要压力带来的额外磨损与能量浪费；当超声电机处于待机状态时，压电叠堆不断电，以保证超声电机在主电路断电后的自锁特性，当超声电机需要长期存储时，压电叠堆完全断电，调节预紧螺母可使碟簧产生保持定转子两者间以及推力轴承上圈，滚动体和下圈三者间不相互脱离的所需要的压力，解决超声电机长期储存条件下转子摩擦材料齿陷、蠕变和碟簧应力松弛问题，同时减小长期储存之后的电机预压力不确定性。

压电叠堆的一端与放大机构的输入端配合，另一端由楔形块压紧在叠堆固定板的安装槽中，上表面与电机上壳体内的加强筋贴合防止叠堆脱落或在上壳体与压电叠堆之间安装压缩弹簧保持柔性压紧。

柔性放大机构由兼具弹性恢复性能及刚度的弹簧钢制备而成；它由第一级杠杆放大，第二级由三角形放大，可获得较大的放大倍数的同时可较为合理的利用上壳体顶部空间。

柔性放大机构上固定环与叠堆固定板上表面台阶配合并通过沉头螺钉连接，叠堆固定板内圆与上壳体轴承外壳部分配合并与上壳体通过沉头螺钉连接；转子上方留有安装风扇叶的空间，以利于长时间工作下的电机散热，风扇叶与转轴固定相连，转轴与转子相连。

转轴与转子之间通过方孔连接并涂润滑油，在传递扭矩的同时，转子在放大机构输出端的推动下能沿转轴轴向微幅滑动；在超声电机强冲击工作环境下，转轴与转子该种连接方式能增强电机的抗冲击性能。

本发明的技术方案之二是：

一种超声电机的预压力调节方法，其特征在于它能拓宽推广到各种需要预紧的装置中，尤其是能应用在磁致伸缩致动器的驱动装置中。

本发明的技术方案之三是：

一种内置于超声电机的预压力调节装置，其特征是它包括长方块型压电叠堆14，该长方块型压电叠堆14安装在上壳体12上并与柔性放大机构13相连，柔性放大机构13与碟簧18相接触，碟簧18与压套19配合通过推力球轴承压紧在转子19上，转子19驱动转轴1转动输出。

所述的长方块型压电叠堆14的一端与柔性放大机构13周向均布的输入端配合，另一端由楔形块15压紧在叠堆固定板7的安装槽中，上表面与电机上壳体12内的加强筋贴合以防止长方块型压电叠堆14脱落；长方块型压电叠堆14的引线焊于玻璃纤维电路环板9上，并通过副接口10接入外部的控制信号；所述的柔性放大机构13由第一级杠杆放大机构和第二级三角形放大机构组成，柔性放大机构13的上固定环上均布有通槽，该通槽与叠堆固定板7的安装槽对齐，便于长方块型压电叠堆14的安装。柔性放大机构13的上固定环与叠堆固定板7的上表面为台阶配合并通过沉头螺钉连接，叠堆固定板7内圆与上壳体12通过沉头螺钉连接；柔性放大机构13的输出端有凸环与碟簧18的内圆紧密配合。

在上壳体12与长方块型压电叠堆14之间安装用压缩弹簧以保持柔性压紧。

本发明的有益效果：

本发明超声电机预压力调节结构简单紧凑，控制特性好，调节范围广且精密，无电磁干扰，可保持较高的机械和力学一致性，加工成本低，可与***进行融合设计。本发明亦可拓宽推广到各种需要预紧的装置中，如磁致伸缩致动器等驱动装置。

本发明通过将整个预压力调节装置嵌入超声电机原***中。当超声电机启动时，可同时对定子施加一定范围内的不同频率电压进行电机扫频启动以及对压电叠堆施加不同的电压信号实现不同定转子接触界面进行电机扫压启动。这两种启动方式综合作用可杜绝电机处于启动死区以改善超声电机启动特性。当超声电机运转时，通过控制压电叠堆的电压参数可精确控制作用在电机定转子接触界面的压力，精确调控电机输出力矩，并与外负载相匹配以适应不同工况。当超声电机长期储存时，压电叠堆完全断电，预紧螺母可将电机定转子接触界面的压力维持在定转子不相互脱离的水平即可。这解决了超声电机长期储存条件下转子摩擦材料“齿陷”、蠕变和碟簧应力松弛等问题，同时可减小经过长期储存后的电机预压力不确定性。本发明超声电机预压力调节结构简单紧凑，调节范围广且精密，无电磁干扰，可保持较高的机械和力学一致性，加工成本低，可与***进行融合设计，并且该种预压力调节方法与装置可推广在各种需要预紧的，诸如压电作动器和磁致伸缩致动器等驱动装置中。

附图说明

图1是本发明的电机装配图。

图2是本发明的电机外形图。

图3是本发明的放大机构组件装配图。

图4是本发明的放大机构结构简图。

图5是本发明的放大机构变形仿真图。

图6是图1的立体分解结构示意图。

图中：1为转轴，2为下轴承，3为导电膜，4为主接口，5为摩擦材料，6为凑拢橡胶，7为叠堆固定板，8为压紧螺母，9为下班纤维环，10为副接口，11为上轴承12为上壳体，13为柔性放大机构，14为压电叠堆，15为楔形块，16为压电叠堆与楔块安放槽，18为碟簧，19为压套，20为推力轴承，21为转子，22为定子，23为压电陶瓷，24为底座，25为轴承压套。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

如图1-6所示。

一种内置于超声电机的预压力调节方法，它将长方块型压电叠堆14一端与柔性放大机构13周向均布的输入端配合，另一端由楔形块15压紧在叠堆固定板的安装槽中，上表面与电机上壳体内的加强筋贴合防止叠堆14脱落。在上壳体12与压电叠堆14之间亦可安装压缩弹簧保持柔性压紧。压电叠堆的引线焊于与位于上壳体顶部环槽内并与之固联的玻璃纤维电路环板9上，并通过副接口10接入外部的控制信号。压电叠堆通电伸长并输出力和位移，并经过柔性机构放大（如图3-5所示）。放大机构由良好的弹性恢复性能及刚度的弹簧钢，先后经过车削和线切割制得。为了增大放大倍数放大机构由第一级杠杆放大，第二级由三角形放大，可获得较大的放大倍数的同时可较为合理的利用上壳体顶部空间。放大机构上固定环开均布的通槽，并与叠堆固定板7的安装槽对齐，便于压电叠堆的安装。放大机构上固定环与叠堆固定板上表面台阶配合并通过沉头螺钉连接，叠堆固定板7内圆与上壳体轴承外壳部分配合并与上壳体通过沉头螺钉连接。放大机构的输出端有凸环与碟簧的内圆紧密配合。碟簧的大端与黄铜压套接触，压套与电机转子之间装有推力球轴承，来自放大机构输出端的力与位移，先后通过压套、推力球轴承传递给转子为超声电机定转子接触界面提供稳定的预压力。

整个结构紧凑，转子上方留有空间可安装风扇叶与转轴固连，用于长时间工作下的电机散热。轴与转子之间通过方孔连接并涂润滑油，在传递扭矩的同时，转子在放大机构输出端的推动下可沿轴微幅滑动。在超声电机强冲击工作环境下，轴与转子该种连接方式能增强电机的抗冲击性能。

超声电机启动时可同时对定子施加一定范围内的不同频率电压进行电机扫频启动以及对压电叠堆施加不同的电压信号实现不同定转子接触界面进行电机扫压启动。这两种启动方式综合作用可杜绝电机处于启动死区以改善超声电机启动特性。在超声电机运转模式下，通过控制压电叠堆的电压参数可精确控制作用在电机定转子接触界面的压力，精确调控电机输出力矩，并与外负载相匹配以适应不同工况，同时减小定转子接触界面间非必要压力带来的额外磨损与能量浪费。在超声电机处于待机状态时，压电叠堆不断电，以保证超声电机在主电路断电后的自锁特性。电机上壳体上环面开有楔形块安装方孔，与壳体旋合的预紧螺母恰好可压紧外露壳体的楔形块，故可通过预紧螺母调节压电叠堆的预紧力。这样使得电机长期存储时，可以通过调节预紧螺母使碟簧产生保持定转子两者间与推理轴承上圈，滚动体和下圈三者间不相互脱离的所需要的较小压力。这可解决超声电机长期储存条件下转子摩擦材料齿陷、蠕变和碟簧应力松弛等问题，同时可减小经过长期储存后的电机预压不确定性。

实施例二。

如图1-6所示。

一种内置于超声电机的预压力调节装置，它包括长方块型压电叠堆14，该长方块型压电叠堆14安装在上壳体12上并与柔性放大机构13相连，柔性放大机构13与碟簧18相接触，碟簧18与压套19配合通过推力球轴承压紧在转子19上，转子19驱动转轴1转动输出。所述的长方块型压电叠堆14的一端与柔性放大机构13周向均布的输入端配合，另一端由楔形块15压紧在叠堆固定板7的安装槽中，上表面与电机上壳体12内的加强筋贴合以防止长方块型压电叠堆14脱落；长方块型压电叠堆14的引线焊于玻璃纤维电路环板9上，并通过副接口10接入外部的控制信号；所述的柔性放大机构13由第一级杠杆放大机构和第二级三角形放大机构组成，柔性放大机构13的上固定环上均布有通槽，该通槽与叠堆固定板7的安装槽对齐，便于长方块型压电叠堆14的安装。柔性放大机构13的上固定环与叠堆固定板7的上表面为台阶配合并通过沉头螺钉连接，叠堆固定板7内圆与上壳体12通过沉头螺钉连接；柔性放大机构13的输出端有凸环与碟簧18的内圆紧密配合。在上壳体12与长方块型压电叠堆14之间安装用压缩弹簧以保持柔性压紧。安装有本发明调节机构的超声电机的结构如图1、6所示，外形如图2所示，其中的柔性放大机构的等效原理图如图3所示，结构如图4、5所示。

详述如下：

一种利用压电叠堆对旋转行波型超声电机预压力进行调节的装置，包括一长方块型压电叠堆14，如图1，该长方块型压电叠堆14一端与柔性放大机构13周向均布的输入端配合，另一端由楔形块15压紧在叠堆固定板7的安装槽中，上表面与电机上壳体12内的加强筋贴合防止叠堆14脱落。在上壳体12与压电叠堆14之间亦可安装压缩弹簧保持柔性压紧。压电叠堆14的引线焊于与位于上壳体12顶部环槽内并与之固联玻璃纤维电路环板9上，并通过副接口10接入外部的控制信号。压电叠堆14通电伸长并输出力和位移，并经过柔性机构放大。放大机构13由良好的弹性恢复性能及刚度的弹簧钢，先后经过车削和线切割制得。为了增大放大倍数放大机构（如图3）由第一级杠杆放大，第二级由三角形放大，可获得较大的放大倍数的同时可较为合理的利用上壳体12顶部空间。如图4，放大机构13上固定环开均布的通槽，并与叠堆固定板7的安装槽对齐，便于压电叠堆14的安装。放大机构13上固定环与叠堆固定板7上表面台阶配合并通过沉头螺钉连接，叠堆固定板7内圆与上壳体12轴承外壳部分配合并与上壳体12通过沉头螺钉连接。放大机构13的输出端有凸环与碟簧18的内圆紧密配合。碟簧18的大端与黄铜压套19接触，压套19与电机转子21之间装有推力球轴承20，来自放大机构13输出端的力与位移，先后通过压套19、推力球轴承20传递给转子21为超声电机定转子接触界面提供稳定的预压力。

整个结构紧凑，转子21上方留有空间可安装风扇叶与转轴1固连，用于长时间工作下的电机散热。轴1与转子21之间通过方孔连接并涂润滑油，在传递扭矩的同时，转子21在放大机构13输出端的推动下可沿轴微幅滑动。在超声电机强冲击工作环境下，轴1与转子21该种连接方式能增强电机的抗冲击性能。

超声电机启动时可同时对定子22施加一定范围内的不同频率电压进行电机扫频启动以及对压电叠堆14施加不同的电压信号实现不同定转子接触界面进行电机扫压启动。这两种启动方式综合作用可杜绝电机处于启动死区以改善超声电机启动特性。在超声电机运转模式下，通过控制压电叠堆14的电压参数可精确控制作用在电机定转子接触界面的压力，精确调控电机输出力矩，并与外负载相匹配以适应不同工况，同时减小定转子接触界面间非必要压力带来的额外磨损与能量浪费。在超声电机处于待机状态时，压电叠堆14不断电，以保证超声电机在主电路断电后的自锁特性。电机上壳体12上环面开有楔形块15安装方孔，与壳体12旋合的预紧螺母8恰好可压紧外露壳体的楔形块15，故可通过预紧螺母8调节压电叠堆14的预紧力。这样使得电机长期存储时，可以通过调节预紧螺母8使碟簧18产生保持定转子两者间与推理轴承上圈，滚动体和下圈三者间不相互脱离的所需要的较小压力。这可解决超声电机长期储存条件下转子摩擦材料齿陷、蠕变和碟簧应力松弛等问题，同时可减小经过长期储存后的电机预压力不确定性。

本发明超声电机预压力调节结构简单紧凑，控制特性好，调节范围广且精密，无电磁干扰，可保持较高的机械和力学一致性，加工成本低，可与***进行融合设计。本发明亦可拓宽推广到各种需要预紧的装置中，如磁致伸缩致动器等驱动装置，这里不加以赘述了

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种内置于超声电机的预压力调节方法，其特征是在超声电机原***中嵌入一个预压力调节装置，该预压力调节装置包括一个长方块型压电叠堆，该长方块型压电叠堆安装于柔性放大机构周向均布的三个输入端上，压电叠堆通电后伸长并输出力和位移，经过柔性放大机构放大将力与位移施加在碟簧上，再经压套和推力轴承为超声电机定转子接触界面提供稳定的预压力；压电叠堆的预紧力通过与壳体旋合的预紧螺母压紧外露壳体的楔形块实现调节；超声电机启动时对定子施加一定范围内的不同频率电压进行电机扫频启动以及对压电叠堆施加不同的电压信号实现不同定转子接触界面进行电机扫压启动；这两种启动方式综合作用能杜绝电机处于启动死区，改善超声电机启动特性。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，超声电机工作过程中，通过控制压电叠堆的电参数可精确控制作用在电机定转子接触界面的压力，精确调控电机输出力矩，并与外负载相匹配以适应不同工况，同时减小定转子接触界面间非必要压力带来的额外磨损与能量浪费；当超声电机处于待机状态时，压电叠堆不断电，以保证超声电机在主电路断电后的自锁特性，当超声电机需要长期存储时，压电叠堆完全断电，调节预紧螺母可使碟簧产生保持定转子两者间以及推力轴承上圈，滚动体和下圈三者间不相互脱离的所需要的压力，解决超声电机长期储存条件下转子摩擦材料齿陷、蠕变和碟簧应力松弛问题，同时减小长期储存之后的电机预压力不确定性。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，压电叠堆的一端与放大机构的输入端配合，另一端由楔形块压紧在叠堆固定板的安装槽中，上表面与电机上壳体内的加强筋贴合防止叠堆脱落或在上壳体与压电叠堆之间安装压缩弹簧保持柔性压紧。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，柔性放大机构由兼具弹性恢复性能及刚度的弹簧钢制备而成；它由第一级杠杆放大，第二级由三角形放大，可获得较大的放大倍数的同时可较为合理的利用上壳体顶部空间。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，柔性放大机构上固定环与叠堆固定板上表面台阶配合并通过沉头螺钉连接，叠堆固定板内圆与上壳体轴承外壳部分配合并与上壳体通过沉头螺钉连接；转子上方留有安装风扇叶的空间，以利于长时间工作下的电机散热，风扇叶与转轴固定相连，转轴与转子相连。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，转轴与转子之间通过方孔连接并涂润滑油，在传递扭矩的同时，转子在放大机构输出端的推动下能沿转轴轴向微幅滑动；在超声电机强冲击工作环境下，转轴与转子该种连接方式能增强电机的抗冲击性能。

7.一种权利要求1所述的方法，其特征在于它能拓宽推广到各种需要预紧的装置中，尤其是能应用在磁致伸缩致动器的驱动装置中。

8.一种内置于超声电机的预压力调节装置，其特征是它包括长方块型压电叠堆（14），该长方块型压电叠堆（14）安装在上壳体（12）上并与柔性放大机构（13）相连，柔性放大机构（13）与碟簧（18）相接触，碟簧（18）与压套（19）配合通过推力球轴承压紧在转子（19）上，转子（19）驱动转轴（1）转动输出。

9.根据权利要求8所述的内置于超声电机的预压力调节装置，其特征是所述的长方块型压电叠堆（14）的一端与柔性放大机构（13）周向均布的输入端配合，另一端由楔形块（15）压紧在叠堆固定板（7）的安装槽中，上表面与电机上壳体（12）内的加强筋贴合以防止长方块型压电叠堆（14）脱落；长方块型压电叠堆（14）的引线焊于玻璃纤维电路环板（9）上，并通过副接口（10）接入外部的控制信号；所述的柔性放大机构（13）由第一级杠杆放大机构和第二级三角形放大机构组成，柔性放大机构（13）的上固定环上均布有通槽，该通槽与叠堆固定板（7）的安装槽对齐，便于长方块型压电叠堆（14）的安装；柔性放大机构（13）的上固定环与叠堆固定板（7）的上表面为台阶配合并通过沉头螺钉连接，叠堆固定板（7）内圆与上壳体（12）通过沉头螺钉连接；柔性放大机构（13）的输出端有凸环与碟簧（18）的内圆紧密配合。

10.根据权利要求8所述的内置于超声电机的预压力调节装置，其特征是在上壳体（12）与长方块型压电叠堆（14）之间安装用压缩弹簧以保持柔性压紧。