[发明专利]一种中空旋转型行波超声电机

说明书

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；定子包含压电振动机构、振幅放大机构、预紧环和固定座；压电振动机构包含电极片和压电陶瓷模块；电极片包含内圈、外圈、以及2m个扇形凸片；振幅放大机构包含基板、驱动板和若干兰杰文振子；预紧环呈圆环状，其上设有若干和基板上固定孔一一对应的固定孔。本发明充分利用了压电陶瓷d₃₃系数最大、耐压性能好以及兰杰文振子放大振幅的特点，设计出一种能够实现大力矩、高效传动的中空旋转型行波超声电机，能够广泛应用于航空航天装备。

技术领域

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

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。

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。

发明内容

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。

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；