CN101262188A - 纵振夹心换能器式圆筒定子及使用该定子的超声电机 - Google Patents

Abstract

纵振夹心换能器式圆筒定子及使用该定子的超声电机，涉及到超声电机领域。它解决了现有超声电机存在的由于采用金属弹性体粘贴压电陶瓷薄片的方式进行激励而导致的机械输出能力受制约的问题。本发明的定子中的偶数个纵振夹心换能器对称分布固定在圆筒的外侧壁上，所述夹心换能器的变幅杆是截面为矩形并逐渐变细的四棱柱体，变幅杆的小端面和圆筒固定连接，法兰位于换能器纵向振动的节面位置，两对压电陶瓷片分别固定在后端面和法兰、法兰和变幅杆之间。超声电机中的带轴转子和无轴转子为圆台形，分别从定子圆筒的上方和下方嵌入，转子与圆筒相接触的侧面固定有耐磨衬圈，定子通过换能器上的法兰固定在基座上。本发明适用于超声电机制造领域。

Description

纵振夹心换能器式圆筒定子及使用该定子的超声电机

技术领域

本发明涉及到一种纵振夹心换能器式圆筒定子及使用该定子的超声电机，属于压电超声电机技术领域。

背景技术

压电超声电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应，在弹性体中激励出超声频段内的振动，在弹性体表面特定点或特定区域形成具有特定轨迹的质点运动，进而通过定子、转子之间的摩擦耦合将质点的微观运动转换成转子的宏观运动，具有低速大转矩、无需变速机构、无电磁干扰、响应速度快和断电自锁等优点，作为一种压电驱动器有着十分广泛的应用。出于激励原理的简单性和理论分析方法的简便性，目前压电超声电机大多采用金属弹性体粘贴压电陶瓷薄片的方式进行激励，由于受压电陶瓷的d₃₁模式机电耦合效率和陶瓷材料抗拉强度低，以及胶层的强度和疲劳寿命等的限制，这样的激励方式使得超声电机的机械输出能力受到严重制约。

发明内容

为了解决现有超声电机存在的由于采用金属弹性体粘贴压电陶瓷薄片的方式进行激励而导致的机械输出能力受制约的问题，本发明提供了一种纵振夹心换能器式圆筒定子及使用该定子的超声电机。

本发明的纵振夹心换能器式圆筒定子，由圆筒和偶数个纵振夹心换能器组成；所述偶数个纵振夹心换能器对称固定在圆筒的侧壁上，每个夹心换能器由变幅杆、后端盖、两对压电陶瓷片、法兰、薄铜电极片和绝缘套组成；变幅杆是截面为矩形并逐渐变细的四棱柱体，变幅杆的小端面和圆筒的外侧表固定连接；法兰的截面为“L”形，所述法兰通过螺钉固定在变幅杆的大端和后端盖之间，所述法兰位于换能器的纵向振动的节面位置；两对压电陶瓷片分别位于法兰的两侧，所述压电陶瓷片沿厚度方向极化，每对压电陶瓷片中的两片压电陶瓷片的极化方向相反，所述每对压电陶瓷片中的两片压电陶瓷片之间、一对压电陶瓷片和变幅杆之间、另一对压电陶瓷片和法兰之间均固定有薄铜片电极；在每片压电陶瓷片、法兰和固定法兰的螺钉之间有绝缘套。

使用纵振夹心换能器式圆筒定子的超声电机，由定子、转子组件、外罩和基座组成；所述转子组件由带轴转子、无轴转子、联接健、耐磨衬圈、橡胶垫、碟形弹簧和锁紧螺母组成；其中带轴转子和无轴转子为圆台形，所述带轴转子和无轴转子的细端分别从定子的圆筒的上方和下方嵌入，所述无轴转子通过联接键固定在带轴转子的力矩输出轴上，在带轴转子和无轴转子与圆筒相接触的侧面分别固定有耐磨衬圈，在无轴转子的下面采用橡胶垫、碟形弹簧和锁紧螺母实现带轴转子和无轴转子的预紧，定子通过换能器上的法兰固定在基座上。

本发明提供的纵振夹心换能器式圆筒定子，压电陶瓷元件采用夹心结构，采用压电陶瓷高机电耦合效率的d₃₃模式工作，解决粘贴压电陶瓷片式压电超声电机机电耦合效率低、机械输出能力差的问题，还通过变幅杆和圆筒一体化结构简化了结构，提高了圆筒弹性体表面质点振动轨迹的可控性，消除采用其它方式联接换能器和圆筒对定子振动波形所带来的不利影响。当圆筒工作在n阶弯振模态时，本发明提供的纵振夹心换能器式圆筒定子所含换能器个数最多为4n，任意两个换能器轴线之间的夹角θ₁满足：θ₁＝90°×m/n，其中m∈{1，2，...，4n-1}；所有换能器分为两组，同组任意两个换能器之间的夹角θ₂满足：θ₂＝180°×m/n，其中m∈{1，...，2n-1}；可根据实际需要的输出力矩和尺寸限制灵活的选择圆筒定子弯振模态的阶数和换能器个数。利用压电陶瓷片的纵向振动在夹心换能器中激励出纵向振动，通过控制输入激励信号，实现两组换能器在圆筒定子上激励出两个幅值相等、在时间和空间上均相差π/2的弯振模态响应，两个弯振模态响应叠加在定子上形成行波，进而在定子齿表面质点产生椭圆运动轨迹，通过和转子之间的摩擦耦合实现转子的宏观运动输出。本发明通过调整变幅杆两个端面的面积比值、变幅杆矩形截面两边比值、后端盖长度、圆筒内径尺寸以及圆筒外径尺寸实现换能器纵振固有频率和圆筒弯振固有频率之间的简并。变幅杆采用变截面设计起到振动能量的聚敛作用，可提高驱动齿表面质点的振幅和振速，使得电机性能得到提高。

本发明提供的使用纵振夹心换能器式圆筒定子超声电机转子表面粘接了耐磨衬圈，耐磨衬圈和定子齿采用锥面接触，增加了接触区域，可提高电机输出力矩，延长使用寿命，有效的消除噪声；通过定子齿上下两个锥面实现了转子组件的定位，实现了无轴承支撑；两个转子均加工有工艺孔，降低了转子的转动惯量，可改善电机动态输出特性。

本发明提供的定子和超声电机具有结构简单、设计灵活、机电耦合效率高、可实现大力矩输出、性能稳定、易于控制、可系列化生产的优点。

附图说明

图1是本发明提出的使用纵振夹心换能器式圆筒定子的超声电机包含4个纵振换能器时的主视图，图2是图1的剖视图，图3是图1中的四个纵振夹心换能器中的压电陶瓷片极化方向示意图，图4是图1所示的纵振夹心换能器式圆筒定子与电机基座4、转子的装配结构示意图，图5是采用图1所示的纵振夹心换能器式圆筒定子的超声电机的剖视图，图6是图5的A-A剖视图，图7至图10是图1所示的纵振夹心换能器式圆筒定子中的纵振夹心换能器在幅值相等、频率为换能器自身纵振谐振频率、相位差为+90°的交流电压信号激励下，一个完整振动周期内的振型变化示意图，具体为定子五阶弯振模态的振型变化示意图。所述交流电压信号为：V₁＝Acos(2πt/T)，V₂＝Asin(2πt/T)，V₀＝0，V₁为第一组夹心换能器的电压激励信号，V₂为第二组夹心换能器的电压激励信号，A为激励电压信号幅值，T为激励电压信号周期，t为时间，图7是t＝nT(n＝0，1，2...)时刻的定子振型示意图，图8是t＝(n+1/4)T(n＝0，1，2...)时刻的定子振型示意图，图9是t＝(n+1/2)T(n＝0，1，2...)时刻的定子振型示意图，图10是t＝(n+3/4)T(n＝0，1，2...)时刻的定子振型示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的纵振夹心换能器式圆筒定子由圆筒1-6和偶数个纵振夹心换能器1-8组成；所述偶数个纵振夹心换能器1-8对称固定在圆筒1-6的侧壁上，每个夹心换能器1-8由变幅杆1-6-3、后端盖1-2、两对压电陶瓷片1-3、法兰1-4、薄铜电极片1-7和绝缘套1-5组成；变幅杆1-6-3是截面为矩形并逐渐变细的四棱柱体，变幅杆1-6-3的小端面和圆筒1-6的外侧表固定连接；法兰1-4的截面为“L”形，所述法兰1-4通过螺钉1-1固定在变幅杆1-6-3的大端和后端盖1-2之间，所述法兰1-4位于换能器1-8的纵向振动的节面位置；两对压电陶瓷片1-3分别位于法兰1-4的两侧，所述压电陶瓷片1-3沿厚度方向极化，每对压电陶瓷片1-3中的两片压电陶瓷片的极化方向相反，所述每对压电陶瓷片1-3中的两片压电陶瓷片1-3之间、一对压电陶瓷片1-3和变幅杆1-6-3之间、另一对压电陶瓷片1-3和法兰1-4之间均固定有薄铜片电极1-7；在每片压电陶瓷片1-3、法兰1-4和固定法兰1-4的螺钉1-1之间有绝缘套1-5。

参见图1和图2，是由四个纵振夹心换能器式圆筒定子的结构示意图。

本实施方式所述的纵振夹心换能器式圆筒定子的工作原理是：所述纵振夹心换能器采用沿厚度方向极化的压电陶瓷片1-3实现换能器1-8的纵向振动；通过调整变幅杆两个端面的面积比值、变幅杆矩形截面两边比值、后端盖长度、圆筒内径尺寸以及圆筒外径尺寸实现换能器纵振固有频率和圆筒弯振固有频率之间的简并；变幅杆采用变截面设计起到振动能量的聚敛作用，可提高驱动齿表面质点的振幅和振速，使得电机性能得到提高；换能器1-8采用与自身纵振谐振频率相同频率的交流电压来激励，所有换能器1-8分为两组进行激励，如图6所示，两组夹心换能器采用幅值相等、频率为换能器.自身纵振谐振频率、相位差为+90°的交流电压信号激励时，利用压电陶瓷片的纵向振动在夹心换能器中激励出纵向振动，进而实现在圆筒定子上激励出两个幅值相等、在时间和空间上均相差π/2的弯振模态响应，两个弯振模态响应叠加在定子上形成行波，驱动齿表面质点产生椭圆运动轨迹，通过驱动齿和转子之间的摩擦耦合实现转子的宏观运动输出；电机转子表面粘接了耐磨衬圈，耐磨衬圈和定子齿采用锥面接触，实现转子组件的定位并增加了接触区域，可提高输出力矩、延长使用寿命、有效的消除噪声；如果调整两路激励信号的相位差为-90°，可以改变行波的方向，最终实现电机转子反向运动。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的纵振夹心换能器式圆筒定子的区别在于，所述变幅杆1-6-3和圆筒1-6采用一整块金属材料加工成圆筒/变幅杆一体件。

本实施方式将所述偶数个纵振夹心换能器的变幅杆1-6-3加工成一体的结构，能够起到减少能量损失的目的，有利于提高驱动齿表面质点振动轨迹的可控性。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一所述的纵振夹心换能器式圆筒定子的区别在于，所述圆筒1-6内表面加工有连续梳状驱动齿1-6-4，在所述驱动齿1-6-4的上、下分别加工有上端锥面1-6-1和下端锥面1-6-2。

本实施方式增加的驱动齿1-6-4有利于放大定子表面质点振动轨迹幅值，驱动齿1-6-4内表面两端的上端锥面1-6-1和下端锥面1-6-2，有利于增加定子和转子之间的接触区域，提高输出力矩。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一所述的纵振夹心换能器式圆筒定子的区别在于，所述法兰1-4与压电陶瓷片1-3相接触的侧面、以及后端盖1-2、压电陶瓷片1-3的横截面为矩形或圆形。

本实施方式中的法兰1-4、后端盖1-2、压电陶瓷片1-3的形状能够简化加工工艺。

具体实施方式五：本实施方式的使用纵振夹心换能器式圆筒定子的超声电机由定子、转子组件、外罩3和基座4组成；所述转子组件由带轴转子2-1、无轴转子2-2、联接健2-3、耐磨衬圈2-4、橡胶垫2-5、碟形弹簧2-6和锁紧螺母2-7组成；其中带轴转子2-1和无轴转子2-2为圆台形，所述带轴转子2-1和无轴转子2-2的细端分别从定子1的圆筒1-5的上方和下方嵌入，所述无轴转子2-2通过联接键2-3固定在带轴转子2-1的力矩输出轴2-1-2上，在带轴转子2-1和无轴转子2-2与圆筒1-5相接触的侧面分别固定有耐磨衬圈2-4，在无轴转子2-2的下面采用橡胶垫2-5、碟形弹簧2-6和锁紧螺母2-7实现带轴转子2-1和无轴转子2-2的预紧，定子1通过换能器1-8上的法兰1-4固定在基座4上。

本实施方式中所述的耐磨衬圈2-4采用高分子摩擦材料，并可以通过粘贴的方式固定在带轴转子2-1和无轴转子2-2的外表面。

当本实施方式中的定子采用具体实施方式三所述的纵振夹心换能器式圆筒定子的时候，所述带轴转子2-1、无轴转子2-2的侧面与定子的梳状驱动齿1-6-4的上端锥面1-6-1、下端锥面1-6-2的锥度相同，以保证转子与梳状驱动齿1-6-4为面接触。这种结构通过锥面配合实现转子组件的定位，并且增加了接触区域，能够提高输出力矩、延长使用寿命，还能够有效的消除噪声。

本实施方式的使用纵振夹心换能器式圆筒定子的超声电机的基座4上加工有螺纹孔4-1和光孔4-2，外罩3通过螺钉5和螺纹孔4-1固定在基座4上，实现了对电机的封装和保护，光孔4-2用于实现电机在机械系统中的安装。

参见图4至6，是采用具有四个换能器的定子的超声电机的结构示意图。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五所述的使用纵振夹心换能器式圆筒定子的超声电机的区别在于，在所述带轴转子2-1和无轴转子2-2上均匀分布有若干通孔2-1-1，所述若干通孔2-1-1与带轴转子2-1的力矩输出轴2-1-2平行。

本实施方式在带轴转子2-1和无轴转子2-2加工了若干通孔2-1-1，降低了转子的质量，进而降低了转子的转动惯量，能够达到改善电机动态特性的目的。

Claims (8)

1、纵振夹心换能器式圆筒定子，由圆筒(1-6)和偶数个纵振夹心换能器(1-8)组成；所述偶数个纵振夹心换能器(1-8)对称固定在圆筒(1-6)的侧壁上，其特征在于每个夹心换能器(1-8)由变幅杆(1-6-3)、后端盖(1-2)、两对压电陶瓷片(1-3)、法兰(1-4)、薄铜电极片(1-7)和绝缘套(1-5)组成；变幅杆(1-6-3)是截面为矩形并逐渐变细的四棱柱体，变幅杆(1-6-3)的小端面和圆筒(1-6)的外侧表固定连接；法兰(1-4)的截面为“L”形，所述法兰(1-4)通过螺钉(1-1)固定在变幅杆(1-6-3)的大端和后端盖(1-2)之间，所述法兰(1-4)位于换能器(1-8)的纵向振动的节面位置；两对压电陶瓷片(1-3)分别位于法兰(1-4)的两侧，所述压电陶瓷片(1-3)沿厚度方向极化，每对压电陶瓷片(1-3)中的两片压电陶瓷片的极化方向相反，所述每对压电陶瓷片(1-3)中的两片压电陶瓷片(1-3)之间、一对压电陶瓷片(1-3)和变幅杆(1-6-3)之间、另一对压电陶瓷片(1-3)和法兰(1-4)之间均固定有薄铜片电极(1-7)；在每片压电陶瓷片(1-3)、法兰(1-4)和固定法兰(1-4)的螺钉(1-1)之间有绝缘套(1-5)。

2、根据权利要求1所述的纵振夹心换能器式圆筒定子，其特征在于所述变幅杆(1-6-3)和圆筒(1-6)采用一整块金属材料加工成圆筒/变幅杆一体件。

3、根据权利要求1所述的纵振夹心换能器式圆筒定子，其特征在于所述圆筒(1-6)内表面加工有连续梳状驱动齿(1-6-4)，在所述驱动齿(1-6-4)的上、下分别加工有上端锥面(1-6-1)和下端锥面(1-6-2)。

4、根据权利要求1所述的纵振夹心换能器式圆筒定子，其特征在于所述法兰(1-4)与压电陶瓷片(1-3)相接触的侧面、以及后端盖(1-2)、压电陶瓷片(1-3)的横截面为矩形或圆形。

5、使用纵振夹心换能器式圆筒定子的超声电机，它由定子、转子组件和基座(4)组成；其特征在于所述转子组件由带轴转子(2-1)、无轴转子(2-2)、联接健(2-3)、耐磨衬圈(2-4)、橡胶垫(2-5)、碟形弹簧(2-6)和锁紧螺母(2-7)组成；其中带轴转子(2-1)和无轴转子(2-2)为圆台形，所述带轴转子(2-1)和无轴转子(2-2)的细端分别从定子(1)的圆筒(1-5)的上方和下方嵌入，所述无轴转子(2-2)通过联接键(2-3)固定在带轴转子(2-1)的力矩输出轴(2-1-2)上，在带轴转子(2-1)和无轴转子(2-2)与圆筒(1-5)相接触的侧面分别固定有耐磨衬圈(2-4)，在无轴转子(2-2)的下面采用橡胶垫(2-5)、碟形弹簧(2-6)和锁紧螺母(2-7)实现带轴转子(2-1)和无轴转子(2-2)的预紧，定子(1)通过换能器(1-8)上的法兰(1-4)固定在基座(4)上。

6、根据权利要求5所述的使用纵振夹心换能器式圆筒定子的超声电机，其特征在于所述耐磨衬圈(2-4)采用高分子摩擦材料，并可以通过粘贴的方式固定在带轴转子(2-1)和无轴转子(2-2)的外表面。

7、根据权利要求5所述的使用纵振夹心换能器式圆筒定子的超声电机，其特征在于所述带轴转子(2-1)、无轴转子(2-2)的侧面与定子的梳状驱动齿(1-6-4)的上端锥面(1-6-1)、下端锥面(1-6-2)的锥度相同。

8、根据权利要求5所述的使用纵振夹心换能器式圆筒定子的超声电机，其特征在于所述带轴转子(2-1)和无轴转子(2-2)上均匀分布有若干通孔(2-1-1)，所述若干通孔(2-1-1)与带轴转子(2-1)的力矩输出轴(2-1-2)平行。

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