一种高回转精度结构的超声电机及定子与转子预紧方法，它涉及一种超声电机及该电机的定子与转子预紧方法，以解决现有超声电机的支承轴承的轴承座孔分别在电机上盖和底座，两者分别加工，两个轴承座孔的同轴度很难达到较高的同轴要求，以及电机转子轴的支撑均采用深沟球轴承，转子轴的回转精度低的问题，它包括上盖、底座、转子轴、定子、转子、转子法兰、转子螺钉和两个角接触球轴承；两个角接触球轴承的角接触线同向且平行布置，转子轴安装在两个角接触球轴承上，定子安装在底座上，转子法兰与转子轴固接，定子的与底座相邻的端面上铺设有一层环形压电陶瓷。本发明用作超声电机，特别适合高回转精度应用场合。
1.一种高回转精度结构的超声电机，其特征在于：它包括上盖(10)、底座(5)、转子轴(1)、定子(6)、转子(8)、转子法兰(20)、转子螺钉(17)和两个角接触球轴承(4)；
上盖(10)和底座(5)上各加工有相同内径的同轴通孔，两个同轴通孔内各安装有一个角接触球轴承(4)，两个角接触球轴承(4)的角接触线同向且平行布置，转子轴(1)安装在两个角接触球轴承(4)上，定子(6)安装在底座(5)上，转子(8)和定子(6)布置在两个角接触球轴承(4)之间，转子法兰(20)布置在角接触球轴承(4)和转子(8)之间，转子法兰(20)与转子轴(1)固接，转子(8)通过转子螺钉(17)与转子法兰(20)连接，转子(8)的轮缘的端面上铺设有与定子(6)接触的一层环形摩擦材料(7)，定子(6)的与底座(5)相邻的端面上铺设有一层环形压电陶瓷(22)；
它还包括预紧螺母(2)和垫圈(3)；转子轴(1)上与底座(5)相邻处旋拧有预紧螺母(2)，预紧螺母(2)与角接触球轴承(4)之间布置有垫圈(3)。
2.根据权利要求1所述的一种高回转精度结构的超声电机，其特征在于：它还包括压环(11)、垫片(15)、轴承预紧调节环(16)和压环螺钉(19)；压环(11)通过压环螺钉(19)安装在上盖(10)上，压环(11)与角接触球轴承(4)之间布置有与角接触球轴承(4)的外环接触的轴承预紧调节环(16)，转子法兰(20)与角接触球轴承(4)之间布置有与角接触球轴承(4)的内环接触的垫片(15)。
3.根据权利要求2所述的一种高回转精度结构的超声电机，其特征在于：转子轴(1)为三阶梯轴，第二阶轴的轴肩上安装有一个角接触球轴承(4)，第三阶轴穿出压环(11)，压环(11)为透盖，顶丝(14)旋拧在第二阶轴上加工的螺纹孔上并顶靠在转子法兰(20)上。
4.根据权利要求2所述的一种高回转精度结构的超声电机，其特征在于：转子轴(1)为二阶梯轴，转子法兰(20)与第二阶轴一体制成，压环(11)为闷盖，压环(11)封住第二阶轴的端部。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种高回转精度结构的超声电机，其特征在于：上盖(10)和底座(5)采用止口配合对接，上盖(10)和底座(5)加工有贯通的锥形通孔，锥形通孔内插装有锥形定位销(21)。
6.一种高回转精度结构的超声电机的定子与转子预紧方法，其特征在于：首先旋紧转子轴(1)右端的预紧螺母(2)，当旋紧预紧螺母(2)时，转子轴(1)向右移动，通过转子轴(1)左端的轴肩压紧左端的角接触球轴承(4)的内圈，内圈通过调整垫片(15)、转子法兰(20)和转子(8)，把压力传递到定子(6)和转子(8)的接触界面，实现定子(6)和转子(8)的初步预紧，然后再旋紧压(11)上的压环螺钉(19)，推动轴承预紧调节环(16)，轴承预紧调节环(16)压紧左端的角接触球轴承(4)的外圈，外圈通过滚动体将预紧力作用到内圈，将预紧力通过左端的角接触球轴承(4)的内圈、垫片(15)、转子法兰(20)和转子(8)，把压力传递到定子(6)和转子(8)的接触界面，实现定子(6)和转子(8)的进一步精确预紧，最后，在预紧过程中，需要检测转子轴(1)的输出静态力矩，在检测中，适当调节右端的预紧螺母(2)，反复调节左端的压环螺钉(19)，最终实现定子(6)和转子(8)的精确预紧，直至满足左端和右端的角接触球轴承(4)的预紧力要求。
一种高回转精度结构的超声电机及定子与转子预紧方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种超声电机及该电机的定子与转子预紧方法，属于压电超声电机领域。
背景技术
[0002] 超声电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应，在定子内部产生行波，在定子表面质点产生椭圆超声波振动，通过定子与转子接触产生摩擦力，驱动转子运动的一种新型电机。超声电机与传统电机相比，具有低速、大力矩、快响应、高精度、结构灵活及容性负载无磁场干扰、适合真空和低温等特殊场合应用等优点。在多数应用场合中要求超声电机具有快响应和高回转精度的特性，但现有结构限制了其高回转精度特性的发挥，因此研制出高回转精度、结构更紧凑、重量更轻的旋转型超声电机具有十分重要的意义。
[0003] 公开号为102223104A，公开日为2011年10月19日，发明名称为“螺母调节预压力的旋转型行波超声电机”的发明专利在输出轴下端通过螺纹方式安装预紧螺母和放松螺母，且预紧螺母紧靠于下轴承下方，通过控制预紧螺母在转轴的中心线沿定子的方向移动距离控制定子与转子之间的正压力。这种正压力的调节方式很简单，虽然不需拆分整个电机，但是在反复对锁紧螺母和预紧螺母的拆装过程中，超声电机的精度会受到影响；其次，反复对锁紧螺母和预紧螺母进行拆装也会导致螺母疲劳失效；此外，锁紧螺母和预紧螺母的质量影响了超声电机的性能。公开号为104506075A，公开日为2015年04月08日，发明名称为“一种可承受轴向力的预压力恒定的超声电机”的发明申请特点在于：此种超声电机的轴向固支方式采用双轴承两端固支和碟形弹簧转子，此种结构使得电机将来自外部的轴向力传递到了电机的外壳上，而不是作用在轴上；公开号为203872083U，公开日为2015年10月08日，发明名称为“一种限定定转子接触预压力的中空超声电机”的实用新型专利的超声电机转子加压端的预紧力由加压轴承与外壳传递。这二种结构虽然消除了轴向力对转子上的预压力的影响，但电机的外壳需要有较高的强度和刚度以承受轴向预紧力，这会使其重量增加，且不便于保证轴承座孔同轴度的要求。
[0004] 这些电机在结构设计上的共同特点是支承轴承的轴承座孔分别在电机上盖和底座，而两者分别加工，使得两个轴承座孔的同轴度很难达到较高的同轴要求；另外，这些电机转子轴的支撑均采用深沟球轴承，这种轴承有游隙即使预紧也很难消除，转子轴的回转精度低。因此，电机整体达不到较高的回转精度。
发明内容
[0005] 本发明是为解决现有超声电机的支承轴承的轴承座孔分别在电机上盖和底座，两者分别加工，两个轴承座孔的同轴度很难达到较高的同轴要求，以及电机转子轴的支撑均采用深沟球轴承，转子轴的回转精度低的问题，进而提供一种高回转精度结构的超声电机及定子与转子预紧方法。
[0006] 本发明为解决上述问题采取的技术方案是：一种高回转精度结构的超声电机包括上盖、底座、转子轴、定子、转子、转子法兰、转子螺钉和两个角接触球轴承；上盖和底座上各加工有相同内径的同轴通孔，两个同轴通孔内各安装有一个角接触球轴承，两个角接触球轴承的角接触线同向且平行布置，转子轴安装在两个角接触球轴承上，定子安装在底座上，转子和定子布置在两个角接触球轴承之间，转子法兰布置在角接触球轴承和转子之间，转子法兰与转子轴固接，转子通过转子螺钉与转子法兰连接，转子的轮缘的端面上铺设有与定子接触的一层环形摩擦材料，定子的与底座相邻的端面上铺设有一层环形压电陶瓷。
[0007] 一种高回转精度结构的超声电机的定子与转子预紧方法，首先旋紧转子轴右端的预紧螺母，当旋紧预紧螺母时，转子轴向右移动，通过转子轴左端的轴肩压紧左端的角接触球轴承的内圈，内圈通过调整垫片、转子法兰和转子，把压力传递到定子和转子的接触界面，实现定子和转子的初步预紧，然后再旋紧压上的压环螺钉，推动轴承预紧调节环，轴承预紧调节环压紧左端的角接触球轴承的外圈，外圈通过滚动体将预紧力作用到内圈，将预紧力通过左端的角接触球轴承的内圈、垫片、转子法兰和转子，把压力传递到定子和转子的接触界面，实现定子和转子的进一步精确预紧，最后，在预紧过程中，需要检测转子轴的输出静态力矩，在检测中，适当调节右端的预紧螺母，反复调节左端的压环螺钉，最终实现定子和转子的精确预紧，直至满足左端和右端的角接触球轴承的预紧力要求。
[0008] 本发明与现有技术相比具有以下效果：一、本发明结构的定子和转子预紧力是通过转子轴传递，与常规的通过上盖和底座传递所不同的是，可以解除原有超声电机预紧力对上盖和底座的强度和刚度限制，可以对上盖和底座的结构和材料进行进一步的简化，从而达到轻量化；二、采用角接触球轴承并设计出同向布置，这不仅可以使轴承游隙可调，将游隙减为最小，提高转子轴的回转精度，而且还可以分别从上盖和底座两侧调整定子和转子的预紧力，实现预紧力精确控制，确保转子轴较高的回转精度，超声电机单步输出转角精度小于1.6〞，转子轴端面和径向跳动值小于等于0.25μm；三、上盖和底座采用锥形定位销定位安装，上盖和底座的同轴通孔采用相同内径，一次加工完成，提高了上盖和底座的装配精度，使转子轴的回转精度提高。
附图说明
[0009] 图1为具体实施方式四的整体结构示意图；
[0010] 图2为具体实施方式五的整体结构示意图；
[0011] 图3为图1的K处放大图。
具体实施方式
[0012] 具体实施方式一：结合图1-图3说明，本实施方式的一种高回转精度结构的超声电机，它包括上盖10、底座5、转子轴1、定子6、转子8、转子法兰20、转子螺钉17和两个角接触球轴承4；
[0013] 上盖10和底座5上各加工有相同内径的同轴通孔，两个同轴通孔内各安装有一个角接触球轴承4，两个角接触球轴承4的角接触线同向且平行布置，转子轴1安装在两个角接触球轴承4上，定子6安装在底座5上，转子8和定子6布置在两个角接触球轴承4之间，转子法兰20布置在角接触球轴承4和转子8之间，转子法兰20与转子轴1固接，转子8通过转子螺钉17与转子法兰20连接，转子8的轮缘的端面上铺设有与定子6接触的一层环形摩擦材料7，定子6的与底座5相邻的端面上铺设有一层环形压电陶瓷22。
[0014] 本实施方式的底座5通过螺钉23与定子6可拆卸连接。环形摩擦材料7可选用聚四氟乙烯基复合材料。
[0015] 具体实施方式二：结合图1和图2说明，本实施方式的一种高回转精度结构的超声电机还包括预紧螺母2和垫圈3；转子轴1上与底座5相邻处旋拧有预紧螺母2，预紧螺母2与角接触球轴承4之间布置有垫圈3。如此设计，可以实现超声电机的高回转精度和精确预紧，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式一相同。
[0016] 具体实施方式三：结合图1和图2说明，本实施方式的一种高回转精度结构的超声电机还包括压环11、垫片15、轴承预紧调节环16和压环螺钉19；压环11通过压环螺钉19安装在上盖10上，压环11与角接触球轴承4之间布置有与角接触球轴承4的外环接触的轴承预紧调节环16，转子法兰20与角接触球轴承4之间布置有与角接触球轴承4的内环接触的垫片15。如此设计，可以实现超声电机的高回转精度和精确预紧，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式一或二相同。
[0017] 具体实施方式四：结合图1说明，本实施方式的转子轴1为三阶梯轴，第二阶轴的轴肩上安装有一个角接触球轴承4，第三阶轴穿出压环11，压环11为透盖，顶丝14旋拧在第二阶轴上加工的螺纹孔上并顶靠在转子法兰20上。如此设置，有利于轴肩压紧左端的角接触球轴承的内圈，保证预紧力的传递，保证转子和定子的预紧。利用螺丝的紧固原理，在转子法兰内部沿半径方向打入螺丝孔，拧入螺丝，同时在转子轴上开顶丝槽，通过顶丝顶住轴来固定转子轴跟转子法兰，从而防止了二者的相对运动。其它与具体实施方式三相同。
[0018] 具体实施方式五：结合图2说明，本实施方式的转子轴1为二阶梯轴，转子法兰20与第二阶轴一体制成，压环11为闷盖，压环11封住第二阶轴的端部。如此设置，超声电机的转子轴的一端从底座伸出，另一端封闭，转子法兰与转子轴一体化设计。这种设计的优势为：左端的角接触球轴承可以直接从电机左侧装入，简化了装配过程，通过预紧右端的角接触球轴承处设置的预紧螺母，使定子和转子得到可靠预紧。
[0019] 具体实施方式六：结合图2说明，本实施方式的上盖10和底座5采用止口配合对接，上盖10和底座5加工有贯通的锥形通孔，锥形通孔内插装有锥形定位销21。如此设置，这种打入锥形定位销的装配方式，使所述超声电机的上盖和底座配合面无缝密合，提高了安装精度；同轴通孔(轴承座孔)的一次加工减少了分别加工轴承座孔的尺寸误差，提高了超声电机的回转精度。上盖与底座改为通过短止口配合，再打入定位销，避免了卡具的过定位以及止口过长与定位销相互干涉的问题，锥形定位销21的数量至少两个。其它与具体实施方式一、二、四或五相同。
[0020] 具体实施方式七：结合图1-图3说明，本实施方式的一种高回转精度结构的超声电机的定子与转子预紧方法，其特征在于：首先旋紧转子轴1右端的预紧螺母2，当旋紧预紧螺母2时，转子轴1向右移动，通过转子轴1左端的轴肩压紧左端的角接触球轴承4的内圈，内圈通过调整垫片15、转子法兰20和转子8，把压力传递到定子6和转子8的接触界面，实现定子6和转子8的初步预紧，然后再旋紧压11上的压环螺钉19，推动轴承预紧调节环16，轴承预紧调节环16压紧左端的角接触球轴承4的外圈，外圈通过滚动体将预紧力作用到内圈，将预紧力通过左端的角接触球轴承4的内圈、垫片15、转子法兰20和转子8，把压力传递到定子6和转子8的接触界面，实现定子6和转子8的进一步精确预紧，最后，在预紧过程中，需要检测转子轴1的输出静态力矩，在检测中，适当调节右端的预紧螺母2，反复调节左端的压环螺钉19，最终实现定子6和转子8的精确预紧，直至满足左端和右端的角接触球轴承4的预紧力要求。
[0021] 实施例
[0022] 表1是在不同频率下，本发明超声电机在不同转角位置的单步输出最小转角。该结果是采用平行光管法(行业内普遍使用的测量方法)测量的具体实施方式一的高精度超声电机单步输出转角，这个单步输出转角可以表征超声电机的分辨率。由表1可见，该结构的超声电机单步输出转角最大值不超过1.6角秒，说明该结构的超声电机具有很高的分辨率，具有高精度调节能力。
[0023] 表1超声电机单步输出转角测量结果
[0024]不同角度 40kHz 41kHz 42kHz 43kHz
30° 1.16〃 1.14〃 1.18〃 1.16〃
60° 1.11〃 1.24〃 1.27〃 1.32〃
90° 1.32〃 1.29〃 1.39〃 1.38〃
120° 1.31〃 1.28〃 1.35〃 1.37〃
150° 1.29〃 1.33〃 1.37〃 1.37〃
180° 1.50〃 1.52〃 1.57〃 1.48〃
[0025] 表2超声电机转子轴输出端径向和端面跳动值
[0026] 单位 普通超声电机 高精超声电机
端面跳动 μm ≥±2-±5 ≤±0.25-±0.5
径向跳动 μm ≥±2-±5 ≤±0.25-±0.5
[0027] 表2是本发明超声电机转子轴输出端径向和端面跳动误差测试结果，该数值反映了超声电机的输出轴回转精度高低。由表2可见，采用具体实施方式一的高精度超声电机端面和径向跳动值比普通超声电机降低一个数量级，具有很高的回转精度。
