一种角接触球轴承支撑的超声电机及定子与转子预紧方法
【专利摘要】一种角接触球轴承支撑的超声电机及定子与转子预紧方法，它涉及一种超声电机及该电机的定子与转子预紧方法，以解决现有超声电机的结构都存在预紧方式较为复杂，并且采用这些预紧方式并不能达到较高精度的预紧，以及电机转子轴的支撑均采用深沟球轴承，转子轴的回转精度低的问题，它包括上盖、底座、转子轴、转子、定子、上轴承端盖、下轴承端盖、弹簧套筒和两个角接触球轴承；上盖和底座可拆卸连接，两个同轴通孔内各安装有一个角接触球轴承，两个角接触球轴承背对背布置，转子轴安装在两个角接触球轴承上；转子与转子法兰固接，定子的与底座相邻的端面上铺设有一层环形压电陶瓷。本发明用作超声电机，特别适合高回转精度应用场合。
【专利说明】
一种角接触球轴承支撑的超声电机及定子与转子预紧方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种超声电机及该电机的定子与转子预紧方法，属于压电超声电机领域。
【背景技术】
[0002]超声电机是利用压电材料的逆压电效应，使定子在超声频段产生机械振动，通过定子和转子之间的摩擦作用，将定子的振动转换成转子的宏观的单方向转动(或直线运动)。它打破了传统电机的概念，具有高精度、结构灵活、容性负载无磁场干扰等独特的性能。但现有的超声电机结构限制了这些特性的发挥，因此研制出高回转精度、结构更紧凑的超声电机具有十分重要的意义。
[0003]公开号为CN102223104A，【公开日】为2011年10月19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下端通过螺纹方式安装预紧螺母和防松螺母，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正压力。这种正压力的调节方式很简单，但在反复拆装锁紧螺母和预紧螺母的过程中，螺母的寿命和超声电机的精度都会受到影响；其次，反复对锁紧螺母和预紧螺母进行拆装也会导致螺母疲劳失效，电机的预紧力仍会下降。公开号为CN101123405A，【公开日】为2008年02月13日，专利名称为“旋转式超声电机及其实现方法”的发明专利，利用紧定螺钉、蝶形弹簧、托盘和轴承构成电机的预压力施加系统，通过调整两端的蝶形弹簧的变形量来调节施加在转子上的预压力；另有公开号为:CN104868782A，【公开日】为:2015年06月02日，专利号为:“一种创新型行波型旋转超声电机”的发明专利，该专利所述超声电机的端盖与机体间放有若干环形垫片，定子基座与机体间通过碟簧提供的预压力压紧转子轴转盘，通过调节环形垫圈的数量可以使碟簧保持在零刚度范围内，使预压力稳定，以进一步提高超声电机的输出性能。该专利通过调整蝶形弹簧的变形量来调节预压力，但在制造中蝶形弹簧的高度和板厚如出现即使不大的误差，其特性也会有较大误差，超声电机的精度也会受到影响。公开号为CN101707445A，【公开日】为2009年11月12日，专利名称为“薄板式双行波型旋转超声电机及其控制方法”的发明专利的橡胶弹簧穿过环形压电陶瓷片压在环形金属薄片和基座之间，所述橡胶弹簧隔离环形压电陶瓷片和轴承，固定定子，同时提供定子、转子间的预压力，但橡胶弹簧不是纯弹性体，其力学特性比较复杂，不耐高温、油性;不能较精确地计算其弹性特性，因此，影响电机回转精度。
[0004]这些结构都存在预紧方式较为复杂，并且采用这些预紧方式并不能达到较高精度的预紧。传统的支撑方案是采用两个外径不相同的深沟球轴承，预紧力施加在外径较大的轴承上，尺寸较小的轴承不预紧，处于自由状态，即使预紧的较大尺寸的深沟球轴承，也不能消除游隙，不预紧的较小尺寸的轴承游隙一直存在，所以这种轴承支撑的转子轴的回转精度低。
【发明内容】
[0005]本发明是为解决现有超声电机的结构都存在预紧方式较为复杂，并且采用这些预紧方式并不能达到较高精度的预紧，以及电机转子轴的支撑均采用深沟球轴承，转子轴的回转精度低的问题，进而提供一种角接触球轴承支撑的超声电机及定子与转子预紧方法。
[0006]本发明为解决上述问题采取的技术方案是:一种角接触球轴承支撑结构的超声电机，它主要包括上盖、底座、转子轴、转子、定子、上轴承端盖、下轴承端盖、弹簧套筒和两个角接触球轴承；
[0007]上盖和底座可拆卸连接，上盖和底座上加工有相同内径的同轴通孔;两个同轴通孔内各安装有一个角接触球轴承，两个角接触球轴承背对背布置，转子轴安装在两个角接触球轴承上，位于两个角接触球轴承之间的转子轴上安装有转子法兰；
[0008]转子和定子布置在转子法兰和其中一个角接触球轴承之间，转子与转子法兰固接，定子安装在底座上，其中一个角接触球轴承与转子之间的转子轴上套装有一个弹簧套筒，转子的轮缘的端面上铺设有与定子接触的一层环形摩擦材料，定子与底座相邻的端面上铺设有一层环形压电陶瓷。
[0009]—种角接触球轴承支撑结构的超声电机的定子与转子预紧方法，首先，将上盖和底座通过止口和定位销扣合，用螺钉紧固上盖和底座，并放松下轴承端盖和角接触球轴承；然后，调整上盖和上轴承端盖之间的上垫片的厚度，扣合上盖上的上轴承端盖，旋紧上轴承端盖上的六角头螺栓，在旋紧时，上盖上的上轴承端盖有向下移动的趋势，通过上轴承端盖下端凸缘端面压紧角接触球轴承的外圈，外圈受力传递给内圈，内圈通过内支撑垫片和转子法兰，把压力传递到转子和定子接触界面，实现定子和转子的初步预紧，在预紧中，用测力矩扳手测量转子轴的静态力矩，即可完成定子和转子的预紧，预紧定子、转子，同时也可以预紧上端的角接触球轴承;最后，再调整下端盖和底座之间的下垫片的厚度，旋紧下端紧定螺栓，推动底座上的下轴承端盖，下轴承端盖的上端凸缘端面压紧角接触球轴承的外圈，外圈通过滚动体将受力传递给内圈，内圈顶紧弹簧套筒，弹簧套筒压紧转子轮毂，由于弹簧套筒的变形刚度远小于转子腹板的变形刚度，弹簧套筒先变形，产生弹性压缩力，给下端的角接触球轴承提供预紧力，同时该预紧力通过转子轮毂传递到转子法兰，由于转子轮毂和转子法兰的刚度都大于弹簧套筒的刚度，预紧力经转子法兰传递到内支撑垫片，再传递到上端的角接触球轴承的内圈，内圈通过滚动体传递到外圈，传递到上轴承端盖，传递到上盖上，实现下端的角接触球轴承的预紧，同时使上端的角接触球轴承进一步预紧，最终实现定子和转子的精确预紧。
[0010]本发明与现有技术相比具有以下效果:
[0011]—、本发明结构的超声电机其上盖和底座用短止口加定位销安装定位，使得轴承座孔的安装精度提高；
[0012]二、转子轴的两个同轴通孔(轴承座孔)是直径相同的两个通孔，可以在装配上盖和底座后，一次加工完成，加工便利，轴承座孔同轴度高；
[0013]三、采用一对型号和尺寸相同的角接触球轴承，背对背布置支撑转子轴，并且两个轴承分别都被预紧，这样可以使轴承游隙可调，将游隙减为最小，提高了转子轴的回转精度。
[0014]四、底座上的角接触球轴承用弹簧套筒顶固内圈，用下轴承端盖预紧外圈，当用下轴承端盖预紧这个角接触球轴承时，靠弹簧变形给轴承施加预紧力，不影响定子和转子的预紧力。
[0015]五、该结构用上轴承端盖与上盖之间的上垫片以及底座与下轴承端盖之间的下垫片调整轴承的预紧，调整方便，端盖凸缘平行压紧轴承外圈，轴承预紧精度高。
【附图说明】
[0016]图1为现有技术超声电机的结构示意图；
[0017]图2为本发明的整体结构示意图。
【具体实施方式】
[0018]【具体实施方式】一:结合图2说明，本实施方式的一种角接触球轴承支撑的超声电机，它包括上盖5、底座17、转子轴8、转子14、定子2、上轴承端盖10、下轴承端盖1、弹簧套筒4和两个角接触球轴承7 ；
[0019]上盖5和底座17可拆卸连接，上盖5和底座17上加工有相同内径的同轴通孔;两个同轴通孔内各安装有一个角接触球轴承7，两个角接触球轴承7背对背布置，转子轴8安装在两个角接触球轴承7上，位于两个角接触球轴承7之间的转子轴8上安装有转子法兰8-1;
[0020]转子14和定子2布置在转子法兰20和其中一个角接触球轴承7之间，转子14与转子法兰8-1固接，定子2安装在底座17上，其中一个角接触球轴承7与转子14之间的转子轴8上套装有一个弹簧套筒4，转子8的轮缘的端面上铺设有与定子2接触的一层环形摩擦材料15，定子2与底座17相邻的端面上铺设有一层环形压电陶瓷16。
[0021]本实施方式的环形摩擦材料15为聚四氟乙烯基复合材料。弹簧套筒4安装在转子轮毂14-1的下方。这里需要强调的是，设计弹簧套筒4的刚度时，需通过有限元法计算转子腹板14-2的刚度，使弹簧套筒4的刚度远小于转子腹板14-2的刚度。本实施方式的底座17与下轴承端盖I通过螺栓13连接。
[0022]【具体实施方式】二:结合图2说明，本实施方式的弹簧套筒4为螺旋压缩弹簧、碟形弹簧或弹性圆孔套，。如此设计，选用螺旋压缩弹簧时，弹簧的簧丝直径1mm，中径9mm的弹簧，其刚度为13.5N/mm。使得弹簧套筒4的刚度远小于转子腹板14-2的刚度。其它与【具体实施方式】一相同。
[0023]【具体实施方式】三:结合图2说明，本实施方式的一种角接触球轴承支撑的超声电机还包括上轴承端盖10和下轴承端盖I;上轴承端盖10安装在上盖5上，另一个角接触球轴承7的外环与上轴承端盖10的凸缘端面接触，另一个角接触球轴承7的内环与转子法兰8-1之间布置有内支撑垫片9，下轴承端盖I安装在底座17上。如此设计，可以实现超声电机的高回转精度和精确预紧，满足设计要求和实际需要。其它与【具体实施方式】一或二相同。
[0024]【具体实施方式】四:结合图2说明，本实施方式的一种角接触球轴承支撑的超声电机还包括上垫片6和下垫片18;上轴承端盖10与上盖5之间布置有上垫片6，下轴承端盖I与底座17之间布置有下垫片18。如此设计，可以实现超声电机的高回转精度和精确预紧，满足设计要求和实际需要。其它与【具体实施方式】三相同。
[0025]【具体实施方式】五:结合图2说明，本实施方式的上盖5和底座17采用止口配合对接，上盖5和底座17加工有贯通的锥形通孔，锥形通孔内插装有锥形定位销3。如此设置，这种打入锥形定位销的装配方式，使所述超声电机的上盖和底座配合面无缝密合，提高了安装精度；同轴通孔(轴承座孔)的一次加工减少了分别加工轴承座孔的尺寸误差，提高了超声电机的回转精度。上盖与底座改为通过短止口配合，再打入定位销，避免了卡具的过定位以及止口过长与定位销相互干涉的问题，锥形定位销3的数量至少两个。其它与【具体实施方式】一、二或五相同。
[0026]【具体实施方式】六:结合图2说明，本实施方式的一种角接触球轴承支撑的超声电机的定子与转子预紧方法，首先，将上盖5和底座17通过止口和定位销3扣合，用螺钉紧固上盖5和底座17，并放松下轴承端盖I和角接触球轴承7;然后，调整上盖5和上轴承端盖10之间的上垫片6的厚度，扣合上盖5上的上轴承端盖10，旋紧上轴承端盖10上的六角头螺栓11，在旋紧时，上盖5上的上轴承端盖10有向下移动的趋势，通过上轴承端盖10下端凸缘端面压紧角接触球轴承7的外圈，外圈受力传递给内圈，内圈通过内支撑垫片9和转子法兰8-1，把压力传递到转子14和定子2接触界面，实现定子2和转子14的初步预紧，在预紧中，用测力矩扳手测量转子轴8的静态力矩，即可完成定子2和转子14的预紧，预紧定子2、转子14，同时也可以预紧上端的角接触球轴承7;最后，再调整下端盖I和底座17之间的下垫片18的厚度，旋紧下端紧定螺栓19，推动底座17上的下轴承端盖I，下轴承端盖I的上端凸缘端面压紧角接触球轴承的外圈，外圈通过滚动体将受力传递给内圈，内圈顶紧弹簧套筒4，弹簧套筒4压紧转子轮毂14-1，由于弹簧套筒4的变形刚度远小于转子腹板14-2的变形刚度，弹簧套筒4先变形，产生弹性压缩力，给下端的角接触球轴承7提供预紧力，同时该预紧力通过转子轮毂14-1传递到转子法兰8-1，由于转子轮毂14-1和转子法兰8-1的刚度都大于弹簧套筒4的刚度，预紧力经转子法兰8-1传递到内支撑垫片9，再传递到上端的角接触球轴承7的内圈，内圈通过滚动体传递到外圈，传递到上轴承端盖10，传递到上盖5上，实现下端的角接触球轴承7的预紧，同时使上端的角接触球轴承7进一步预紧，最终实现定子6和转子8的精确预紧。
[0027]这里需要强调的是，设计弹簧套筒4的刚度时，需通过有限元法计算转子腹板14-2的刚度，使弹簧套筒4的刚度远小于转子腹板14-2的刚度。用测力矩扳手测量转子轴的静态力矩，在实际的调试过程中会满足不同的力矩，是为了满足设计要求。
【主权项】
1.一种角接触球轴承支撑的超声电机，其特征在于:它包括上盖(5)、底座(I7)、转子轴(8)、转子(14)、定子(2)、上轴承端盖(10)、下轴承端盖(1)、弹簧套筒(4)和两个角接触球轴承⑴； 上盖(5)和底座(17)可拆卸连接，上盖(5)和底座(17)上加工有相同内径的同轴通孔；两个同轴通孔内各安装有一个角接触球轴承(7)，两个角接触球轴承(7)背对背布置，转子轴(8)安装在两个角接触球轴承(7)上，位于两个角接触球轴承(7)之间的转子轴(8)上安装有转子法兰(8-1); 转子(14)和定子(2)布置在转子法兰(20)和其中一个角接触球轴承(7)之间，转子(14)与转子法兰(8-1)固接，定子(2)安装在底座(17)上，其中一个角接触球轴承(7)与转子(14)之间的转子轴(8)上套装有一个弹簧套筒(4)，转子(8)的轮缘的端面上铺设有与定子(2)接触的一层环形摩擦材料(15)，定子(2)与底座(17)相邻的端面上铺设有一层环形压电陶瓷(16)。2.根据权利要求1所述的一种角接触球轴承支撑的超声电机，其特征在于:所述弹簧套筒(4)为螺旋压缩弹簧、碟形弹簧或弹性圆孔套。3.根据权利要求1或2所述的一种角接触球轴承支撑的超声电机，其特征在于:它还包括上轴承端盖(10)和下轴承端盖(I);上轴承端盖(10)安装在上盖(5)上，另一个角接触球轴承(7)的外环与上轴承端盖(10)的凸缘端面接触，另一个角接触球轴承(7)的内环与转子法兰(8-1)之间布置有内支撑垫片(9)，下轴承端盖(I)安装在底座(17)上。4.根据权利要求3所述的一种角接触球轴承支撑的超声电机，其特征在于:它还包括上垫片(6)和下垫片(18);上轴承端盖(10)与上盖(5)之间布置有上垫片(6)，下轴承端盖(I)与底座(17)之间布置有下垫片(18)。5.根据权利要求1、2或4所述的一种角接触球轴承支撑的超声电机，其特征在于:上盖(5)和底座(17)采用止口配合对接，上盖(5)和底座(17)加工有贯通的锥形通孔，锥形通孔内插装有锥形定位销(3)。6.—种角接触球轴承支撑的超声电机的定子与转子预紧方法，其特征在于:首先，将上盖(5)和底座(17)通过止口和定位销(3)扣合，用螺钉紧固上盖(5)和底座(17)，并放松下轴承端盖(I)和角接触球轴承(7)；然后，调整上盖(5)和上轴承端盖(10)之间的上垫片(6)的厚度，扣合上盖(5)上的上轴承端盖(10)，旋紧上轴承端盖(10)上的六角头螺栓(11)，在旋紧时，上盖(5)上的上轴承端盖(10)有向下移动的趋势，通过上轴承端盖(10)下端凸缘端面压紧角接触球轴承(7)的外圈，外圈受力传递给内圈，内圈通过内支撑垫片(9)和转子法兰(8-1)，把压力传递到转子(14)和定子(2)接触界面，实现定子(2)和转子(14)的初步预紧，在预紧中，用测力矩扳手测量转子轴(8)的静态力矩，即可完成定子(2)和转子(14)的预紧，预紧定子(2)、转子(14)，同时也可以预紧上端的角接触球轴承(7);最后，再调整下端盖(I)和底座(17)之间的下垫片(18)的厚度，旋紧下端紧定螺栓(19)，推动底座(17)上的下轴承端盖(I)，下轴承端盖(I)的上端凸缘端面压紧角接触球轴承(7)的外圈，外圈通过滚动体将受力传递给内圈，内圈顶紧弹簧套筒(4)，弹簧套筒(4)压紧转子轮毂(14-1)，由于弹簧套筒(4)的变形刚度远小于转子腹板(14-2)的变形刚度，弹簧套筒(4)先变形，产生弹性压缩力，给下端的角接触球轴承(7)提供预紧力，同时该预紧力通过转子轮毂(14-1)传递到转子法兰(8-1)，由于转子轮毂(14-1)和转子法兰(8-1)的刚度都大于弹簧套筒(4)的刚度，预紧力经转子法兰(8-1)传递到内支撑垫片(9)，再传递到上端的角接触球轴承(7)的内圈，内圈通过滚动体传递到外圈，传递到上轴承端盖(10)，传递到上盖(5)上，实现下端的角接触球轴承(7)的预紧，同时使上端的角接触球轴承(7)进一步预紧，最终实现定子(6)和转子(8)的精确预紧。
【文档编号】H02N2/00GK105897039SQ201610480063
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月27日
【发明人】曲华杰, 温众普, 曲建俊, 宋宝玉
【申请人】哈尔滨工业大学