申请/专利权人：南京航空航天大学

申请日：2018-03-06

公开（公告）日：2024-04-30

公开（公告）号：CN108551278B

主分类号：H02N2/12

分类号：H02N2/12;H02N2/14

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.30#授权;2018.10.16#实质审查的生效;2018.09.18#公开

摘要：本发明涉及一种贴片式异向旋转双转子超声电机，涉及超声电机领域，包括定子和转子组件；所述转子组件包括第一预压转子系统、第二预压转子系统和转动轴；所述定子组件包括金属基体、轴承、矩形压电陶瓷片以及圆筒形机座；所述金属基体中间外圆上切出四个大小相同的矩形平面，每相邻两平面之间设置有限位孔，两端设置有模态转换结构；所述金属基体通过螺栓、限位孔固定在圆筒型机座内。本发明通过特殊设计的模态转换结构，将压电陶瓷的纵向振动转换为定子驱动齿顶端质点的纵弯复合运动，驱动两转子异向旋转，具有结构简单、驱动方便、易于微型化等特点，可配合正反螺旋桨使用，扭矩自平衡，为微型旋翼飞行器、水下航行器等提供动力。

主权项：1.一种贴片式异向旋转双转子超声电机，其特征在于，包括转子组件和定子组件，所述转子组件包括第一预压转子系统、第二预压转子系统和转动轴（1），所述定子组件安装在转动轴（1）上，所述定子组件两端分别安装所述第一预压转子系统和所述第二预压转子系统，所述第一预压转子系统和所述第二预压转子系统对所述定子组件产生预压力，所述定子组件上设置纵弯模态转换结构，所述定子组件在单相激励信号的激励下，沿竖直方向振动，带动所述第一预压转子系统和所述第二预压转子系统转动，并且转动方向相反；所述定子组件包括金属基体（7）和压电陶瓷片（8），压电陶瓷片（8）贴于金属基体（7）的外围，金属基体（7）的两端设置驱动齿，所述驱动齿为长方形，一侧底部开有半圆形缺口；所述第一预压转子系统包括：第一螺母（2）、第一弹簧盖（3）、第一弹簧（4）、第一转子基体（5）、第一摩擦材料（6），并依次安装在转动轴（1）上半部分，第一摩擦材料（6）和金属基体（7）顶端的所述驱动齿紧密连接；所述第二预压转子系统包括：第二摩擦材料（11）、第二转子基体（12）、第二弹簧（13）、第二弹簧盖（14）、第二螺母（15），并依次安装在转动轴（1）的下半部分，第二摩擦材料（11）和金属基体（7）底部的所述驱动齿紧密连接。

全文数据：一种贴片式异向旋转双转子超声电机技术领域[0001]本发明涉及超声电机领域，尤其涉及一种贴片式异向旋转双转子超声电机。背景技术[0002]共轴双旋翼式构型是微型旋翼飞行器中常采用的一种结构形式，相比于同级别的单旋翼带尾桨式以及多旋翼式构型，因其上下旋翼扭矩自平衡而显得结构紧凑，气动效率较高，因此具被广泛应用于微型飞行器的设计中。但是共轴双旋翼式构型在微型化过程中常面临=些问题，由于上下旋翼的转向相反，在一个电机驱动的情况下，需要两副传动机构分别驱动上下旋翼运动，或者利用两个电机分别驱动上下旋翼运动。[0003]额外的传动机构或者是采用多个电机的方式都会使飞行器的复杂性增加，进一步影响其可靠性和安全性。针对厘米级的微型飞行器，两副传动机构或者两个电机的技术方案，都不利于共轴式旋翼飞行器的微型化。[0004]综上，现有技术中缺乏一种电机，能够输出双旋翼的反向旋转，同时满足微型化的要求。发明内容[0005]本发明提供一种贴片式异向旋转双转子超声电机，能够在空气等介质中工作时扭矩自平衡，不需要额外的减速组就可以直接用作微型共轴式旋翼飞行器或者其他装置的动力源。[0006]为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种贴片式异向旋转双转子超声电机，包括转子组件和定子组件，转子组件包括第一预压转子系统、第二预压转子系统和转动轴，定子组件安装在转动轴上，定子组件两端分别安装第一预压转子系统和第二预压转子系统，第一预压转子系统和第二预压转子系统对定子组件产生预压力，定子组件上设置纵弯模态转换结构，定子组件在单相激励信号的激励下，沿竖直方向振动，带动第一预压转子系统和第二预压转子系统转动，并且转动方向相反。[0007]进一步的，定子组件包括金属基体和压电陶瓷片，压电陶瓷片贴于金属基体的外围，金属基体的两端设置驱动齿，驱动齿为长方形，一侧底部开有半圆形缺口，驱动齿是纵弯模态转换结构，将金属基体在竖直方向上的振动，转换为第一预压转子系统和第二预压转子系统的转动。[0008]进一步的，第一预压转子系统包括:第一螺母、第一弹簧盖、第一弹簧、第一转子基体、第一摩擦材料，并依次安装在转动轴上半部分，第一摩擦材料和金属基体顶端的驱动齿紧密连接。第一转子基体安装在转动轴上，随着转动轴转动。通过转动第一螺母控制第一螺母的位置，调节第一转子基体和金属基体之间的正预压力。[0009]进一步的，第二预压转子系统包括:第二摩擦材料、第二转子基体、第二弹簧、第二弹簧盖、第二螺母，并依次安装在转动轴的下半部分，第二摩擦材料和金属基体底部的驱动齿紧密连接。第二转子基体安装在转动轴上，随着转动轴转动。通过转动第二螺母控制第二螺母的位置，调节第二转子基体和金属基体之间的正预压力。[0010]进一步的，金属基体的一侧，驱动齿的安装数量为3-8个，且金属基体两端的驱动齿关于金属基体的几何中心呈中心对称。[0011]进一步的，单相激励信号是正弦波、三角波以及方波中的一种。[0012]进一步的，第一弹簧盖和第一弹簧连接处、第二弹簧盖和第二弹簧连接处均设置圆形凹槽，圆形凹槽直径大于第一弹簧或第二弹簧的直径，限制了第一弹簧或第二弹簧的径向移动，同时利于正预压力的均匀分布。[0013]本发明具有如下有益效果:本发明中超声电机采用贴片式结构，压电陶瓷片的电磁激励下产生纵向的振动，金属基体上的驱动齿作为纵弯模态转换结构，配合第一预压转子系统和第二预压转子系统将纵向的振动转化为方向相反的旋转，通过一个驱动装置实现两个方向的旋转运动，具有双输出能力，并且结构紧凑，能够满足微型化的要求。附图说明[0014]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。[0015]图1是本发明的三维结构示意图；图2是本发明的剖面图；图3是本发明的金属基体三维结构示意图；图4是本发明的定子组件工作所需的模态示意图；图5是本发明的压电陶瓷片的极化方式和应用示意图。[0016]其中，1-转动轴、2-第一螺母、3-第一弹簧盖、4-第一弹簧、5-第一转子基体、6-第一摩擦材料、7-第一金属基体、8-压电陶瓷片、9-圆筒形机座、10-螺栓、11-第二摩擦材料、12-第二转子基体、13-第二弹簧、14-第二弹簧盖、15-第二螺母、16-第一轴承、17-第二轴承、18-第二轴承。具体实施方式[0017]为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。[0018]本发明实施例提供一种贴片式异向旋转双转子超声电机，如图1所示，包括:定子组件和转子组件。转子组件包括第一预压转子系统、第二预压转子系统和转动轴1，所述定子组件通过第二轴承17、第三轴承18和转动轴1连接，所述第一预压转子系统和所述第二预压转子系统分别安装于所述定子组件两端，呈镜像排列，也通过第二轴承1?、第三轴承18和转动轴1连接，如图2所示。[0019]第一预压转子系统包括:第一螺母2、第一弹簧盖3、第一弹簧4、第一轴承16、第一转子基体5、第一摩擦材料6，并依次安装在转动轴1上半部分，第一摩擦材料6和金属基体7顶端的所述驱动齿紧密连接。第一转子基体5通过第一轴承I6与转动轴1连接，不随转动轴1转动。通过转动第一螺母2控制第一螺母2的位置，调节第一转子基体5和金属基体7之间的正预压力。[0020]第二预压转子系统包括:第二摩擦材料11、第二转子基体12、第二弹簧13、第二弹簧盖14、第二螺母15,并依次安装在转动轴1的下半部分，第二摩擦材料11和金属基体7底部的所述驱动齿紧密连接。第二转子基体12安装在转动轴1上，随着转动轴1转动。通过转动第二螺母15控制第二螺母15的位置，调节第二转子基体12和金属基体7之间的正预压力。[0021]定子组件包括金属基体7和压电陶瓷片8,金属基体7的两端设置驱动齿，所述驱动齿为长方形，驱动齿的数量为4个，如图3所示，驱动齿的一侧底部开有半圆形缺口，两端的驱动齿关于金属基体7的几何中心呈中心对称。金属基体7中间外圆上切出四个大小相同的矩形平面，每相邻两平面之间设置有限位孔。所述压电陶瓷片8通过环氧树脂胶粘贴在金属基体7的四个矩形平面上，压电陶瓷片8为矩形。所述圆筒型基座9和金属基体7为分体式可拆卸结构，圆筒型基座9中间外圆周上布置有四块矩形板，相邻矩形板之间设置有螺纹孔，螺栓10通过螺纹孔插入上述金属基体7的限位孔内，将圆筒型基座9与金属基体7连接在一起。进一步地，为了使正预压力的均匀分布，第一弹簧盖3和第一弹簧4连接处、第二弹簧盖14和第二弹簧13连接处均设置圆形凹槽，所述圆形凹槽直径大于第一弹簧4或第二弹簧13的直径，以限制第一弹簧4和第二弹簧13的径向移动。为了增强电机的输出效果，所述第一转子基体5、第二转子基体12与金属基体7驱动齿相邻的一面上粘有第一摩擦材料6、第二摩擦材料11。[0022]金属基体7两端的驱动齿底部一侧开有半圆形缺口，这是为了让激励单元产生的纵向振动传递到驱动齿时生成一部分纵向振动分量和一部分沿圆周方向的弯曲振动分量。除此之外，金属基体7本身存在一个特殊的模态，该模态表现为两端的驱动齿沿圆周方向的一阶弯振模态，通过合理设计尺寸，可以使金属基体7的纵向振动模态频率和驱动齿的一阶弯曲振动模态频率接近或相等，增强弯振幅度。由于结构阻尼的影响，纵向振动分量和弯曲振动分量之间会产生一定的相位差，进而使驱动齿的末端质点复合形成椭圆轨迹振动。图4所示为本发明中的超声电机基于金属基体7—阶纵振的工作模态示意图。[0023]图5所示为压电陶瓷片8的极化方式和应用示意图，压电陶瓷片8均沿厚度方向极化，粘贴时极化方向均指向金属基体7的中心，压电陶瓷片8的外侧引线接激励信号，金属基体7和圆筒型机架相连接地。此处以正弦信号sin为例子进行说明，当对压电陶瓷片8施加适当的激励信号时，可激发出金属基体7的一阶纵振模态，当能量传递到驱动齿处时，由于模态转换结构的影响，驱动齿的一阶弯振模态被激发出来。在两种模态叠加耦合以及结构阻尼的作用下，使驱动齿末端质点的轴向运动分量和圆周方向运动分量产生一定的相位差，进而形成椭圆运动，通过摩擦作用分别带动第一转子基体5、第二转子基体12转动。由于结构设计的中心对称性，金属基体7—端上的驱动齿与相对的另一端驱动齿的弯曲振动相位相反，宏观表现为第一转子基体5与第二转子基体11的转动方向相反。[0024]本发明具有如下有益效果:本发明中超声电机采用贴片式结构，压电陶瓷片的电磁激励下产生纵向的振动，金属基体上的驱动齿作为纵弯模态转换结构，配合第一预压转子系统和第二预压转子系统将纵向的振动转化为方向相反的旋转，可配合正反螺旋桨使用，本发明通过一个驱动装置实现两个方向的旋转运动，具有双输出能力，并且结构紧凑，能够满足微型化的要求，为微型共轴式旋翼飞行器等提供动力；本发明工作在d3l模式下，相比于夹心式结构，陶瓷片出现损坏时容易更换，同时省去了预紧螺栓等结构，装配方便，易于微型化；本发明中的超声电机结构具有非常好的对称性，这种结构控制特性和阻抗特性上的对称性有利于电机的控制器设计。[0025]以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

权利要求：1.一种贴片式异向旋转双转子超声电机，其特征在于，包括转子组件和定子组件，所述转子组件包括第一预压转子系统、第二预压转子系统和转动轴（1，所述定子组件安装在转动轴（1上，所述定子组件两端分别安装所述第一预压转子系统和所述第二预压转子系统，所述第一预压转子系统和所述第二预压转子系统对所述定子组件产生预压力，所述定子组件上设置纵弯模态转换结构，所述定子组件在单相激励信号的激励下，沿竖直方向振动，带动所述第一预压转子系统和所述第二预压转子系统转动，并且转动方向相反。2.根据权利要求1所述的一种贴片式异向旋转双转子超声电机，其特征在于，所述定子组件包括金属基体7和压电陶瓷片8，压电陶瓷片（8贴于金属基体7的外围，金属基体7的两端设置驱动齿，所述驱动齿为长方形，一侧底部开有半圆形缺口。3.根据权利要求1所述的一种贴片式异向旋转双转子超声电机，其特征在于，所述第一预压转子系统包括:第一螺母2、第一弹簧盖3、第一弹簧4、第一转子基体5、第一摩擦材料6，并依次安装在转动轴（1上半部分，第一摩擦材料6和金属基体7顶端的所述驱动齿紧密连接。4.根据权利要求1所述的一种贴片式异向旋转双转子超声电机，其特征在于，所述第二预压转子系统包括:第二摩擦材料（11、第二转子基体（12、第二弹簧（13、第二弹簧盖14、第二螺母（15，并依次安装在转动轴（1的下半部分，第二摩擦材料（11和金属基体7底部的所述驱动齿紧密连接。5.根据权利要求2所述的一种贴片式异向旋转双转子超声电机，其特征在于，金属基体7的一侧，所述驱动齿的安装数量为3_8个，且金属基体7两端的所述驱动齿关于金属基体7的几何中心呈中心对称。6.根据权利要求1所述的一种贴片式异向旋转双转子超声电机，其特征在于，所述单相激励信号是正弦波、三角波以及方波中的一种。7.根据权利要求1所述的一种贴片式异向旋转双转子超声电机，其特征在于，第一弹簧盖⑶和第一弹簧⑷连接处、第二弹簧（⑶和第二弹簧盖（14连接处均设置圆形凹槽，所述圆形凹槽直径大于第一弹簧4或第二弹簧13的直径。

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