一种中空旋转型行波超声电机的制作方法

1.本发明涉及超声电机技术领域，尤其涉及一种中空旋转型行波超声电机。


背景技术：

2.与空间机构常用的电磁电机通过电磁力传动不同，超声电机通过压电陶瓷激励定子产生可控的微观振动，并通过定转子之间的摩擦力转化为转子宏观转动。基于该工作原理，超声电机在空间机构严格的体积、重量约束范围内，可以充分体现出重量轻、扭矩大、响应快、自锁定等优势，应用于空间机构可更好地实现系统轻量化并显著提升响应特性。同时，超声电机通过摩擦传动，任意位置都具有较大定位刚度，可以规避由于电磁电机在平衡位置弱刚度导致的空间机构在太空微重力环境下的微抖动难题，更有助于实现对太空超远距离目标看得清、瞄得准、跟得稳。因此，研究用于空间机构的超声电机具有重要的应用价值。
3.近年来，超声电机在空间机构上的应用研究受到国内外科研团队的广泛关注。美国jpl实验室在“好奇号”火星车项目中研制超声电机作为采样关节驱动组件取得了良好的效果，我国也在嫦娥三号/四号探测器、量子科学实验卫星上成功实现了超声电机在轨短时、间歇应用。当前在轨应用主要面向短时、低精度工况，尚无长寿命、高精度的在轨应用案例。面向长寿命、高精度空间机构的应用需求，超声电机还需要跨越两个门槛：一是适应长期苛刻的空间环境；二是满足长寿命、高性能、高可靠要求。目前应用于空间机构的超声电机主要使用贴片式环状分区极化压电陶瓷片，发现在模拟空间环境试验工况下，由于真空热聚集效应加剧，容易出现压电陶瓷碎裂的问题；在热真空环境下长时间运转时，由于压电陶瓷性能漂移等原因导致超声电机驱动负载性能降低。由以上现象可以看出，对于空间机构长寿命、高性能、高可靠的应用需求，现阶段超声电机还无法实现稳定、长效服役。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中现有贴片式行波超声电机由于采用的圆环分区极化压电陶瓷的d31工作模式而导致的机电耦合效率低、机械输出能力难以提高、电机长时间运转陶瓷易碎裂的问题，提供一种中空旋转型行波超声电机。
5.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种中空旋转型行波超声电机，包含定子、转子、上壳体、下壳体、第一至第二轴承、以及碟簧；所述定子包含压电振动机构、振幅放大机构、预紧环和固定座；所述压电振动机构包含电极片和压电陶瓷模块；所述电极片包含内圈、外圈、以及2m个扇形凸片，m为大于等于2的自然数，其中，所述内圈、外圈均为圆环板，内圈置于外圈内同轴设置且位于同一平面；所述2m个扇形凸片中的m个扇形凸片沿外圈的内壁周向均匀设置，另外m个扇形凸片沿内圈的外壁周向均匀设置，外圈上的扇形凸片和内圈上的扇形凸片依次交错排列，相邻扇形凸片之间留有空隙且
夹角相等；所述内圈内缘上周向均匀设有若干固定孔；所述压电陶瓷模块包含4m个形状和扇形凸片形状相同的压电陶瓷片，其中2m个压电陶瓷片一一对应粘贴在2m个扇形凸片的上端面，另外2m个压电陶瓷片一一对应粘贴在2m个扇形凸片的下端面；所述4m个压电陶瓷片均沿厚度方向极化，同一扇形凸片上、下端面的压电陶瓷片极化方向相反，内圈上相邻扇形凸片在上端面的压电陶瓷片的极化方向相反，且外圈上相邻扇形凸片在上端面的压电陶瓷片的极化方向也相反；所述振幅放大机构包含基板、驱动板和若干兰杰文振子，其中，所述基板、驱动板均呈圆环状；所述若干兰杰文振子周向均匀分别在基板、驱动板之间，均一端和基板固连、另一端和驱动板固连，使得基板、驱动板同轴；所述驱动板远离基板一侧的端面上周向均匀设有若干驱动齿；所述基板上周向设有若干固定孔；所述预紧环呈圆环状，其上设有若干和所述基板上固定孔一一对应的固定孔；所述压电振动机构设置在基板和预紧环之间，基板上的固定孔和预紧环上的固定孔通过从电极片上扇形凸片之间间隙穿过的螺栓一一对应相连，使得2m个扇形凸片两侧的压电陶瓷片被基板、预紧环压住，电极片的内圈、基板、预紧环同轴；所述固定座为两端开口的空心圆柱体，其上周向设有若干和所述电极片内圈上固定孔一一对应且平行于其轴线的固定通孔；所述上壳体为上端封闭下端开口的空心圆柱体，上壳体上端面的中心设有通孔；所述第一轴承设置在所述上壳体上端面中心的通孔中，其外圈和上壳体同轴固连；所述下壳体为上端开口下端封闭的空心圆柱体，下壳体的下端面中心设有用于安装所述第二轴承的盲孔；所述第二轴承设置在所述下壳体下端面的盲孔中，其外圈和所述下壳体同轴固连；所述上壳体的下端和下壳体的上端同轴固连，将所述定子、转子包含在内；所述下壳体的下端面的内壁上周向设有若干和所述固定座上固定通孔一一对应的固定螺纹孔；所述电极片内圈上的固定孔、固定座上的固定通孔、下壳体下端面的固定螺纹孔通过螺栓一一对应固连，使得电极片内圈、固定座、下壳体同轴固连；所述转子包含转盘和输出轴；所述输出轴包含输出部和连接部，其中，所述输出部、连接部均为圆柱体，且输出部的直径小于连接部；所述转盘呈圆盘状，其中心设有供所述连接部穿过的通孔；所述连接部一端和所述输出部同轴固连，另一端依次穿过转盘、驱动板、基板、电极片内圈、预紧环、固定座后和所述第二轴承的内圈同轴固连，且连接部和转盘在转盘中心通孔处同轴固连，连接部和驱动板、基板、电极片内圈、预紧环、固定座不接触；所述碟簧套在所述第一轴承内圈和所述连接部之间的输出部上，一端和所述第一轴承的内圈相抵，另一端和所述输出部相抵，使得所述转盘和所述驱动板上各个驱动齿相抵。
6.作为本发明一种中空旋转型行波超声电机进一步的优化方案，所述内圈在其固定孔和其上扇形凸片之间周向均匀设有若干弧形通槽，以降低振动能量在电极片内圈上的耗
散。
7.作为本发明一种中空旋转型行波超声电机进一步的优化方案，所述压电陶瓷片均通过环氧树脂胶粘贴在扇形凸片上。
8.作为本发明一种中空旋转型行波超声电机进一步的优化方案，所述转盘包含刚性盘、弹性盘和接触盘；所述刚性盘、弹性盘、接触盘均呈圆环状，由内至外依次同轴设置；所述接触盘、刚性盘、弹性盘的厚度依次减小；所述接触盘的内壁、外壁上均对应设有凹槽，使得接触盘形成截面为“工”字形的柔性结构；所述接触盘上部分的内壁和弹性盘的外壁同轴固连，弹性盘的内壁和刚性盘的外壁同轴固连。
9.作为本发明一种中空旋转型行波超声电机进一步的优化方案，所述转盘采用航空铝合金7075材料制成，表面经阳极氧化处理，以增强转盘接触面的耐磨性。
10.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明利用兰杰文振子的振幅放大特性，能够有效增加定子的纵向振幅，在施加相同的预压力时，定转子之间的摩擦力更大，电机能够输出更大的扭矩；本发明将传统的环状分区极化压电陶瓷片用厚度更大的扇形陶瓷片替代，将贴片的形式改成夹心的形式，充分利用压电陶瓷d
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常数较大的优势，进一步提高电机的机电耦合效率，增强电机的机械输出能力；而且独立的压电陶瓷片之间振动时比环形压电陶瓷不同极化分区振动时产生的应力集中小得多，降低了压电陶瓷碎裂的概率，因此可以极大提高电机在热真空运转条件下压电陶瓷的工作寿命。综合这几点来看，本发明不仅改善了传统贴片式行波型旋转超声电机由于压电陶瓷长时间运转发生的碎裂问题，而且能够提高超声电机的机电转化效率，增强输出性能。
附图说明
11.图1是本发明的剖面结构示意图；图2是本发明中定子的结构示意图；图3是本发明中电极片的结构示意图；图4（a）、图4（b）分别是本发明中压电陶瓷片的布置方式、激振原理的示意图；图5是本发明中振幅放大机构的结构示意图；图6是本发明中转子转盘的结构示意图；图7是通过压电陶瓷组激振的两个空间和时间相位差均为90
°
的九阶弯振振型b09对比示意图。
12.图中，1：上壳体，2：下壳体，3：输出轴，4：电极片，5：第二轴承，6：碟簧，7：转盘，8：驱动板，9：兰杰文振子，10：基板，11：第一轴承，12：预紧环，13：固定座, 14：内圈，15：外圈，16：扇形凸片，17：内圈上的固定孔，18：内圈上的弧形通槽，19：驱动齿，20：基板上的固定孔，21：刚性盘，22：弹性盘，23：接触盘。
具体实施方式
13.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
14.应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各个元件、组件和/或部分，但这些元件、组件和/或部分不受这些术语限制。这些术语仅仅用于将元件、组件和/或部分相互区分开来。因此，下面讨论的第一元件、组件和/或部分在不背离本发明教学的前提下可以成为第二元件、组件或部分。
15.如图1所示，本发明公开了一种中空旋转型行波超声电机，包含定子、转子、上壳体、下壳体、第一至第二轴承、以及碟簧；如图2所示，所述定子包含压电振动机构、振幅放大机构、预紧环和固定座；所述压电振动机构包含电极片和压电陶瓷模块；如图3所示，所述电极片包含内圈、外圈、以及2m个扇形凸片，m为大于等于2的自然数，其中，所述内圈、外圈均为圆环板，内圈置于外圈内同轴设置且位于同一平面；所述2m个扇形凸片中的m个扇形凸片沿外圈的内壁周向均匀设置，另外m个扇形凸片沿内圈的外壁周向均匀设置，外圈上的扇形凸片和内圈上的扇形凸片依次交错排列，相邻扇形凸片之间留有空隙且夹角相等；所述内圈内缘上周向均匀设有若干固定孔；如图4（a）所示，所述压电陶瓷模块包含4m个形状和扇形凸片形状相同的压电陶瓷片，其中2m个压电陶瓷片一一对应粘贴在2m个扇形凸片的上端面，另外2m个压电陶瓷片一一对应粘贴在2m个扇形凸片的下端面；所述4m个压电陶瓷片均沿厚度方向极化，同一扇形凸片上、下端面的压电陶瓷片极化方向相反，内圈上相邻扇形凸片在上端面的压电陶瓷片的极化方向相反，且外圈上相邻扇形凸片在上端面的压电陶瓷片的极化方向也相反，如图4（b）所示，另每一个扇形凸片上下端面上的压电陶瓷片构成一个压电陶瓷组，则图4（b）中的4-1至4-12分别为12个扇形凸片对应的12个压电陶瓷组；如图5所示，所述振幅放大机构包含基板、驱动板和若干兰杰文振子，其中，所述基板、驱动板均呈圆环状；所述若干兰杰文振子周向均匀分布在基板、驱动板之间，均一端和基板固连、另一端和驱动板固连，使得基板、驱动板同轴；所述驱动板远离基板一侧的端面上周向均匀设有若干驱动齿；所述基板上周向设有若干固定孔；所述预紧环呈圆环状，其上设有若干和所述基板上固定孔一一对应的固定孔；所述压电振动机构设置在基板和预紧环之间，基板上的固定孔和预紧环上的固定孔通过从电极片上扇形凸片之间间隙穿过的螺栓一一对应相连，使得2m个扇形凸片两侧的压电陶瓷片被基板、预紧环压住，电极片的内圈、基板、预紧环同轴；所述固定座为两端开口的空心圆柱体，其上周向设有若干和所述电极片内圈上固定孔一一对应且平行于其轴线的固定通孔；所述上壳体为上端封闭下端开口的空心圆柱体，上壳体上端面的中心设有通孔；所述第一轴承设置在所述上壳体上端面中心的通孔中，其外圈和上壳体同轴固连；所述下壳体为上端开口下端封闭的空心圆柱体，下壳体的下端面中心设有用于安
装所述第二轴承的盲孔；所述第二轴承设置在所述下壳体下端面的盲孔中，其外圈和所述下壳体同轴固连；所述上壳体的下端和下壳体的上端同轴固连，将所述定子、转子包含在内；所述下壳体的下端面的内壁上周向设有若干和所述固定座上固定通孔一一对应的固定螺纹孔；所述电极片内圈上的固定孔、固定座上的固定通孔、下壳体下端面的固定螺纹孔通过螺栓一一对应固连，使得电极片内圈、固定座、下壳体同轴固连；所述转子包含转盘和输出轴；所述输出轴包含输出部和连接部，其中，所述输出部、连接部均为圆柱体，且输出部的直径小于连接部；所述转盘呈圆盘状，其中心设有供所述连接部穿过的通孔；所述连接部一端和所述输出部同轴固连，另一端依次穿过转盘、驱动板、基板、电极片内圈、预紧环、固定座后和所述第二轴承的内圈同轴固连，且连接部和转盘在转盘中心通孔出同轴固连，连接部和驱动板、基板、电极片内圈、预紧环、固定座不接触；所述碟簧套在所述第一轴承内圈和所述连接部之间的输出部上，一端和所述第一轴承的内圈相抵，另一端和所述输出部相抵，使得所述转盘和所述驱动板上各个驱动齿相抵。
16.所述内圈在其固定孔和其上扇形凸片之间周向均匀设有若干弧形通槽，以降低振动能量在电极片内圈上的耗散。
17.所述压电陶瓷片均通过环氧树脂胶粘贴在扇形凸片上。
18.如图6所示，所述转盘包含刚性盘、弹性盘和接触盘；所述刚性盘、弹性盘、接触盘均呈圆环状，由内至外依次同轴设置；所述接触盘、刚性盘、弹性盘的厚度依次减小；所述接触盘的内壁、外壁上均对应设有凹槽，使得接触盘形成截面为“工”字形的柔性结构；所述接触盘上部分的内壁和弹性盘的外壁同轴固连，弹性盘的内壁和刚性盘的外壁同轴固连。
19.所述转盘采用航空铝合金7075材料制成，表面经阳极氧化处理，以增强转盘接触面的耐磨性。
20.所述4m个压电陶瓷片均选用pzt-8，输出轴采用不锈钢制成，其余部件采用磷青铜制成。
21.如图4（b）所示，对电极片内圈上的压电陶瓷组施加余弦激励信号，对电极片外圈上的压电陶瓷组施加正弦激励信号，定子基体直接接地；因为同一压电陶瓷组上下两片压电陶瓷极化方向相反，所以当在电极片中间施加激励信号时，上下两片压电陶瓷的变形是相同的，会产生同伸同缩的运动；将展开成直线的电极片作为平衡位置，平衡位置以上代表拉伸变形，平衡位置以下代表压缩变形，对于电极片内圈上的压电陶瓷组，由于组与组之间的陶瓷极化方向相反，因此施加余弦激励电压时，压电陶瓷组4-1、4-5、4-9与压电陶瓷组4-3、4-7、4-11的伸缩方向相反；同理，对于电极片外圈上的压电陶瓷组，由于组与组之间的极化方向相反，因此施加正弦激励电压时，压电陶瓷组4-2、4-6、4-10与压电陶瓷组4-4、4-8、
4-12的伸缩方向相反；电极片内圈、外圈上的压电陶瓷组在基板上激发出的振型相同，振动波形是两相在时间和空间相上都相差90
°
的驻波；模态分析显示，基板被激发出三阶弯振模态b03；对电极片内、外圈上的压电陶瓷组同时施加正、余弦激励电压，激励电压信号的频率为56.9khz时，在基板上产生旋转的行波；这种在压电陶瓷d
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工作模式下交替产生的纵向伸缩振动进一步由振幅放大机构的兰杰文振子结构加以放大，其纵向的振动经过放大输出到驱动板的驱动齿上，激发出驱动齿的高阶弯振模态，模态分析结果表明，驱动齿被激发出两个频率相近、空间相互正交的九阶弯振模态b09，对比图如图7所示；同时对电极片内、外圈上的压电陶瓷组分别施加正、余弦激励电压，激励电压信号的频率为56.9khz时，驱动板被激发出旋转的行波，从而有效驱动转盘带动输出轴转动。
22.本技术领域技术人员可以理解的是，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。
23.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。