一种准零刚度复合转子超声电机制造技术

一种准零刚度复合转子超声电机，它包括压电陶瓷（4）、定子（3）、转动轴（7）和转子（2），其特征是所述的转子（2）为准零刚度复合转子，该准零刚度复合转子由转盘（16）、机械弹簧（17）、内磁力弹簧和外磁力弹簧及上端盖（12）组成。本实用新型专利技术创造性将静态的准零刚度隔振技术应用于超声电机，使超声电机转子预压力技术调节获得了重大突破。同时本实用新型专利技术根据超声电机的特点对准零刚度隔振器进行改进，使之适合于动态运行。

A Quasi-Zero Stiffness Composite Rotor Ultrasound Motor

The utility model relates to a quasi-zero stiffness composite rotor ultrasonic motor, which comprises a piezoelectric ceramic (4), a stator (3), a rotating shaft (7) and a rotor (2), and is characterized in that the rotor (2) is a quasi-zero stiffness composite rotor. The quasi-zero stiffness composite rotor consists of a turntable (16), a mechanical spring (17), an internal magnetic spring and an external magnetic spring and an upper cover (12). The utility model creatively applies the static quasi-zero stiffness vibration isolation technology to the ultrasonic motor, which makes a great breakthrough in the technical adjustment of the pre-pressure of the rotor of the ultrasonic motor. At the same time, the utility model improves the quasi-zero stiffness vibration isolator according to the characteristics of the ultrasonic motor to make it suitable for dynamic operation.

【技术实现步骤摘要】
一种准零刚度复合转子超声电机
本技术涉及一种超声电机，尤其是一种结合了准零刚度技术的超声电机，具体地说是一种准零刚度复合转子超声电机。
技术介绍
超声电机是一种全新概念的微特电机，是利用压电材料的逆压电效应，激发超声频率的振动，并通过定、转子之间的摩擦作用产生旋转（直线）运动，输出功率，驱动负载。超声电机具有结构紧凑、低速大转矩、响应速度快、可直接驱动负载等优点，在微型机器人、汽车、航空航天、精密定位仪、光学仪器、内窥镜及武器装备等领域具有广阔的应用前景。超声电机定、转子之间的接触传动是超声电机系统中非常重要的传递过程，它决定着电机最后的输出特性。影响超声电机定转子接触状态主要有定、转子接触界面摩擦材料的特性和定、转子之间的预压力，因此预压力的施加方式对于电机的性能影响至关重要。之前采用刚性转子的超声电机采用碟簧施加预压力，但是碟簧可能会受到外部冲击载荷或者自身应力松弛的影响，预压力可能会发生改变，随之电机的性能也发生变化，后来为了使转子随着定子的振动而变形，增大定、转子之间的接触，超声电机的转子采用柔性结构，预压力通过电机的装配施加，但是同样受到外部环境的影响，转子发生一定的形变，施加在定转子间的预压力与变形位移量呈线性关系，电机的性能就可能有不确定的改变。之前所授权的一些关于超声电机预压力调节的专利，虽然能达到主动控制预压力的变化，但是当超声电机受到外部环境因素的影响，可靠性就可能下降，如果能够设计出具有零刚度特性并且零刚度均匀性较好的转子，就能保持在高冲击载荷环境下定转子之间的预压力处于正常工作预压力状态，保证超声电机的正常运作。
技术实现思路
本技术的目的是针对现有的超声电机转子采用刚性和柔性施压方式均验证以保证定转子之间实现良好接触的问题，尤其是在受到冲击载荷作用时，定、转子之间的接触应力会发生突破且难以快速抵消的问题，设计一种准零刚度复合转子超声电机，以实现电机在高冲击过后能够保持在正常预压力状态下工作。本技术的技术方案是：一种准零刚度复合转子超声电机，它包括压电陶瓷4、定子3、转动轴7和转子2，压电陶瓷4安装在定子的一个端面上，定子的另一个端面与转子2相抵，转子2安装在转动轴7上，其特征是所述的转子2为准零刚度复合转子，该准零刚度复合转子由转盘16、机械弹簧17、内磁力弹簧和外磁力弹簧及上端盖12组成，转盘16的中心设有供转动轴7通过的方形孔，转动轴7对应部位也呈方形结构，以便转动轴既能在转盘中作轴向窜动又能在转盘16的带动下转动；转盘16的底面与定子3相啮合产生转动力，转盘16的另一面与机械弹簧17的一端相连，机械弹簧17产生弹力以转子2与定子3保持设定的压力，机械弹簧17的另一端与外磁力弹簧的一端相低，外磁力弹簧的另一端与上端盖12相连，上端盖12通过压套10实现其在转动轴7上的轴向定位；内磁力弹簧通过一端的调节螺母18和转动轴7上的台阶面固定在转动轴7上，调节压套10在转动轴上的位置，使内磁力弹簧和外磁力弹簧复合产生的负刚度与机械弹簧产生的正刚度相匹配，使转子2在转动过程中既与定子3保持设定的啮合力又能在受到外界冲击时自动抵消所受的冲击载荷。所述的压套10通过螺纹旋装在转动轴7上。所述的内磁力弹簧由内永磁铁20、内套筒21和底盖19组成，内永磁铁20套装在内套筒21中，内永磁铁20又套装在转动轴7上，内套筒21的上端面与转动轴7上的台界面相抵，底盖19安装在内套筒21的下端面上，底盖19在转动轴7上的位置由旋装在转动轴上的调节螺母18确定。所述的外磁力弹簧由外套筒14和外永磁铁15组成，外永磁铁15安装在外套筒14中，外套筒14的下端与机械弹簧17的一端相连，外套筒14的上端与上端盖12固定相连，上端盖12的中心设有方形槽以便转子既能沿轴向小幅移动又能在上端盖的带动下转动。所述的转动轴7上设有标记线22，标记线22与上端盖12的下表面重合时，转子2的内永磁铁20正对于外永磁铁15，两永磁铁中截面重合实现磁力弹簧负刚度，并联正刚度机械弹簧，转子处于零刚度工作状态。所述的机械弹簧17的上表面焊接固定在外套筒14下表面的凹槽内，机械弹簧17的下表面焊接固定在转盘16上表面的凹槽内，机械弹簧与内、外磁力弹性在轴向方向上并联实现零刚度特性。所述的转动轴7的轴肩与内套筒21上端之间添加有能改变内永磁铁20中心截面的位置以使内外永磁体中心截面重合的橡胶垫片。所述的上端盖12和外套筒14之间加装有调节垫圈13。所述的内永磁铁20或外永磁铁15均为径向辐射充磁的磁瓦，且充磁方向相反，采用磁瓦拼接方式代替环形磁铁。所述的内永磁铁20或外永磁铁15的材料为汝铁硼，其他电机部件材料均为非导磁性或弱导磁性材料。本技术的有益效果：本技术创造性将静态的准零刚度隔振技术应用于超声电机，使超声电机转子预压力技术调节获得了重大突破。同时本技术根据超声电机的特点对准零刚度隔振器进行改进，使之适合于动态运行。此外：（1）本技术可通过设计复合转子2中的内永磁铁20和外永磁铁15的高度、厚度及内外永磁铁之间的间隙等几何参数，使得该复合转子能在两永磁铁中截面重合的平衡位置附近的较大区域内产生很大的负刚度，且负刚度的均匀性较好。因此，该复合转子能够抵抗较大幅值的高冲击载荷。（2）本技术，复合转子2处于平衡位置，若内永磁铁20和外永磁铁15的中截面重合，负刚度的特性最好；若沿轴向方向，内永磁铁20偏离外永磁铁15较多，就不能达到准零刚度转子的效果。不同型号的超声电机施加的预压力不同，转子的形变也不同，两磁环的中截面就会偏离理论工作位置。本技术克服这一缺点，转动轴7套筒下端的调节螺母18具有调节距离的功能。对于不同使用情况的超声电机，可以提前通过调节调节螺母18和适当地在内套筒21与转动轴7的方形阶梯轴之间加装调节垫片，使得内永磁铁20和外永磁铁15中截面重合，零刚度转子处于理想的工作状态。（3）由于辐射充磁的环形永磁铁加工困难，成本高，可采用径向充磁的磁瓦拼接的方式代替环形永磁铁，结构简单。（4）本技术的复合转子2的上端盖12的方形槽利于超声电机受到轴向冲击，在轴向方向有一定的可动位移，并在周向方向能由转动轴带动旋转。（5）本技术的超声电机定转子之间的预压力通过螺纹连接在转动轴7的压套10施加，可以较准确的施加电机正常工作预压力。总之，本技术所提出的准零刚度转子的超声电机，对于较大幅值的冲击载荷都有很好的抗载效果，可以应用在制导炮弹、光学仪器（电子显微镜、激光干涉仪等）、精密加工设备（精密镗床、磨床进刀系统）、微型机器人、医疗器械、办公自动化设备等高新
而且，本技术提出的采用准零刚度转子的超声电机结构简单，装拆方便，可靠性高。附图说明图1为本技术准零刚度转子超声电机的剖视示意图。图2为超声电机准零刚度转子的剖视图。图3为磁瓦拼接的内永磁铁示意图。图4为零刚度转子的刚度—位移图；图5是本专利技术的工作原理示意图。图中：1.电机外壳，2.复合转子，3.定子，4.压电陶瓷，5.电机底座，6.轴承压套，7.转动轴，8.下轴承，9.摩擦层，10.压套，11.上轴承，12.上端盖，13.调节垫圈，14.外套筒，15.外永磁铁，16.转盘,17.机械弹簧，18.调节螺母，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种准零刚度复合转子超声电机，它包括压电陶瓷（4）、定子（3）、转动轴（7）和转子（2），压电陶瓷（4）安装在定子的一个端面上，定子的另一个端面与转子（2）相抵，转子（2）安装在转动轴（7）上，其特征是所述的转子（2）为准零刚度复合转子，该准零刚度复合转子由转盘（16）、机械弹簧（17）、内磁力弹簧和外磁力弹簧及上端盖（12）组成，转盘（16）的中心设有供转动轴（7）通过的方形孔，转动轴（7）对应部位也呈方形结构，以便转动轴既能在转盘中作轴向窜动又能在转盘（16）的带动下转动；转盘（16）的底面与定子（3）相啮合产生转动力，转盘（16）的另一面与机械弹簧（17）的一端相连，机械弹簧（17）产生弹力以转子（2）与定子（3）保持设定的压力，机械弹簧（17）的另一端与外磁力弹簧的一端相低，外磁力弹簧的另一端与上端盖（12）相连，上端盖（12）通过压套（10）实现其在转动轴（7）上的轴向定位；内磁力弹簧通过一端的调节螺母（18）和转动轴（7）上的台阶面固定在转动轴（7）上，调节压套（10）在转动轴上的位置，使内磁力弹簧和外磁力弹簧复合产生的负刚度与机械弹簧产生的正刚度相匹配，使转子（2）在转动过程中既与定子（3）保持设定的啮合力又能在受到外界冲击时自动抵消所受的冲击载荷。...

【技术特征摘要】
1.一种准零刚度复合转子超声电机，它包括压电陶瓷（4）、定子（3）、转动轴（7）和转子（2），压电陶瓷（4）安装在定子的一个端面上，定子的另一个端面与转子（2）相抵，转子（2）安装在转动轴（7）上，其特征是所述的转子（2）为准零刚度复合转子，该准零刚度复合转子由转盘（16）、机械弹簧（17）、内磁力弹簧和外磁力弹簧及上端盖（12）组成，转盘（16）的中心设有供转动轴（7）通过的方形孔，转动轴（7）对应部位也呈方形结构，以便转动轴既能在转盘中作轴向窜动又能在转盘（16）的带动下转动；转盘（16）的底面与定子（3）相啮合产生转动力，转盘（16）的另一面与机械弹簧（17）的一端相连，机械弹簧（17）产生弹力以转子（2）与定子（3）保持设定的压力，机械弹簧（17）的另一端与外磁力弹簧的一端相低，外磁力弹簧的另一端与上端盖（12）相连，上端盖（12）通过压套（10）实现其在转动轴（7）上的轴向定位；内磁力弹簧通过一端的调节螺母（18）和转动轴（7）上的台阶面固定在转动轴（7）上，调节压套（10）在转动轴上的位置，使内磁力弹簧和外磁力弹簧复合产生的负刚度与机械弹簧产生的正刚度相匹配，使转子（2）在转动过程中既与定子（3）保持设定的啮合力又能在受到外界冲击时自动抵消所受的冲击载荷。2.根据权利要求1所述的准零刚度复合转子超声电机，其特征是所述的压套（10）通过螺纹旋装在转动轴（7）上。3.根据权利要求1所述的准零刚度复合转子超声电机，其特征是所述的内磁力弹簧由内永磁铁（20）、内套筒（21）和底盖（19）组成，内永磁铁（20）套装在内套筒（21）中，内永磁铁（20）又套装在转动轴（7）上，内套筒（21）的上端面与转动轴（7）上的台界面相抵，底盖（19）安装在内套筒（21）的下端面上，底盖（...

【专利技术属性】
技术研发人员：菅磊，王翔，王均山，陈超，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：新型
国别省市：江苏,32