CN114598182A - 一种双定转子组合式行波型中空旋转超声电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双定转子组合式行波型中空旋转超声电机，该超声电机包括壳体，两个底座，中空转轴，两组调节垫片，两组转轴衬套，第一超声电机和第二超声电机。第一超声电机和第二超声电机均包括弹性定子，柔性电路板，压电单元，绝缘护套，电插件，摩擦件和弹性转子。弹性转子具有变截面形式的柔性弹性部分。第一超声电机和第二超声电机彼此对称分布在中空转轴的法兰两侧，本发明的双定转子组合式行波型中空旋转超声电机具有中空结构，满足在大功率及中空结构场合下应用，可实现从中空结构通过线缆和光路，以及安装齿轮等传动机构。
Description
技术领域
本发明涉及超声电机技术领域，具体的是一种双定转子组合式行波型中空旋转超声电机。
背景技术
超声电机是利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体（定子）超声频段内的微幅振动，并通过定、转（动）子间的摩擦作用将振动转换成转（动）子宏观的旋转或直线运动。
中空旋转超声电机同样具有超声电机一些优点：结构紧凑，易于小型化、断电自锁、响应快（毫秒级）、位置分辨率高、低噪声和不受电磁干扰等特性。传统的行波型中空旋转超声电机是由单组定转子实现的技术方案，这在实际应用过程中，其机械输出性能往往不能满足大功率输出应用场合。因此，双定转子组合式行波型中空旋转超声电机理论上拥有两个单组超声电机性能，机械输出性能可提高一倍，扩大了超声电机应用场合。双定转子组合式行波型中空旋转超声电机独特的中空结构在特定场合应用中的优选的选择，可实现从中空结构（D）通过线缆和光路，以及安装齿轮等传动机构。
目前国内外常见的中空旋转超声电机均是由单组定转子实现的技术方案，即使用一个定子和转子实现机械能输出；例如：专利号US5066884、US 10451833 B2、CN201341098Y、CN 103219917 A、CN203872083 U、CN 103986366 A、CN 203193411 U、CN202841006 U、CN202721621 U、CN210898980 U、CN 106992713 A、CN 103051243 A、CN202696502 U和CN 203608021 U中均提出的是单组定转子行波型中空旋转超声电机技术方案，该类行波型中空超声电机在大功率及中空结构场合应用中受限于机械输出性能。
专利号CN 2383266Y中提出的双定子中空结构环形行波超声电机，该专利所述使用上下相对设置的定子与中空转子实现机械能输出；由于共用一个中空转子，且对中空转子两端施加相等压力，无法提供中空转子可靠的弹性变形，因此，其机械输出效率低，无法满足在大功率中空结构应用场合。
目前，国内外学者针对双定转子超声波电机方案提出多种结构，例如：专利号CN113206617A、CN113472238A、CN 109316645 A、CN 101588144 A、CN 113472238 A、CN101702592 A和CN 206775411 A均提出的是两组定转子组合式行波型旋转超声电机的技术方案，该类行波型超声电机可在大功率场合下应用。由于该类马达输出轴均为细实心轴，无法满足在中空结构场合下应用。
为了满足医疗、半导体、新材料、航空航天等领域在大功率及中空结构应用场合需要。有必要发明一种双定转子组合式行波型中空旋转超声电机，满足在大功率及中空机构场合应用，可实现从中空结构通过线缆和光路，以及安装齿轮等传动机构。
发明内容：
为解决上述背景技术下中提到的不足，本发明的目的在于提供一种双定转子组合式行波型中空旋转超声电机，满足在大功率及中空结构场合下应用，可实现从中空结构通过线缆和光路，以及安装齿轮等传动机构。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种双定转子组合式行波型中空旋转超声电机，其特征在于：包括壳体、两个底座、中空转轴、两组调节垫片、两组转轴衬套、第一超声电机和第二超声电机；所述中空转轴设置在壳体中，两个所述底座对称套设在中空转轴的两端部，并与壳体的两端面配合连接，所述底座与中空转轴的端部间设有一组转轴衬套，所述第一超声电机和第二超声电机对称安装在中空转轴外部，并置于壳体内，所述第一超声电机和第二超声电机与中空转轴的中间外部间分别设有一组调节垫片，所述第一超声电机和第二超声电机均包括弹性定子、柔性电路板、压电单元、绝缘护套、电插件、摩擦件和弹性转子，所述柔性电路板、压电单元、弹性定子摩擦件和弹性转子由中空转轴的端部至中部依次设置，所述电插件与柔性电路板配合连接，所述绝缘护套配合安装在电插件上；所述弹性转子具有变截面的柔性弹性部分，受到轴向压力后，变截面的弹性位移随轴向压力值线性变化；所述中空转轴的中间外部设有用于安装弹性转子的法兰。
进一步优选地，中空转轴具有中空结构，可实现从中空结构通过线缆和光路，以及安装齿轮等传动机构。中空转轴带有法兰结构，用于固定安装弹性转子。
进一步优选地，所述摩擦件粘接在弹性定子的齿表面，其外形是环状均匀分布的薄梯形、薄矩形或者薄弧形的其中一种，其表面积小于或者等于弹性定子的齿表面面积，由聚四氟乙烯复合基材质制成；弹性转子表面具有陶瓷质耐磨镀层，摩擦件与弹性转子的摩擦表面形成一对可耐磨性强的旋转摩擦副。
进一步优选地，所述摩擦件粘接在弹性转子的摩擦表面，摩擦件外形为薄环形，其表面积小于或者等于弹性转子的摩擦表面面积，由聚四氟乙烯复合基材质制成；粘接于弹性转子摩擦表面的摩擦件与弹性定子的齿表面形成一对可耐磨性强的旋转摩擦副。
进一步优选地，所述转轴衬套分布在中空转轴的两端，为“T”型构造，由聚四氟乙烯、聚酰亚胺或者氟树脂类材质制成，具有较低的摩擦系数。
进一步优选地，所述中空转轴的两个轴末端中任意一个轴末端伸出于转轴衬套外，或者两个轴末端均伸出于转轴衬套外，又或者两个轴末端均不伸出于转轴衬套外；其中，对于伸出于转轴衬套外的末端，用于安装连接负载机构或者角度位置传感器。
进一步优选地，其特征在于：所述底座通过螺钉固定安装在壳体端面上，并通过两组调节垫片几何厚度尺寸作用，使得对称分布在中空转轴的法兰两侧的第一超声电机和第二超声电机彼此相互挤压，弹性转子的弹性部分被迫受压产生一定量位移变形，其产生的弹性力作为弹性转子与弹性定子间的工作预紧力，保证电机长时间工作具有高可靠性与稳定性；同时，电机在非工作状态下，弹性转子与弹性定子间存在一定静摩擦力，在无需消耗任何电能情况下弹性转子与弹性定子间具有一定自锁性。
本发明的有益效果：
1、本发明提供的双定转子组合式行波型中空旋转超声电机中，通过两组定转子组合式使用以及电机具有中空结构，使得电机满足在大功率及中空结构场合下应用。
2、本发明提供的双定转子组合式行波型中空旋转超声电机中，由聚四氟乙烯复合基材质制成的摩擦件可粘接到弹性定子的齿表面，与弹性转子的摩擦表面接触；或者由聚四氟乙烯复合基材质制成的摩擦件可粘接到弹性转子的摩擦表面，与弹性定子的齿表面接触；这样可形成两个耐磨性强的旋转摩擦副方法，从而提高电机使用寿命。
3、本发明提供的双定转子组合式行波型中空旋转超声电机中，弹性转子的变截面弹性部分受到轴向压力后，产生一定量位移变形，因而弹性转子与弹性定子间产生稳定的工作预紧力，提高电机长时间工作可靠稳定性。同时，电机在非工作状态下，弹性转子与弹性定子间具有一定自锁性，降低了电能消耗。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明的优选实施例结构示意图。
图2是本发明的中空转轴的立体图。
图3是本发明的弹性转子的变截面弹性部分位移量随轴向压力线性关系图。
图4是本发明的优选实施例拆分示意图。
图5是本发明的另一优选实施例拆分示意图。
图6是本发明的优选实施例外观示意图。
图7是本发明的另一优选实施例外观示意图。
图8是本发明的另一优选实施例外观示意图。
图9是本发明的另一优选实施例外观示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“通孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，一种双定转子组合式行波型中空旋转超声电机，该超声电机包括壳体1，两个底座2，中空转轴3，两组调节垫片13，两组转轴衬套4，第一超声电机20a和第二超声电机20b。第一超声电机20a和第二超声电机20b均包括弹性定子5，柔性电路板6，压电单元7，绝缘护套8，电插件9，摩擦件10和弹性转子11。第一超声电机20a和第二超声电机20b彼此对称分布在中空转轴3的法兰50两侧。弹性转子11具有变截面形式的弹性部分12，当受到轴向压力后，变截面的弹性位移随轴向压力值线性变化。柔性电路板6与电插件9相连实现电气连接，用于电信号传输。绝缘护套8安装在电插件9上，对操作员起到电绝缘保护。
当电插件9被施加驱动电激励信号，通过柔性电路板6将驱动电激励信号传递到压电单元7，压电单元7产生周期性伸缩运动激发出弹性定子5共振，从而产生周向行波，通过弹性转子11与弹性定子5间摩擦作用，将弹性定子5振动能量转换为弹性转子11旋转运动。
中空转轴3具有中空结构D，可实现从中空结构D通过线缆和光路，以及安装齿轮等传动机构。中空转轴3带有法兰50结构，第一超声电机20a和第二超声电机20b彼此对称分布在中空转轴3的法兰50两侧，法兰结构与第一超声电机20a和第二超声电机20b中的弹性转子11固定连接。
转轴衬套4分布在中空转轴3的两端，支撑起中空转轴3，一般为“T”型构造，由聚四氟乙烯、聚酰亚胺或者氟树脂类材质制成，具有较低的摩擦系数，从而降低中空转轴3与转轴衬套4间摩擦力。
如图2所示，中空转轴3带有法兰50结构，法兰50上周向均匀分布有2N个螺纹通孔60，与之相连的弹性转子11和调节垫片13上周向均匀分布有N个安装通孔。中空转轴3有两个轴末端70。
如图3所示，弹性转子11具有变截面形式的柔性弹性部分12，当受到轴向压力后，变截面的弹性位移随轴向压力值线性变化。当弹性部分12弹性变形量为S时，所对应的压力FN，作为弹性转子11与弹性定子5间的工作预紧力，保证电机长时间工作具有高可靠稳定性，同时，电机在非工作状态下，弹性转子11与弹性定子5间存在一定静摩擦力，在无需消耗任何电能情况下弹性转子11与弹性定子5间具有一定自锁性。
如图4所示为一种双定转子组合式行波型中空旋转超声电机的优选实施例拆分示意图，第一超声电机20a和第二超声电机20b沿壳体1彼此上下对称分布。第一超声电机20a的定子组件30依上而下包含的零件分别是：摩擦件10、弹性定子5、压电单元7和柔性电路板6；摩擦件10通过粘接到弹性定子5的齿表面17，摩擦件10外形可以是薄梯形、薄矩形或者薄弧形的其中一种，由聚四氟乙烯复合基材质制成，其表面积小于或者等于弹性定子5的齿表面17面积；压电单元7正反两面分别粘接到弹性定子5的下表面和柔性电路板6的上表面；定子组件30通过螺钉15安装固定在底座2上，电插件9通过粘接固定到底座2上，柔性电路板6与电插件9相连实现电气连接，用于电信号传输。绝缘护套8安装在电插件9上，对操作员起到电绝缘保护。
同样，第二超声电机20b的定子组件30从下而上包含的零件分别是：摩擦件10、弹性定子5、压电单元7和柔性电路板6；摩擦件10通过粘接到弹性定子5的齿表面17，摩擦件10外形可以是薄梯形、薄矩形或者薄弧形的其中一种，由聚四氟乙烯复合基材质制成，其表面积小于或者等于弹性定子5的齿表面17面积；压电单元7正反两面分别粘接到弹性定子5的上表面和柔性电路板6的下表面；定子组件30通过螺钉15安装固定在底座2上，电插件9通过粘接固定到底座2上，柔性电路板6与电插件9相连实现电气连接，用于电信号传输。绝缘护套8安装在电插件9上，对操作员起到电绝缘保护。
中空转轴3的法兰50结构两侧通过螺钉14各安装有弹性转子11和调节垫片13，沿法兰50彼此上下对称分布。弹性转子11表面具有陶瓷质耐磨镀层，摩擦件10与弹性转子11的摩擦表面18形成一对可耐磨性强的旋转摩擦副，从而可降低磨损，提高使用寿命。
底座2分别通过螺钉16固定安装在壳体1两侧，壳体1内部的第一超声电机20a和第二超声电机20b彼此相互挤压，弹性转子11的弹性部分12被迫受压产生一定量位移变形，其位移变形量大小由调节垫片13几何厚度尺寸决定，厚度越大，其产生的弹性力越大，该弹性力作为弹性转子11与弹性定子5间的工作预紧力，保证电机长时间工作具有高可靠稳定性，同时，电机在非工作状态下，弹性转子11与弹性定子5间由于存在一定静摩擦力，在无需消耗任何电能情况下弹性转子11与弹性定子5间具有一定自锁性。
如图5所示为另一种双定转子组合式行波型中空旋转超声电机的优选实施例拆分示意图，第一超声电机20a和第二超声电机20b沿壳体1彼此上下对称分布。第一超声电机20a的定子组件30依上而下包含的零件分别是：弹性定子5、压电单元7和柔性电路板6；压电单元7正反两面分别粘接到弹性定子5的下表面和柔性电路板6的上表面；定子组件30通过螺钉15安装固定在底座2上，电插件9通过粘接固定到底座2上，柔性电路板6与电插件9相连实现电气连接，用于电信号传输。绝缘护套8安装在电插件9上，对操作员起到电绝缘保护。第一超声电机20a的转子组件40依上而下包含的零件分别是：弹性转子11和摩擦件10；摩擦件10通过粘接到弹性转子11的摩擦表面18，摩擦件10外形为薄环形，由聚四氟乙烯复合基材质制成，其表面积小于或者等于弹性转子11的摩擦表面18面积。
同样，第一超声电机20b的定子组件30从下而上包含的零件分别是：弹性定子5、压电单元7和柔性电路板6；压电单元7正反两面分别粘接到弹性定子5的上表面和柔性电路板6的下表面；定子组件30通过螺钉15安装固定在底座2上，电插件9通过粘接固定到底座2上，柔性电路板6与电插件9相连实现电气连接，用于电信号传输。绝缘护套8安装在电插件9上，对操作员起到电绝缘保护。第一超声电机20b的转子组件40从下而上包含的零件分别是：弹性转子11和摩擦件10；摩擦件10通过粘接到弹性转子11的摩擦表面18，摩擦件10外形为薄环形，由聚四氟乙烯复合基材质制成，其表面积小于或者等于弹性转子11的摩擦表面18面积。
中空转轴3的法兰50结构两侧通过螺钉14各安装有转子组件40和调节垫片13，沿法兰50彼此上下对称分布。粘接于弹性转子11摩擦表面18的摩擦件10与弹性定子5的齿表面17形成一对可耐磨性强的旋转摩擦副，从而可降低磨损，提高使用寿命。
底座2分别通过螺钉16固定安装在壳体1两侧，壳体1内部的第一超声电机20a和第二超声电机20b彼此相互挤压，弹性转子11的弹性部分12被迫受压产生一定量位移变形，其位移变形量大小由调节垫片13几何厚度尺寸决定，厚度越大，其产生的弹性力越大，该弹性力作为弹性转子11与弹性定子5间的工作预紧力，保证电机长时间工作具有高可靠稳定性，同时，电机在非工作状态下，弹性转子11与弹性定子5间由于存在一定静摩擦力，在无需消耗任何电能情况下弹性转子11与弹性定子5间具有一定自锁性。
图6所示为是本发明的一种双定转子组合式行波型中空旋转超声电机的优选实施例外观示意图，中空转轴3上末端70伸出于转轴衬套4外，上末端70距离底座2端面距离为L，可用于安装连接负载机构或者角度位置传感器。
图7所示为是本发明的另一种双定转子组合式行波型中空旋转超声电机的优选实施例外观示意图，中空转轴3下末端70伸出于转轴衬套4外，下末端70距离底座2端面距离为H，可用于安装连接负载机构或者角度位置传感器。
图8所示为是本发明的另一种双定转子组合式行波型中空旋转超声电机的优选实施例外观示意图，中空转轴3上下末端70均伸出于转轴衬套4外，上末端70距离底座2端面距离为L，下末端70距离底座2端面距离为H，可用于安装连接负载机构或者角度位置传感器。
图9所示为是本发明的另一种双定转子组合式行波型中空旋转超声电机的优选实施例外观示意图，中空转轴3上下末端70均没有伸出于转轴衬套4外，中空转轴3的轴向长度与电机厚度W相等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (6)
1.一种双定转子组合式行波型中空旋转超声电机，其特征在于：包括壳体（1）、两个底座（2）、中空转轴（3）、两组调节垫片（13）、两组转轴衬套（4）、第一超声电机（20a）和第二超声电机（20b）；所述中空转轴（3）设置在壳体（1）中，两个所述底座（2）对称套设在中空转轴（3）的两端部，并与壳体（1）的两端面配合连接，所述底座（2）与中空转轴（3）的端部间设有一组转轴衬套（4），所述第一超声电机（20a）和第二超声电机（20b）对称安装在中空转轴（3）外部，并置于壳体（1）内，所述第一超声电机（20a）和第二超声电机（20b）与中空转轴（3）的中间外部间分别设有一组调节垫片（13），所述第一超声电机（20a）和第二超声电机（20b）均包括弹性定子（5）、柔性电路板（6）、压电单元（7）、绝缘护套（8）、电插件（9）、摩擦件（10）和弹性转子（11），所述柔性电路板（6）、压电单元（7）、弹性定子（5）摩擦件（10）和弹性转子（11）由中空转轴（3）的端部至中部依次设置，所述电插件（9）与柔性电路板（6）配合连接，所述绝缘护套（8）配合安装在电插件（9）上；所述弹性转子（11）具有变截面的柔性弹性部分（12），受到轴向压力后，变截面的弹性位移随轴向压力值线性变化；所述中空转轴（3）的中间外部设有用于安装弹性转子（11）的法兰（50）。
2.根据权利要求1所述的一种双定转子组合式行波型中空旋转超声电机，其特征在于：所述摩擦件（10）粘接在弹性定子（5）的齿表面（17），其外形是环状均匀分布的薄梯形、薄矩形或者薄弧形的其中一种，其表面积小于或者等于弹性定子（5）的齿表面（17）面积，由聚四氟乙烯复合基材质制成；弹性转子（11）表面具有陶瓷质耐磨镀层，摩擦件（10）与弹性转子（11）的摩擦表面（18）形成一对可耐磨性强的旋转摩擦副。
3.根据权利要求1所述的一种双定转子组合式行波型中空旋转超声电机，其特征在于：所述摩擦件（10）粘接在弹性转子（11）的摩擦表面（18），摩擦件（10）外形为薄环形，其表面积小于或者等于弹性转子（11）的摩擦表面（18）面积，由聚四氟乙烯复合基材质制成；粘接于弹性转子（11）摩擦表面（18）的摩擦件（10）与弹性定子（5）的齿表面（17）形成一对可耐磨性强的旋转摩擦副。
4.根据权利要求1所述的一种双定转子组合式行波型中空旋转超声电机，其特征在于：所述转轴衬套（4）分布在中空转轴（3）的两端，为“T”型构造，由聚四氟乙烯、聚酰亚胺或者氟树脂类材质制成，具有较低的摩擦系数。
5.根据权利要求4所述的一种双定转子组合式行波型中空旋转超声电机，其特征在于：所述中空转轴（3）的两个轴末端（70）中任意一个轴末端（70）伸出于转轴衬套（4）外，或者两个轴末端（70）均伸出于转轴衬套（4）外，又或者两个轴末端（70）均不伸出于转轴衬套（4）外；其中，对于伸出于转轴衬套（4）外的末端，用于安装连接负载机构或者角度位置传感器。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的一种双定转子组合式行波型中空旋转超声电机，其特征在于：所述底座（2）通过螺钉固定安装在壳体（1）端面上，并通过两组调节垫片（13）几何厚度尺寸作用，使得对称分布在中空转轴（3）的法兰（50）两侧的第一超声电机（20a）和第二超声电机（20b）彼此相互挤压，弹性转子（11）的弹性部分（12）被迫受压产生一定量位移变形，其产生的弹性力作为弹性转子（11）与弹性定子（5）间的工作预紧力；同时，电机在非工作状态下，弹性转子（11）与弹性定子（5）间存在静摩擦力，在无需消耗任何电能情况下弹性转子（11）与弹性定子（5）间具有自锁性。
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