一种基于多个兰杰文换能器的双转子型超声电机

本发明涉及超声电机技术及精密驱动，尤其涉及一种基于多个兰杰文换能器的双转子型超声电机。

背景技术：

1、行波超声电机是旋转式超声电机中最为典型的一类，已经成功应用于智能制造、微型机器人、生物医疗设备等领域。随着航空航天等高精尖领域的飞速发展，对于旋转型行波超声电机的性能要求越来越高。特别是在空间控制力矩陀螺、激光指向机构、空间机械臂等空间机构的应用过程中，超声电机必须具有低速大扭矩、长寿命、结构紧凑、能量转换效率高等优势，而传统行波型旋转超声电机由于压电陶瓷工作在d31模式，能量利用率较低，且由于多极化分区导致陶瓷片在长时间工作状态下容易疲劳破坏，除此之外，这类电机的输出扭矩提升较为困难、大尺寸环形压电陶瓷片难以加工，因此急需找到可行的优化或替代方案以推动旋转型超声电机在高精尖装备及特殊空间机构中高效稳定的服役。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中现有行波型超声电机由于采用贴片式环形压电陶瓷而带来的能量利用效率低、驱动性能提升空间受限、大尺寸环状多分区压电陶瓷加工难度高的问题，提供一种基于多个兰杰文换能器的双转子型超声电机。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、一种基于多个兰杰文换能器的双转子型超声电机，包括定子、输出轴、轴承、第一至第二转子、第一至第二预紧螺母、以及第一至第二预紧弹簧；

4、所述定子包含基体、驱动模块和固定支架；

5、所述基体包含固定盘和连接筒，其中，所述固定盘成圆盘状，用于和外界固连；所述连接筒为两端开口的空心圆柱体，一端和所述固定盘的内壁同轴固连；

6、所述驱动模块包括法兰盘、第一至第二驱动环、以及第一至第四兰杰文换能器；

7、所述第一至第二驱动环结构相同，呈圆环状，一个端面上周向均匀设有m个驱动齿，m为大于等于3的自然数；

8、所述法兰盘呈圆环状，其上周向均匀设有和第一至第四兰杰文换能器一一对应的第一至第四安装通孔；

9、所述第一至第四兰杰文换能器结构相同，均包含双头螺栓、第一至第二变幅杆、以及第一至第二压电陶瓷组；

10、所述双头螺栓包含螺帽、第一螺杆和第二螺杆，其中，所述螺帽呈正多边形；第一螺杆、第二螺杆分别和所述螺帽的两个端面同轴固连，第一螺杆、第二螺杆上的螺纹旋向相反；

11、所述第一至第二变幅杆为结构相同，均采用变截面结构，横截面从一端到另一端逐渐变小，且面积较大的端面中心均设有和所述双头螺栓相配合的螺纹盲孔；

12、所述第一至第二压电陶瓷组均包含2p个依次层叠的压电陶瓷片，p为大于等于1的自然数；所述压电陶瓷片呈圆形或正多边形，沿厚度方向极化，中心设有用于和所述双头螺栓相配合的通孔；

13、所述双头螺栓的第一螺杆依次穿过法兰盘上和其所在兰杰文换能器对应的安装通孔、第一压电陶瓷组后和所述第一变幅杆上的螺纹盲孔螺纹相连，将第一压电陶瓷组夹紧在法兰盘和第一变幅杆之间；双头螺栓的第二螺杆穿过第二压电陶瓷组后和所述第二变幅杆上的螺纹盲孔螺纹相连，将第二压电陶瓷组夹紧在螺帽和第二变幅杆之间；

14、所述第一压电陶瓷组中与第一变幅杆相抵的压电陶瓷片的极化方向和第二压电陶瓷组中与第二变幅杆相抵的压电陶瓷片的极化方向相反；

15、所述固定盘上周向均匀设有四个供所述第一至第四兰杰文换能器的第二变幅杆的通孔；

16、所述第一至第四兰杰文换能器中第一变幅杆面积较小的一端均和所述第一驱动环未设驱动齿的端面固连，使得第一驱动环和法兰盘同轴；第一至第四兰杰文换能器中第二变幅杆面积较小的一端穿过固定盘上其对应的通孔后均和所述第二驱动环未设驱动齿的端面固连，使得第二驱动环和法兰盘同轴；

17、所述连接筒远离固定盘的一端通过所述固定支架和所述法兰盘的内壁同轴固连；

18、所述轴承设置在连接筒和输出轴之间，内圈和输出轴同轴固连，外圈和连接筒同轴固连；

19、所述输出轴的两端分别设有和所述第一预紧螺母、第二预紧螺母相配合的外螺纹；

20、所述第一至第二转子结构相同，均呈圆盘状；第一转子、第二转子分别套在所述输出轴的两端，内壁均和输出轴键连，周向和输出轴固定，轴向能够相对输出轴自由滑动；

21、所述第一预紧螺母和输出轴螺纹相连；第一预紧弹簧设置套在输出轴外，一端和第一预紧螺母相抵，另一端和第一转子相抵，呈压缩状态，使得第一转子和所述第一驱动环上的驱动齿相抵；

22、所述第二预紧螺母和输出轴螺纹相连；第二预紧弹簧设置套在输出轴外，一端和第二预紧螺母相抵，另一端和第二转子相抵，呈压缩状态，使得第二转子和所述第二驱动环上的驱动齿相抵。

23、作为本发明一种基于多兰杰文换能器的双转子型超声电机进一步的优化方案，所述固定支架包含固定圆环和若干连接杆；

24、所述固定圆环和所述连接筒远离固定盘的一端通过螺栓同轴固连；

25、所述若干连接杆周向均匀设置在固定圆环和法兰盘之间，均一端和固定圆环的外壁固连，另一端和法兰盘的内壁固连。

26、作为本发明一种基于多兰杰文换能器的双转子型超声电机进一步的优化方案，所述第一转子靠近第一驱动环的一侧、第二转子靠近第二驱动环的一侧均设有摩擦层。

27、本发明还公开了一种该基于多个兰杰文换能器的双转子型超声电机的工作方法，包含以下步骤：

28、令第一至第四兰杰文换能器按照顺时针依次排列；

29、若需要驱动双转子型超声电机的输出轴正向旋转：

30、对第一至第四兰杰文换能器分别施加第一至第四简谐振动信号，所述第一至第四简谐振动信号同频同幅且初始相位角依次相差90°；

31、若需要驱动双转子型超声电机的输出轴反向旋转：

32、对第一至第四兰杰文换能器分别施加第五至第八简谐振动信号，所述第五至第八简谐振动信号同频同幅且初始相位角依次相差-90°。

33、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：

34、1. 本发明利用兰杰文换能器工作在一阶纵振状态时纵向输出位移最大的特性，同时激发出第一、第二驱动环的弯振共振模态，有效放大驱动齿的纵向振幅，电机能够输出更大的扭矩；

35、2. 本发明不受限于贴片式压电陶瓷能量利用率低的劣势，将贴片式改成夹心式，充分利用压电陶瓷d33系数大的优势，提高机电转换效率，改善机械输出性能；

36、3. 本发明采用双驱动环-双转子的结构设计方案，与众多结合兰杰文换能器的单驱动环-单转子的行波型旋转电机结构相比，该电机拥有更高的负载能力；

37、4. 本发明将兰杰文换能器纵振节点位置同时作为电机的固定位置，能够将安装与固定过程中对电机振动模态的影响最小化；

38、5. 本发明采用两头螺纹旋向相反的双头螺栓，能够在单向旋转的同时夹紧上下两个变幅杆，进而对压电陶瓷片施加预紧力，解决了以往基于纵振换能器的夹心式双转子结构难以同时对双侧压电陶瓷施加预紧力的问题；

39、6. 本发明涉及的不同尺寸的电机设计均不会受限于陶瓷片的形状与尺寸，设计方式灵活多变、适应性好，能够有效提升旋转型超声电机在多种高精尖领域及场景的服役能力。