CN110450945A - 基于径弯复合型片状超声电机的四轴微型飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于径弯复合型片状超声电机的四轴微型飞行器，该飞行器的旋翼上分别安装了一种特殊结构的超声电机，当四轴微型飞行器在工作状态时，通过改变A、B、C、D四台超声电机所加电压的大小，进而改变转轴的转速即可实现该飞行器的升降、俯仰、翻滚、偏航等功能。
Description
技术领域
本发明涉及超声电机技术和微型飞行器领域，尤其涉及一种径弯复合型片状 超声电机。
背景技术
传统的微型四旋翼微型飞行器大都采用电磁电机，难以适应复杂的电磁环 境，而且在工作时也带有一定的噪声。
本发明利用径弯复合型片状超声电机作为该四轴微型飞行器的主体部分，结 构简单紧凑，而且由于超声电机的工作原理则是利用定子在超声频段内的振动， 所以该微型飞行器不惧怕电磁干扰，而且由于工作在超声频段噪音也有所减弱。
发明内容
本发明的实施例提供了一种基于径弯复合型片状超声电机的四轴微型飞行 器，该飞行器能够实现在任意方向上的自由飞行，结构简单紧凑，不受电磁干扰。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
本发明的实施例提供了一种基于径弯复合型片状超声电机的四轴微型飞行 器，其中超声电机部分包括：定子1、压电陶瓷2、转子3、内旋转轴4、轴承5、 外旋转轴6、弹簧7、大固定8、小固定9；其中所述定子1在外，转子3的上、 下两部分在内，定子1中设有孔，所述内旋转轴4贯穿所述孔，在所述定子1的 一侧，所述转子3的上半部分、弹簧7、大固定8、外旋转轴6、轴承5自下而上 依次套装在内旋转轴4上，其中所述轴承5安装在外旋转轴6的内部。在所述定 子1的另一侧，转子3的下半部分、弹簧7和小固定9自上而下套装在所述内旋 转轴4上，通过调节大固定8和小固定9在内旋转轴4上的位移来调节弹簧的预 压力，进而可以控制转子3上、下部分与定子1之间的压力大小。
连接部分包括：环形基座11和十字梁12，所述基座11用于固定超声电机,所 述十字梁12用于连接四个环形基座，形成一个整体。
作为一种实施方式，外旋转轴6通过大固定8以及弹簧7与转子3的上半部分相 连接，当转子3的上半部分转动时会通过弹簧7带动大固定8旋转，进而带动外旋 转轴6旋转；内旋转轴4则通过弹簧7以及小固定9与转子3的下半部分相连接，转 动原理与前者类似。内、外旋转轴通过轴承5实现完全独立的旋转，互不干扰， 同时轴承5也可以保持在内、外旋转轴竖直方向上的稳定性。
作为一种实施方式，定子1是内部含有空心凸圆柱并通过梁式波导结构与其 内径相连接的圆环形金属片，所述定子1的上表面和下表面均有凸出的空心圆柱 与转子3的上、下部分相接触，两者之间的预压力则通过弹簧7进行调节。
作为一种实施方式，所述定子1内部梁式波导结构中梁的数量根据需要设计， 梁的形状可以采用直梁或变截面梁，所述定子1内部梁式波导结构中的梁绕定子 中心旋转对称。
作为一种实施方式，该微型飞行器所用的径弯复合型片状超声电机仅仅使用 单片压电陶瓷2贴于定子1的上或下表面，压电陶瓷2的内径与定子1的内径相同， 极化方向沿厚度方向，对压电陶瓷2施加任意正弦或余弦电信号，激励出定子1的 一阶径向振动和面外三阶弯振。使用单片压电陶瓷有利于减轻电机的重量以及减 少电机的发热量，延长电机的使用寿命。
作为一种实施方式，内、外转轴所用旋翼10分别采用正桨和反桨，具体尺寸 和材料根据实际情况而定，原则上在保证强度和刚度的前提下越轻越好。
作为一种实施方式，转子3的上、下部分是对称的半球形或锥形。
作为一种实施方式，该微型飞行器所用径弯复合型片状超声电机在工作状态 时，此时压电陶瓷2沿厚度方向上极化，通过电极给压电陶瓷2施加余弦 Acos(wt+θ)或正弦Asin(wt+θ)电信号，激励定子1产生一阶径向振动和面外 三阶弯振,即可实现上下转子相反方向旋转，进而带动内、外转轴相反方向旋转。
作为一种实施方式，四轴微型飞行器采用四个完全相同的径弯复合型片状超 声电机分别固定在环形基座11上，环形基座11之间则通过中间的十字梁12相连 接。十字梁提供的空间可以用于布置导线以及安放电源和控制系统。十字梁的具 体形状并不要求严格垂直，也可以为X形状。
作为一种实施方式，当四轴微型飞行器在工作状态时，为了便于调节整个飞 行器的扭矩平衡，A、C电机的对应旋翼旋转方向相同，B、D电机的对应旋翼的旋 转方向相同，但A、C与B、D电机对应的旋翼旋转方向相反。
作为一种实施方式，当四轴微型飞行器在工作状态时，通过改变A、B、C、D 电机所加电压的大小，进而改变转轴的转速即可实现该飞行器的升降、俯仰、偏 航等功能。譬如当同时升高A、B、C、D电机所加电压可以实现上升功能；当升高 B电机电压，降低D电机电压，但要保证两者的改变量相同，同时A、C电机所加电 压保持不变可以实现俯仰功能；当升高A电机电压，降低C电机电压，但要保证两 者的改变量相同，同时B、D电机所加电压保持不变可以实现翻滚功能；当降低A、 C电机所加电压，升高B、D电机所加电压即可利用反扭矩(即扭矩不平衡)实现 偏航功能。
本发明的实施例提供的基于径弯复合型片状超声电机的四轴微型飞行器，在 输出扭矩端与输出转速端均有较好的表现，而且体积小、重量轻、结构紧凑、响 应快、低噪声、不受电磁干扰。可应用于复杂电磁环境内。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使 用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实 施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根 据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种径弯复合型片状超声电机结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种径弯复合型片状超声电机定子结构示意图；
图3是本发明实施例提供的另一种径弯复合型片状超声电机定子结构示意 图；
图4为本发明实施例提供的径弯复合型片状超声电机运转示意图；
图5为本发明实施例提供的一种径弯复合型片状超声电机定子的一阶径向振 动模态示意图；
图6为本发明实施例提供的一种径弯复合型片状超声电机定子的面外三阶弯 振模态示意图；
图7为本发明实施例提供的四轴微型飞行器局部示意图；
图8为本发明实施例提供的四轴微型飞行器整体结构示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实 施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述 实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似 的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例 性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
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。
实施例1
本实施例公开了一种应用于四轴微型飞行器的径弯复合型片状超声电机，如 图1所示，该超声电机包括定子1、压电陶瓷2、转子3、内旋转轴4、轴承5、外旋 转轴6、弹簧7、大固定轴套8、小固定轴套9；其中，
所述定子1在外，转子3在内，所述转子3分的上、下两部分分别位于定子的 上、下两侧在内，；所述定子1中设有孔，所述内旋转轴4贯穿所述孔，在所述定 子1的一侧，所述转子3的上半部分、弹簧7、大固定轴套8、外旋转轴6、轴承5自 下而上依次套装在内旋转轴4上，其中所述轴承5安装在外旋转轴6的内部。，所述 外旋转轴6通过轴承5与内旋转轴4接触，不跟随内旋转轴6一起转动；
在所述定子1的另一侧，转子3的下半部分、弹簧7和小固定轴套9自上而下套 装在所述内旋转轴4上，通过调节大固定轴套8和小固定轴套9在内旋转轴4上的位 移来调节弹簧的预压力，进而可以控制转子3上、下部分与定子1之间的压力大小。
如图1所示，所述弹簧7分上下两部分，上部分弹簧一端接触到转子上半部分 的顶面，另一端接触所述大固定轴套8的底面，所述大固定轴套8的顶面连接外旋 转轴6通过大固定8以及弹簧7与转子3的上半部分相连接，当转子3的上半部分转 动时会，通过弹簧7带动大固定轴套8旋转，进而带动外旋转轴6旋转；
下部分弹簧一端接触到转子下半部分的底面，另一端接触所述小固定轴套9 的顶面，所述内旋转轴4则通过下部分弹簧弹簧7以及小固定轴套9与转子3的下半 部分相连接，当转子3的下半部分转动时，通过弹簧带动小固定轴套9旋转；转动 原理与前者类似。
内、外旋转轴通过轴承5实现完全独立的旋转，互不干扰，同时轴承5也可以 保持在内、外旋转轴竖直方向上的稳定性。
如图2、图3所示，所述定子1是内部含有空心凸圆柱，通过定子1内部设有梁 式波导结构以及与其内径相连接的圆环形金属片，其中内部的梁式波导结构中心 对称，梁的具体形状可以为直梁或者变截面梁；所述定子(1)的上表面和下表面 均有凸出的空心圆柱与转子3上下部的下上、上下部分相接触，两者之间的预压 力则通过弹簧7进行调节。所述定子1内部设有的梁式波导结构中心对称，梁的具 体形状可以为直梁或者变截面梁。
如图4所示，所述定子1的上表面或下表面贴有单片压电陶瓷2贴于定子1的上 或下表面，压电陶瓷2的内径与定子1的内径相同，极化方向沿厚度方向，对压电 陶瓷2施加任意正弦或余弦电信号，激励出定子1的一阶径向振动和面外三阶弯 振。使用单片压电陶瓷有利于减轻电机的重量以及减少电机的发热量，延长电机 的使用寿命。
本发明的实施例提供了一种基于径弯复合型片状超声电机的四轴微型飞行 器，该飞行器能够实现在任意方向上的自由飞行，结构简单紧凑，不受电磁干扰。
实施例2
本实施例提供了一种基于径弯复合型片状超声电机的四轴微型飞行器，如图 7、图8所示，包括四个如上述径弯复合型片状超声电机，所述径弯复合型片状 超声电机分别固定在环形基座11上，所述环形基座11之间则通过中间的X梁12 相连接；X梁提供的空间可以用于布置导线以及安放电源和控制系统。
内、外旋转轴分别采用正桨和反桨，具体尺寸和材料根据实际情况而定，原 则上在保证强度和刚度的前提下越轻越好。所述转子3的上、下部分是对称的半 球形或锥形。
优选地，内、外旋转轴均采用钛合金进行加工，在保证强度以及刚度的同时， 利用本身的自重维持其在竖直方向上的稳定性，轴承5采用681型号的微型深沟 球轴承，符合内、外转轴转速的要求。
超声电机与飞行器本体的连接部分包括：环形基座11和十字梁12，所述基座11用于固定超声电机,所述十字梁12用于连接四个环形基座，形成一个整体。
优选地，环形基座11和十字梁12均采用碳纤维进行加工，两者之间采用特定 的AB胶进行粘合固定，碳纤维的强度以及刚度均满足满足要求，而且本身质量很 轻，非常适合作为机身。
优选地，定子1采用钛合金进行加工，表面进行研磨处理，方便贴压电陶瓷2。
作为一种实施方式，所述定子1内部梁式波导结构中梁的数量根据需要设计， 梁的形状可以采用直梁或变截面梁如图3，所述定子1内部梁式波导结构中的梁绕 定子中心旋转对称。
优选地，定子1内部梁的数量为六根，形状为直梁，在输出转速和输出扭矩 端均有不错的表现。
作为一种实施方式，该微型飞行器所用的径弯复合型片状超声电机仅仅使用 单片压电陶瓷2贴于定子1的上或下表面，压电陶瓷2的内径与定子1的内径相同， 极化方向沿厚度方向，对压电陶瓷2施加任意正弦或余弦电信号，激励出定子1的 一阶径向振动和面外三阶弯振。使用单片压电陶瓷有利于减轻电机的重量以及减 少电机的发热量，延长电机的使用寿命。
优选地，压电陶瓷2采用PZT-8材料，极化方向沿厚度方向。
作为一种实施方式，内、外转轴所用旋翼10分别采用正桨和反桨，具体尺寸 和材料根据实际情况而定，原则上在保证强度和刚度的前提下越轻越好。
优选地，旋翼10采用碳纤维加工，分别采用正桨和反桨，翼展在15cm左右， 两者的尺寸均相同。
作为一种实施方式，转子3的上、下部分是对称的半球形或锥形。
优选地，转子3采用氧化铝陶瓷材料.，有利于提高转子与定子之间的摩擦系 数，增大摩擦力。
实施例3
基于上述电机构成的飞行器，本实施例还提供该飞行器的控制方式，本质上 是对四台电机的协同控制，实现飞行器的飞行状态、姿态、速度的变化。该微型 飞行器所用径弯复合型片状超声电机在工作状态时，此时压电陶瓷2沿厚度方向 上极化，通过电极给压电陶瓷2施加余弦Acos(wt+θ)或正弦Asin(wt+θ)电信 号，激励定子1产生一阶径向振动和面外三阶弯振,即可实现上下转子相反方向旋 转，进而带动内、外转轴相反方向旋转。
本发明实施例中，电机在运转时，P是弹簧预压力，M是驱动扭矩，如图4 示。工作原理如下：当定子1由于面外振动向上运动时，上表面的空心凸圆柱与 上转子接触，下表面的空心凸圆柱与下转子脱离，与此同时，梁式波导结构对该 圆柱体施加径向力，产生顺时针扭矩，带动上表面的空心凸圆柱产生顺时针转动， 通过摩擦作用带动上转子产生顺时针转动，进而带动外旋转轴4顺时针旋转；， 同理，当定子1由于面外振动向下运动时，定子的上表面的空心凸圆柱与上转子 脱离，下表面的空心凸圆柱与下转子接触，与此同时，梁式波导结构对该圆柱体 施加径向力，产生逆时针扭矩，使其产生逆时针旋转，通过摩擦作用带动下转子 逆时针旋转，进而带动内旋转轴6逆时针旋转。因此在一个完整的运动周期T内，可以实现转子3的上下部分反方向旋转，周期各为T/2。
本发明实施例中为了增大定子的一阶径向振动和面外三阶弯振的位移，需要 调节定子的尺寸使一阶径向振动模态(如图5)面外三阶弯振模态(如图6)振 动频率相接近，当上述两种模态的振动频率相接近时，在该频率下则会激发出定 子1在混合模态下的运动。
本发明实施例中，定子1上下表面的空心凸圆柱带来的增益效果主要是提供 其与上、下转子3的充分接触，与此同时，也可以对该空心凸圆柱进行适度倒角， 增大其与转子的接触面积。
当四轴微型飞行器在工作状态时，通过改变A、B、C、D四台超声电机所加电 压的大小，进而改变转轴的转速即可实现该飞行器的升降、俯仰、翻滚、偏航等 功能。譬如当同时升高A、B、C、D电机所加电压可以实现上升功能；当升高B电 机电压，降低D电机电压，但要保证两者的改变量相同，同时A、C电机所加电压 保持不变可以实现俯仰功能；当升高A电机电压，降低C电机电压，但要保证两者 的改变量相同，同时B、D电机所加电压保持不变可以实现翻滚功能；当降低A、C 电机所加电压，升高B、D电机所加电压即可利用反扭矩(即扭矩不平衡)实现偏 航功能。
本发明的实施例提供的基于径弯复合型片状超声电机的四轴微型飞行器，在 输出扭矩端与输出转速端均有较好的表现，而且体积小、重量轻、结构紧凑、响 应快、低噪声、不受电磁干扰。可应用于复杂电磁环境内。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似 的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤 其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单， 相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化 或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权 利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.应用于四轴微型飞行器的径弯复合型片状超声电机，其特征在于：包括定子(1)、压电陶瓷(2)、转子(3)、内旋转轴(4)、轴承(5)、外旋转轴(6)、弹簧(7)、大固定轴套(8)、小固定轴套(9)；其中，
所述定子(1)在外，转子(3)在内，所述转子(3)分上、下两部分分别位于定子的上、下两侧；所述定子(1)中设有孔，内旋转轴(4)贯穿所述孔，在所述定子(1)的一侧，所述转子(3)的上半部分、弹簧(7)、大固定轴套(8)、外旋转轴(6)、轴承(5)自下而上依次套装在内旋转轴(4)上，其中所述轴承(5)安装在外旋转轴(6)的内部，所述外旋转轴(6)通过轴承(5)与内旋转轴(4)接触，不跟随内旋转轴(6)一起转动；
在所述定子(1)的另一侧，转子(3)的下半部分、弹簧(7)和小固定轴套(9)自上而下套装在所述内旋转轴(4)上，通过调节大固定轴套(8)和小固定轴套(9)在内旋转轴(4)上的位移来调节弹簧的预压力，进而控制转子(3)上、下部分与定子(1)之间的压力大小。
2.根据权利1所述的应用于四轴微型飞行器的径弯复合型片状超声电机，其特征在于：所述弹簧(7)分上下两部分，上部分弹簧一端接触到转子上半部分的顶面，另一端接触所述大固定轴套(8)的底面，所述大固定轴套(8)的顶面连接外旋转轴(6)，当转子(3)的上半部分转动时，通过弹簧带动大固定轴套(8)旋转，进而带动外旋转轴(6)旋转；
下部分弹簧一端接触到转子下半部分的底面，另一端接触所述小固定轴套(9)的顶面，所述内旋转轴(4)通过下部分弹簧以及小固定轴套(9)与转子(3)的下半部分相连接，当转子(3)的下半部分转动时，通过弹簧带动小固定轴套(9)旋转；
内、外旋转轴通过轴承(5)实现完全独立的旋转，互不干扰，同时轴承(5)保持在内、外旋转轴竖直方向上的稳定性。
3.根据权利要求1所述的应用于四轴微型飞行器的径弯复合型片状超声电机，其特征在于：所述定子(1)内部含有空心凸圆柱，定子(1)内部设有梁式波导结构以及与其内径相连接的圆环形金属片；所述定子(1)的上表面和下表面均有凸出的空心圆柱与转子(3)上下部的下、上部分相接触，两者之间的预压力则通过弹簧(7)进行调节。
4.根据权利要求3所述的应用于四轴微型飞行器的径弯复合型片状超声电机，其特征在于，所述定子(1)内部设有的梁式波导结构中心对称，梁的具体形状为直梁或者变截面梁。
5.根据权利要求3所述的应用于四轴微型飞行器的径弯复合型片状超声电机，其特征在于，所述定子(1)的上表面或下表面贴有单片压电陶瓷(2)，压电陶瓷(2)的内径与定子(1)的内径相同，极化方向沿厚度方向，对压电陶瓷(2)施加任意正弦或余弦电信号，激励出定子(1)的一阶径向振动和面外三阶弯振。
6.根据权利要求3所述的应用于四轴微型飞行器的径弯复合型片状超声电机，其特征在于，内、外旋转轴所用旋翼(10)分别采用正桨和反桨，具体尺寸和材料根据实际情况而定，在保证强度和刚度的前提下越轻越好；所述转子(3)的上、下部分是对称的半球形或锥形。
7.应用于四轴微型飞行器的径弯复合型片状超声电机的工作方法，其特征在于，超声电机在工作状态时，所述压电陶瓷(2)沿厚度方向上极化，通过电极给压电陶瓷(2)施加余弦Acos(wt+θ)或正弦Asin(wt+θ)电信号，激励定子(1)产生一阶径向振动和面外三阶弯振,即可实现上下转子相反方向旋转，进而带动内、外转轴相反方向旋转。
8.四轴微型飞行器，其特征在于，所述飞行器包括四个如权利要求1所述的径弯复合型片状超声电机，所述径弯复合型片状超声电机分别固定在环形基座(11)上，所述环形基座(11)之间则通过中间的X梁(12)相连接；X梁提供的空间可以用于布置导线以及安放电源和控制系统。
9.根据权利要求8所述的四轴微型飞行器，其特征在于：当四轴微型飞行器在工作状态时，位于X梁同一条线上的两台超声电机的对应旋翼旋转方向相同，另一条线上的两台超声电机的对应旋翼的旋转方向相同，X梁不同线上的超声电机对应的旋翼旋转方向相反。
10.根据权利要求8所述的四轴微型飞行器，其特征在于：当四轴微型飞行器在工作状态时，通过改变四台超声电机所加电压的大小，进而改变转轴的转速即可实现该飞行器的升降、俯仰、翻滚、偏航功能。
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