CN101026343A - 多行波弯曲旋转超声电机定子及使用该定子的超声电机 - Google Patents

多行波弯曲旋转超声电机定子及使用该定子的超声电机 Download PDF

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多行波弯曲旋转超声电机定子及使用该定子的超声电机，涉及到超声波电机领域。本发明解决了现有弯曲旋转类超声电机存在的由于定转子单点接触而导致的电机工作稳定性差、输出转速低、力矩小、整机能量转换效率低等问题。多行波弯曲旋转超声电机定子由定子基体和4n个电极组成，其中n为大于或等于2的自然数，4n个电极沿定子基体圆周均匀分布固定在定子基体产生一阶弯曲振动时波峰处的外表面上，相邻的4个电极为一组，共有n组，每组中的4个电极分别施加与定子固有频率相同或相近的正弦波、余弦波、负正弦波、负余弦波的行波激励信号。本发明的超声电机中定转子接触点为n个，明显改善了现有弯曲旋转类超声电机由于定转子单点接触所带来的问题。

Description

多行波弯曲旋转超声电机定子及使用该定子的超声电机
技术领域
本发明涉及到超声波电机领域。
背景技术
超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动，通过摩擦驱动，实现将电能转化为机械能输出的新型直接驱动电机。其中弯曲旋转超声电机属于行波型超声电机的一种，它是通过激励定子上的压电陶瓷元件，使定子产生两路沿轴向弯曲的正交振动，利用正交振动合成原理在定子端面形成沿周向分布的行波，转子在预紧力的作用下与定子接触，通过摩擦力驱动转子转动。现有技术的弯曲旋转超声电机其定子可采用划分为四个激振区进行激励的方式，如申请号为200410065700.5的《双转子柱体行波型单相驱动超声电机》；也可采用将定子划分为多个激振区进行激励的方式，如申请专利号为：200510092981.8的《多面体压电柱或压电管超声微电机》及申请专利号为：200610035077.8的《一种超声电机及其驱动方法》，对于上述专利，从其定子模态的振型图可知：电机运行时，定转子为单点或单个小区域接触，从而导致电机工作稳定性不理想，输出转速低、力矩小，整机能量转换效率不高等问题。
发明内容
为了解决现有弯曲旋转超声电机定转子单点接触而导致的电机工作稳定性不理想，输出转速低、力矩小，整机能量转换效率不高等问题，本发明设计了一种多行波弯曲旋转超声电机定子及使用该定子的超声电机。
本发明的多行波弯曲旋转超声电机定子由定子基体和电极组成，所述电极个数为4n个，其中n为大于或等于2的自然数，所述4n个电极沿定子基体圆周均匀分布，且固定在定子基体产生一阶弯曲振动时的波峰处的外表面上，所述4n个电极中相邻的4个电极为一组，共分为n组，每组中4个相邻的电极分别施加与定子固有频率相同或相近的正弦波(sin(ωt))、余弦波(cos(ωt))、负正弦波(-sin(ωt))、负余弦波(-cos(ωt))的行波激励信号。
使用本发明的多行波弯曲旋转超声电机定子的超声电机包括两个转子2、定子3和预压力机构，所述两个转子2的锥面分别嵌入所述定子3的两端，定子3端部内壁与转子2的锥面相接触，转子2通过定位键4与转子轴1相连接；预压力机构的垫圈5、加压弹簧6和调解螺母7依次套在转子轴1上，实现对转子施加预紧力的作用。
本发明的多行波弯曲旋转超声电机定子加工工艺简单，使用本发明的多行波弯曲旋转超声电机定子的超声电机，在其旋转时定转子的接触点为n个，解决了现有弯曲旋转类超声电机中定转子单点接触带来的问题，增加了电机工作的稳定性，提高了电机输出力矩、转速和能量转换效率。
附图说明
图1是具体实施方式一所述的多行波弯曲旋转超声电机定子的正视图；图2是图1的A-A剖视图；图3是图1所示的多行波弯曲旋转超声电机定子多行波激励的软件仿真模态示意图；图4是具体实施方式一中所述的当n＝2时的多行波弯曲旋转超声电机定子固定电极部位的横截面示意图；图5是具体实施方式一中所述的当n＝4时的多行波弯曲旋转超声电机定子固定电极部位的横截面示意图；图6是具体实施方式二所述的使用多行波弯曲旋转超声电机定子的超声电机的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1至图5说明本实施方式。本实施方式的多行波弯曲旋转超声电机定子由定子基体和电极组成，所述电极个数为4n个，其中n为大于或等于2的自然数，所述4n个电极沿定子基体圆周均匀分布，固定在定子基体产生一阶弯曲振动时的波峰处的外表面上，所述4n个电极中相邻的4个电极为一组，共分为n组，每组中4个相邻的电极分别施加与定子固有频率相同或相近的正弦波(sin(ωt))、余弦波(cos(ωt))、负正弦波(-sin(ωt))、负余弦波(-cos(ωt))的行波激励信号。
本实施方式中的定子基体是金属管30，电极是压电陶瓷片31，金属管30固定压电陶瓷片31的部位的横截面为4n个边的等边多边形，所述压电陶瓷片31沿径向极化。
图1为n＝3时本实施方式所述定子的正视图，图2是图1的A-A剖视图。共有12个压电陶瓷片31，其中压电陶瓷片31-A1、31-A2和31-A3施加正弦波激励信号，压电陶瓷片31-B1、31-B2、31-B3施加余弦波激励信号，压电陶瓷片31-C1、31-C2、31-C3施加负正弦波激励信号，压电陶瓷片31-D1、31-D2、31-D3施加负余弦波激励信号，一共有三组正弦波、余弦波、负正弦波、负余弦波行波激励信号，在工作的时候，在这三组行波激励信号的作用下，同一时刻，多行波弯曲旋转超声电机定子的两端各有三个凸起部位(参见图3)，这三个凸起部位同时和转子摩擦接触。
图4为n＝2时本实施方式所述定子的横截面示意图，共有8个压电陶瓷片31，其中压电陶瓷片31-A1和31-A2施加正弦波激励信号，压电陶瓷片31-B1和31-B2施加余弦波激励信号，压电陶瓷片31-C1和31-C2施加负正弦波激励信号，压电陶瓷片31-D1和31-D2施加负余弦波激励信号，一共有两组正弦波、余弦波、负正弦波、负余弦波行波激励信号，在工作的时候，在这两组行波激励信号的作用下，同一时刻，多行波弯曲旋转超声电机定子的两端各有两个凸起部位，这两个凸起部位同时和转子摩擦接触。
图5为n＝4时本实施方式所述定子的横截面示意图，共有16个压电陶瓷片，其中压电陶瓷片31-A1、31-A2、31-A3和31-A4施加正弦波激励信号，压电陶瓷片31-B1、31-B2、31-B3和31-B4施加余弦波激励信号，压电陶瓷片31-C1、31-C2、31-C3和31-C4施加负正弦波激励信号，压电陶瓷片31-D1、31-D2、31-D3和31-D4施加负余弦波激励信号，一共有四组正弦波、余弦波、负正弦波、负余弦波行波激励信号，在工作的时候，在这四组行波激励信号的作用下，同一时刻，多行波弯曲旋转超声电机定子的两端各有四个凸起部位，这四个凸起部位同时和转子摩擦接触。
本实施方式的多行波弯曲旋转超声电机定子，同一时刻可以有n个凸起部位与转子波从接触，其中n为大于或等于2的自然数，定转子接触点的个数的增加，不但能增强电机运行的稳定性，还能提高电机的输出力矩和能量转换效率。
具体实施方式二：参见图6说明本实施方式。本实施方式的超声电机由两个转子2、定子3和预压力机构组成，所述两个转子2的锥面分别嵌入所述定子3的两端，定子3端部内壁与转子2的锥面相接触，转子2通过定位键4与转子轴1相连接；预压力机构的垫圈5、加压弹簧6和调解螺母7依次套在转子轴1的力矩输出端，所述定子3是具体实施方式一所述的多行波弯曲旋转超声电机定子。
本实施方式中的转子2与定子3相接触的锥面涂有高分子摩擦材料或陶瓷涂层摩擦材料。所述高分子摩擦材料可以选用聚四氟乙烯、聚苯硫醚、聚醚醚酮或聚苯酯及其复合材料，所述陶瓷涂层摩擦材料可以选用DLC膜(类金刚石膜)、三氧化二铝膜或碳化钨膜。
本实施方式的超声电机，在转子2的锥面涂有耐磨材料，提高了电机的使用寿命。

Claims (6)

1、多行波弯曲旋转超声电机定子，由定子基体和电极组成，其特征在于所述电极个数为4n个，其中n为大于或等于2的自然数，所述4n个电极沿定子基体圆周均匀分布，固定在定子基体产生一阶弯曲振动时的波峰处的外表面上，所述4n个电极中相邻的4个电极为一组，共分为n组，每组中4个相邻的电极分别施加与定子固有频率相同或相近的正弦波、余弦波、负正弦波、负余弦波的行波激励信号。
2、根据权利要求1所述的多行波弯曲旋转超声电机定子，其特征在于所述定子基体是金属管(30)，所述电极是压电陶瓷片(31)，金属管(30)固定压电陶瓷片(31)的部位的横截面为4n个边的等边多边形，所述压电陶瓷片(31)沿径向极化。
3、使用权利要求1所述的多行波弯曲旋转超声电机定子的超声电机，由两个转子(2)、定子(3)和预压力机构组成，所述两个转子(2)的锥面分别嵌入所述定子(3)的两端，定子(3)端部内壁与转子(2)的锥面相接触，转子(2)通过定位键(4)与转子轴(1)相连接，预压力机构的垫圈(5)、加压弹簧(6)和调解螺母(7)依次套在转子轴(1)的力矩输出端，其特征在于所述定子(3)由定子基体和电极组成，所述电极个数为4n个，其中n为大于或等于2的自然数，所述4n个电极沿定子基体圆周均匀分布，固定在定子基体产生一阶弯曲振动时波峰处的外表面上。
4、根据权利要求3所述的使用多行波弯曲旋转超声电机定子的超声电机，其特征是在所述转子(2)与定子(3)相接触的锥面涂有高分子摩擦材料或陶瓷涂层摩擦材料。
5、根据权利要求4所述的使用多行波弯曲旋转超声电机定子的超声电机，其特征在于所述高分子摩擦材料为聚四氟乙烯或聚苯硫醚或聚醚醚酮或聚苯酯及其复合材料。
6、根据权利要求4所述的使用多行波弯曲旋转超声电机定子的超声电机，其特征在于所述陶瓷涂层摩擦材料为DLC膜或三氧化二铝膜或碳化钨膜。
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