CN100525057C - 杆式行波型超声电机 - Google Patents

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Abstract

一种 杆式行波型超声电机，属于微电机领域。其构成是：电机的定子组件由底座(1)和上配重块(4)将压电陶瓷组(3)和电极片组(2)通过底座的螺杆旋紧而构成，上配重块(4)呈圆盘状，上端部有一尺寸相对较小的内槽凸台，底座(1)外缘具有四个安装用的螺纹孔；电机转子组件由柔性转子(5)、销(7)、压盖(8)、轴(13)等构成。电机定、转子之间的预压力通过压盖(8)压紧弹簧(6)来获得和调节。当电机通入超声频域内一定的交流电压时，电机定子部分上配重块(4)与转子(5)接触的表面的质点做椭圆运动。由于定、转子之间存在预压力，定、转子间即可产生摩擦力，这种摩擦力会推动转子转动。转子又带动转子组件转动，动力由轴(13)输出。该电机具有行波型超声电机的优点外，相比先前的杆式电机设计，还具有结构更为简单、空间尺寸更小、效率更高、安装更加方便等优点。

Description

杆式行波型超声电机
技术领域：
本发明的杆式行波型超声电机属微电机领域中的超声电机。
背景技术：
超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动的新型微电机。其中杆式行波型超声电机属于行波型超声电机的一种。该种电机除具有行波型超声电机所具有的结构紧凑、运行安静、具有较大的扭矩体积比、易于定位及调速控制等优点外，还具有结构简单、成本低、效率高、不涉及陶瓷片的胶粘问题的优点。现有技术的杆式行波型超声电机结构定子尺寸较大，效率较低，安装固定困难，这些不足之处大大限制了该型电机的工程应用。
发明内容：
本发明目的在于研制出一种结构更简单、体积更小、效率更高、安装固定更加方便，应用范围更广的新型杆式行波超声电机。
为实现上述目的，本新型杆式行波超声电机对上配重块和转子部分的结构进行了优化设计，从而进一步减小了电机的空间尺寸，提高电机的工作效率。电机主要由定子组件，转子组件及输出轴所组成，其特点是定子组件的组成是将压电陶瓷片组，电极片组置于上配重块与底座之间，并通过装于上配重块上的滑动轴承和装于底座上的滚动轴承安装在输出轴上，其中每两片压电陶瓷片之间夹持一片电极片，最外层的上、下两片压电陶瓷片的外侧各夹持一片电极片；所述转子组件的转子与定子组件的接触采用悬臂梁结构的柔性设计，转子通过销固定在压盖上，通过调节压盖在转子内的上下位置压缩弹簧来调节定、转子之间的预压力。轴与压盖为过盈配合。上配重块下端部呈圆盘状，上端部有一圆形凸台，该凸台的尺寸和位置，要根据获得最佳共振频率及最大圆盘工作面的振幅的目的，由有限元优化设计确定。上配重块的圆盘中心位于弯振的节线处以获得最大角位移。底座外缘有四个用于安装电机的螺纹孔，下端部内有一轴承孔。
本发明与现有技术相比，具有结构更加简单、紧凑、体积更小、安装更加方便等特点，应用范围更广，更适合于小型、精密机械的驱动装置。
附图说明：
图1是杆式行波型超声电机结构示意图。
图1中的标号名称：1、底座，2、电极片组，3、压电陶瓷片组，4、上配重块，5、转子，6、弹簧，7、销，8、压盖，9、滑动轴承，10、滚动轴承，11、套，12、螺母，13、轴。
图2是电机定子有限元模型及工作模态图。
具体实施方式：
本发明是基于利用压电陶瓷片压电效应激出一端固支另一端自由的悬臂梁的二阶弯曲振动模态而研制成的新型超声电机。它主要是由定子组件、转子组件以及输出轴组成。图1是本发明的具体结构示意图，由图可知，电机的定子组件由底座1和上配重块4将压电陶瓷片组3(共5片)、电极片组2(共6片)，通过底座轴上的螺杆压紧构成。定子组件的底座1外缘有四个螺纹孔，用于固定和安装电机。现有这种电机中因为采用的是两端自由的弹性梁，安装位置必须位于弯曲振动模态的节线处，否则会对定子振动模态产生很大影响。本电机中因为是底座固支，定子组件采用的是悬臂梁的振动模态，所以这种安装方法更加方便和可靠。底座1中有一个轴承孔，镶入的滚动轴承10对输出轴起径向支撑和轴向限位的作用。定子组件的上配重块4设计成圆盘状，圆盘的外边缘振幅最大，从而更加有效的驱动转子转动。上配重块的上端部设有一凸台，该凸台的尺寸和位置经有限元优化设计确定，从而调整电机的固有模态，达到获得最佳共振频率及最大圆盘工作面的振幅的目的。采用这种圆盘状的定子结构，本发明电机在保证一定的输出功率的条件下空间尺寸可以大大缩小。上配重块的内腔内也有一个滑动轴承9，起到对转子和轴的径向支撑和定位作用。弹簧6的中径设计成与转子的工作面相同的尺寸，保证在电机工作时弹簧6可以给定、转子之间提供恒定的预压力。转子5与压盖8之间靠销7连接，销7在压盖8的滑槽中可以上下滑动，这样可以通过旋转螺母12调节销在滑槽中的位置，对弹簧6进行压缩，从而调节定、转子之间的预压力。转子5采用悬臂梁结构的柔性转子，如附图1中标号5所示。经过优化设计的转子尺寸保证了定、转子良好的接触，大大减少了定、转子之间的相对滑动，从而减少了能量损失，提高了电机的效率。
每片压电陶瓷片表面镀银，上面二分区，下面不分区，其中一分区进行正向极化，另一分区反向极化。极化后的压电陶瓷片受电场作用会产生变形。极化方向与电场方向相同的分区产生伸长变形，极化方向与电场方向相反的分区产生压缩变形。于是，一片压电陶瓷片在交变电场作用下，就可使定子产生横向弯曲振动。附图2(a)表示的是本电机定子的有限元模型。取4片压电陶瓷片，分成二组，分别称为A相和B相。当A相通以sinωt(其频率等于定子二阶弯振频率)交变电压时，定子将产生左右弯曲共振，如附图2(b)的A相工作模态；当B相通以和A相同频、同幅的cosωt交变电压时，定子产生前后弯曲共振，如附图2(c)的B相工作模态。如果将这两个电压同时分别加到A相和B相，那么，这两个相互垂直的弯曲振动的合成就会在定子上端面形成B01行波，从而使定子上端面上任一质点产生椭圆运动。正是这个椭圆运动，加上定、转子间的预压力，使定、转子间产生摩擦力，推动转子转动。附图1中第五片压电陶瓷片作为反馈相，它是利用压电陶瓷片的正压电效应，产生交变电压，用以作为反馈电压对电机进行自动频率跟踪，从而保证电机转速稳定。

Claims (1)

1、一种杆式行波型超声电机，包括定子组件，转子组件及输出轴；所述定子组件包括压电陶瓷片组(3)、电极片组(2)、上配重块(4)、底座(1)，其中压电陶瓷片组(3)与电极片组(2)置于上配重块(4)与底座(1)之间，并通过装于上配重块(4)上的滑动轴承(9)和装于底座(1)上的滚动轴承(10)安装在输出轴(13)上；每两片压电陶瓷片之间夹持一片电极片，最外层的上、下两片压电陶瓷片的外侧各夹持一片电极片；所述转子组件包括转子(5)、弹簧(6)、压盖(8)，其中转子(5)与定子组件的接触采用悬臂梁柔性结构，转子(5)通过销(7)固定在伸入转子内腔中的压盖(8)上，弹簧(6)置于销(7)与转子(5)的悬臂梁柔性结构部分之间，其特征在于，所述的上配重块(4)下端部呈圆盘状，上端部有一凸台，该凸台的尺寸和位置，要根据获得最佳共振频率及最大圆盘工作面的振幅的目的，由有限元优化设计确定。
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