专利名称：一种高可靠高稳定度中空旋转型行波超声电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高可靠高稳定度中空旋转型行波超声电机，特别是一种有高的可靠性、高的转速稳定性、中空结构需求的超声电机，属于微特电机技术领域。
背景技术：
超声电机(Ultrasonic Motor)是近二十年来发展起来的一种新概念动力装置。它的实质是依靠压电陶瓷的逆压电效应将电能转化为弹性体的机械能，使定子产生高频的微幅振动(微米级)，再利用定、转子之间的接触和摩擦作用将定子的微幅振动转换为转子的回转或者直线运动，从而输出机械能以带动负载工作。这种新型电机使用频率高于20kHz(即超声频率范围)的交流电源来驱动，故称之为超声电机。超声电机比之一般的电磁电机具有许多独特的优点:(I)扭矩/重量比大；(2)低速大扭矩，无需齿轮减速机构，可实现直接驱动负载；(3)响应快(毫秒级)，可控性好；(4)可变速度，可步进，运动精度高；(5)断电时自锁，自锁力矩大；(6)对磁场不敏感,也不产生磁场；(7)速度和位置控制性能好，精度高；(8)外形可按用户要求任意设计，易实现微型化；(9)振动、噪音小，工作稳定。旋转型行波超声电机普遍采用出轴式双端轴承支撑的结构形式，如《旋转型行波超声电机》(CN201742324U)、《高温型旋转行波超声电机》(CN200710190643.7 )、《锥面浮动转子超声波电机》(CN101867316A)、《螺母调节预压力的旋转型行波超声电机》(CN102223104A)。由于其采用双端轴承支撑，相互配合的尺寸较多，机械加工及装配等偏差较大导致转子轴线相对定子轴线发生偏斜，定子与转子接触界面压力分布不均匀，进而导致超声电机转速波动量上升、力矩输出性能下降、寿命缩短；目前的旋转型行波超声电机转子及定子座普遍采用铝合金材料，而与之配合的轴承材料为轴承钢，由于铝合金的线膨胀系数(23.3E-6/K)与轴承钢的线膨胀系数(9.92E-6/K)相差较大，在不同的高低温工况中由于材料线膨胀系数的不匹配引起零件尺寸变化的不一致导致转子轴线相对定子轴线发生偏斜，定子与转子接触界面压力分布不均匀，进而导致超声电机转速波动量上升、力矩输出性能下降；出轴式双端轴承支撑结构的轴向尺寸较大，不利于实现航空航天领域对超声电机小型化、轻量化的要求，出轴式结构的超声电机在航空航天领域常用的电机配合滑环使用及电机芯部需走线的场合无法使用；超声电机定转子运转产生的磨屑及外部的多余物由于没有防护，会进入支撑轴承内部，将导致轴承摩擦力矩产生波动甚至堵转，使得超声电机转速波动量上升甚至停转，超声电机的寿命短可靠性低；超声电机定转子运转产生的磨屑会通过转子和外罩之间的间隙溢出，对外界造成污染，特别是在空间微重力环境下溢出的磨屑可能污染相机等重要的有效载荷，使得航天器部分功能丧失甚至失效。因此，有必要设计研发一种高可靠高稳定度中空旋转型行波超声电机，以满足航空航天、光学仪器、机器人等领域对高可靠、高稳定度中空旋转型行波超声电机的需求。
发明内容
本发明的目的是为了提出一种高可靠高稳定度中空旋转型行波超声电机，该电机实现了不同高低温环境工况下高的可靠性、高的运转稳定性、更小体积、更轻重量、更长寿命，适合航空航天、光学仪器、机器人等领域应用。本发明的目的是通过以下技术方案实现的。本发明的一种高可靠高稳定度中空旋转型行波超声电机，其外围设备为一负载轴；该超声电机包括外罩、转子、摩擦材料、定子、压电陶瓷、定子座、轴承、轴承防尘罩和加载螺母；所述的转子为中空的圆柱体，并留有键槽通过平键与负载轴连接；所述的定子固定在定子座上，定子下表面粘贴压电陶瓷；所述的转子通过轴承定位在定子座上，转子下端面粘贴有摩擦材料并与定子接触；用加载螺母实现轴承、定子与转子的加载；所述的加载螺母通过螺纹方式安装，且加载螺母紧靠轴承下方，实现定子与转子接触界面压力的加载；所述的轴承防尘罩通过螺钉安装在轴承的下方；所述的外罩通 过螺纹安装在定子座上；所述的转子采用不锈钢材料，优选9Crl8或lCrl8Ni9Ti ；所述的定子座采用不锈钢材料，优选9Crl8或lCrl8Ni9Ti ；所述的外罩与转子之间的间隙形状为单级或多级齿形迷宫结构，如~^或~^
结构形状；外罩与转子之间的间隙形状也可以认为是凹槽形状或是带有挡板的凹槽形状；所述的转子与定子座之间的间隙形状为单级或多级齿形迷宫结构，如LD或LTT^I结构形状；转子与定子座之间的间隙形状也可以认为是方波形状；所述的轴承与加载螺母以及轴承防尘罩之间的间隙形状为单级或多级齿形迷宫结构，如或'结构形状；轴承与加载螺母以及轴承防尘罩之间的间隙形状也可以认为
是单级或多级梯形形状。有益效果(I)由于本发明的超声电机转子为中空结构，使得超声电机可应用于配合滑环使用或电机心部需走线结构中，扩展了超声电机的应用场合和适用性。( 2)由于本发明的超声电机采用单个轴承支撑，定子与转子通过单个轴承即可实现高精度的轴向定位，保证了接触界面压力的均匀分布，使得转速稳定性更高、运转功耗更低、寿命更长。有效改善超声电机由双端轴承支撑、相互配合的尺寸较多、机械加工及装配等偏差较大导致转子轴线相对定子轴线发生偏斜，定子与转子接触界面压力分布不均匀，进而导致超声电机转速波动量上升、力矩输出性能下降、寿命缩短的状况。 ( 3 )由于本发明的超声电机定子座和转子采用不锈钢材料，与支撑轴承材料一致，线膨胀系数匹配，在高低温的不同温度环境下超声电机的定转子接触面压力分布及压力大小变化较小，有效保证了不同温度环境下超声电机的稳定运转。有效改善超声电机由于定转子材料采用铝合金与支撑轴承线膨胀系数差异过大，导致在高温或低温环境下超声电机定转子接触面压力分布及压力大小发生的较大变化，超声电机的高低温工况下的性能(如转速波动量、力矩输出等)较常温下性能恶化的状况。(4)由于本发明的超声电机采取了在定子座和转子之间设计防多余物迷宫结构、轴承通过轴承防尘罩实现防尘结构，避免电机内部的磨屑、轴承外部多余物进入轴承内部，导致轴承摩擦力矩产生波动甚至堵转，使得超声电机转速波动量上升甚至停转、超声电机的寿命、可靠性降低的状况。(5)由于本发明的超声电机采取了在转子和外罩之间设计防多余物迷宫结构，避免了电机内部的磨屑溢出，对外界造成污染，特别是在空间微重力环境下溢出的磨屑可能污染相机等重要的有效载荷，使得航天器部分功能丧失甚至失效。同时也避免了外界多余物进入电机内部，影响电机的正常可靠运转。( 6 )由于本发明的超声电机采用单个轴承支撑，转子通过键槽与负载轴连接，较双端轴承支撑、出轴式结构轴向尺寸更小，重量更轻。
图1为本发明中空旋转型行波超声电机的结构示意图；图2为本发明一种高可靠高稳定度中空旋转型行波超声电机的迷宫防多余物结构局部放大图；图3为中空旋转型行波超声电机配合滑环应用装配图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。一种高可靠高稳定度中空旋转型行波超声电机，如图1所示，该超声电机包括外罩1、转子2、摩擦材料3、定子4、压电陶瓷5、定子座6、轴承7、轴承防尘罩8和加载螺母9 ；所述的转子2为中空的圆柱体，并留有键槽10通过平键与负载轴连接；所述的定子4固定在定子座6上,定子4下表面粘贴压电陶瓷5 ；所述的转子2通过轴承7定位在定子座6上，转子2下端面粘贴有摩擦材料3并与定子4接触；用加载螺母9实现轴承7、定子4与转子2的加载；所述的加载螺母9通过螺纹方式安装，且加载螺母9紧靠轴承下方，实现定子4与转子2接触界面压力的加载；所述的轴承防尘罩8通过螺钉安装在轴承7的下方，起到电机与外界之间多余物防护的作用；所述的外罩I通过螺纹安装在定子座6上；所述的转子2采用9Crl8不锈钢材料；所述的定子座6采用9Crl8不锈钢材料；所述的轴承7采用9Crl8不锈钢材料；定子座6和转子2与轴承7材料一致，线膨胀系数匹配，有效保证了不同温度环境下超声电机的稳定运转。如图2所示，所述的外罩I与转子2之间的间隙形状为单级齿形迷宫结构，如"LT1结构形状；所述的转子2与定子座6之间的间隙形状为单级齿形迷宫结构，如结构形状；所述的轴承7与加载螺母9以及轴承防尘罩8之间的间隙形状为单级齿形迷宫结构，如
结构形状，起到电机与外界之间多余物防护的作用；各迷宫齿结构间隙为0.5mm。如图3所示，将所述的超声电机应用于驱动负载转动，将平键11装入键槽10中，电机转子2与负载轴12通过平键11的过渡配合实现径向连接，当需要安装滑环13时，可将滑环13装入负载轴12中。本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。
权利要求
1.一种高可靠高稳定度中空旋转型行波超声电机，其外围设备为一负载轴；其特征在于: 该超声电机包括外罩(1)、转子(2)、摩擦材料(3)、定子(4)、压电陶瓷(5)、定子座(6)、轴承(7)、轴承防尘罩(8)和加载螺母(9)； 所述的转子(2)为中空的圆柱体，并留有键槽(10)通过平键与负载轴连接； 所述的定子(4)固定在定子座(6)上，定子(4)下表面粘贴压电陶瓷(5)； 所述的转子(2)通过轴承(7)定位在定子座(6)上，转子(2)下端面粘贴有摩擦材料(3)并与定子(4)接触；用加载螺母(9)实现轴承(7)、定子(4)与转子(2)的加载； 所述的加载螺母(9)通过螺纹方式安装，且加载螺母(9)紧靠轴承下方； 所述的轴承防尘罩(8)通过螺钉安装在轴承(7)的下方； 所述的外罩(I)通过螺纹安装在定子座(6)上； 所述的转子(2)采用不锈钢材料； 所述的定子座(6)采用不锈钢材料。
2.根据权利要求1所述的一种高可靠高稳定度中空旋转型行波超声电机，其特征在于:所述的转子(2)采用9Crl8不锈钢材料。
3.根据权利要求1所述的一种高可靠高稳定度中空旋转型行波超声电机，其特征在于:所述的转子(2)采用lCrl8Ni9Ti不锈钢材料。
4.根据权利要求1所述的一种高可靠高稳定度中空旋转型行波超声电机，其特征在于:所述的定子座(6)采用9Crl8不锈钢材料。
5.根据权利要求1所述的一种高可靠高稳定度中空旋转型行波超声电机，其特征在于:所述的定子座(6)采用lCrl8Ni9Ti不锈钢材料。
6.根据权利要求1所述的一种高可靠高稳定度中空旋转型行波超声电机，其特征在于:所述的外罩(1)与转子(2)之间的间隙形状为单级或多级齿形迷宫结构。
7.根据权利要求1所述的一种高可靠高稳定度中空旋转型行波超声电机，其特征在于:所述的转子(2)与定子座(6)之间的间隙形状为单级或多级齿形迷宫结构。
8.根据权利要求1所述的一种高可靠高稳定度中空旋转型行波超声电机，其特征在于:所述的轴承(7)与加载螺母(9)以及轴承防尘罩(8)之间的间隙形状为单级或多级齿形迷宫结构。
全文摘要
本发明涉及一种高可靠高稳定度中空旋转型行波超声电机，属于微特电机技术领域。该超声电机包括外罩、转子、摩擦材料、定子、压电陶瓷、定子座、轴承、轴承防尘罩和加载螺母。本发明的电机采用一个轴承支撑并设计有防多余物结构，电机转子和定子座选用与轴承线膨胀系数相近的不锈钢材料。有效改善超声电机由于双端轴承支撑、相互配合尺寸较多、机械加工及装配等偏差较大使得定子与转子接触界面压力分布不均匀，电机工作产生的磨屑进入轴承，高低温工况下材料线膨胀系数相差较大使得配合间隙发生变化等因素导致超声电机转速波动量上升、力矩输出性能下降、寿命缩短的状况。
文档编号H02N2/12GK103219917SQ20131012139
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月9日 优先权日2013年4月9日
发明者吴金涛, 朱华, 牛子杰, 赵雷, 张激扬, 武登云, 卿涛, 赵淳生, 丁庆军 申请人:北京控制工程研究所