CN101388621B - 夹心式圆盘定子及使用该定子的超声电机 - Google Patents

Abstract

夹心式圆盘定子及使用该定子的超声电机，它涉及压电超声电机技术领域。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。夹心式圆盘定子中的偶数个驱动组件固定在圆盘的上端面，每对悬臂梁中间均固定有两对压电陶瓷片，圆盘的下端面上均匀分布若干梳状驱动齿。使用该定子的超声电机包括两个定子；其转子组件由转子和耐磨衬圈组成，耐磨衬圈的端面具有和驱动齿上端面相同的锥度；两个定子分别安装在转子的上方和下方；通过两个定子法兰实现定子和转子组件之间的预紧；转子组件通过转子两端输出轴、轴承和两个定子的轴承座转动联接。本发明结构简单、可实现大力矩输出、性能稳定。

Description

夹心式圆盘定子及使用该定子的超声电机

技术领域

本发明涉及一种夹心式圆盘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，本发明提供了一种夹心式圆盘定子及使用该定子的超声电机。

夹心式圆盘定子，它由驱动圆盘和偶数个驱动组件组成；所述驱动圆盘由圆盘、外侧薄壁环、法兰、内侧薄壁环和轴承座组成；所述外侧薄壁环设置在圆盘和法兰之间；所述内侧薄壁环设置在圆盘和轴承座之间；所述圆盘的中心轴、外侧薄壁环的中心轴、法兰的中心轴、内侧薄壁环的中心轴和轴承座的中心轴位于同一轴线上；所述驱动组件由两个悬臂梁、四片压电陶瓷片、调整垫片、铜片电极、预紧螺钉、预紧螺母和绝缘套组成；所述两个悬臂梁装设在圆盘的上端面上，四片压电陶瓷片装设在所述两个悬臂梁之间，两对压电陶瓷片之间装设有调整垫片，在压电陶瓷片之间、压电陶瓷片与调整垫片之间以及悬臂梁与压电陶瓷片之间分别装设有铜片电极；在所述压电陶瓷片、调整垫片、铜片电极和预紧螺钉之间装设有绝缘套；所述四片压电陶瓷片沿厚度方向极化且相邻两个压电陶瓷片的极化方向相反；所述悬臂梁、压电陶瓷片、调整垫片和铜片电极通过预紧螺钉和预紧螺母紧固连接成一体。

使用夹心式圆盘定子的超声电机，它由夹心式圆盘定子、转子组件、外罩、轴承、轴承预紧盖、第一螺钉组、基座、橡胶垫、第二螺钉组和第一螺母组组成；所述转子组件由转子和耐磨衬圈组成；转子装设在安装方向相反的两个夹心式圆盘定子之间，两个夹心式圆盘定子的中心轴与转子的中心轴位于同一轴线上；所述基座安装在两个夹心式圆盘定子法兰之间，基座的中心轴与两个夹心式圆盘定子圆盘的中心轴位于同一轴线，在基座和两个夹心式圆盘定子法兰之间分别装设有橡胶垫；两个夹心式圆盘定子和转子组件通过两个夹心式圆盘定子法兰、第二螺钉组和第一螺母组实现预紧；所述转子组件通过转子两端输出轴和装设在夹心式圆盘定子轴承座中的轴承实现与两个夹心式圆盘定子的转动联接；轴承通过轴承预紧盖和第一螺钉组实现预紧；外罩通过第二螺钉组和第一螺母组装设在夹心式圆盘定子法兰上；耐磨衬圈装设在转子的两个端面上。

本发明提供的夹心式圆盘定子，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，并通过圆盘和悬臂梁的一体化构型简化了结构，提高了圆盘弹性体表面质点振动轨迹的可控性。当圆盘工作在n阶弯曲振动模态时，夹心式圆盘定子所含驱动组件的个数最多为2(n-1)，其中n∈{2，3，4，...}，任意两个驱动组件中心面之间的夹角θ₁满足：θ₁＝90°×m/n，其中m∈{3，...，4n-3}，所有驱动组件分为两组进行激励，同组任意两个驱动组件中心面之间的夹角θ₂满足：θ₂＝180°×m/n，其中m∈{2，...，2n-2}；可根据实际需要的输出力矩和尺寸限制灵活的选择圆盘定子弯振模态的阶数和驱动组件的个数。利用压电陶瓷片的纵向振动，通过控制输入激励信号，实现两组驱动组件在定子圆盘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圆盘上形成行波，进而定子驱动齿表面质点产生椭圆运动轨迹，通过和转子组件之间的摩擦耦合实现转子的宏观运动输出。本发明通过调整压电陶瓷片矩形截面两边比值、圆盘内径尺寸、圆盘外径尺寸、以及圆盘的厚度实现驱动组件纵振固有频率和圆盘弯振固有频率之间的简并。内侧薄壁环和外侧薄壁环可以实现弹性支撑和振动隔离，将定子组件与外部零件的联接对圆盘的弯曲振动模态的影响程度降到最低。

本发明提供的使用夹心式圆盘定子的超声电机，采用两个完全相同的定子同时驱动转子组件，通过控制激励信号，实现在两个定子圆盘上激励出方向相同的行波，定子驱动齿表面质点产生椭圆运动轨迹，通过定子驱动齿与转子组件之间的摩擦耦合实现转子组件的宏观运动输出，由于具有两个圆盘同时参与致动，可成倍的提高电机输出力矩；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；通过上下两个定子驱动齿锥面实现了转子组件的定位；通过安装在轴承座上的轴承实现了转子组件的支撑，可降低径向载荷对电机输出特性的影响。

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是本发明提出的夹心式圆盘定子包含4个驱动组件时的结构示意图；图2为图1的横剖视图；图3为图1的纵剖视图；图4是夹心式圆盘定子中的驱动圆盘1-1的结构示意图；图5是夹心式圆盘定子中的4个驱动组件的压电陶瓷片极化方向示意图；图6是使用夹心式圆盘定子的超声电机的纵剖视图；图7是夹心式圆盘定子中的驱动组件激励信号输入示意图，其中图中输入的交流电压信号满足：V₁＝Acos(2πt/T)，V₂＝Asin(2πt/T)，V₀＝0，V₁为第一组夹心驱动组件的电压激励信号，V₂为第二组夹心驱动组件的电压激励信号，A为激励电压信号幅值，T为激励电压信号周期，t为时间，两组驱动组件的电压激励信号幅值相等、频率为驱动组件自身纵振谐振频率、相位差为+90°；图8至图11是夹心式圆盘定子中的驱动组件采用如图7所示交流电压信号激励时，一个完整振动周期内的振型变化示意图，为定子周向展开图，具体为定子五阶弯振模态的振型变化示意图；图8是t＝nT(n＝0，1，2...)时刻的定子振型示意图；图9是t＝(n+1/4)T(n＝0，1，2...)时刻的定子振型示意图；图10是t＝(n+1/2)T(n＝0，1，2...)时刻的定子振型示意图；图11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：结合图1～图5说明本实施方式，本实施方式由驱动圆盘1-1和偶数个驱动组件1-8组成；所述驱动圆盘1-1由圆盘1-1-1、外侧薄壁环1-1-2、法兰1-1-3、内侧薄壁环1-1-4和轴承座1-1-5组成；所述外侧薄壁环1-1-2设置在圆盘1-1-1和法兰1-1-3之间；所述内侧薄壁环1-1-4设置在圆盘1-1-1和轴承座1-1-5之间；所述圆盘1-1-1的中心轴、外侧薄壁环1-1-2的中心轴、法兰1-1-3的中心轴、内侧薄壁环1-1-4的中心轴和轴承座1-1-5的中心轴位于同一轴线上；所述驱动组件1-8由两个悬臂梁1-8-1、四片压电陶瓷片1-8-2、调整垫片1-8-3、铜片电极1-8-4、预紧螺钉1-8-5、预紧螺母1-8-6和绝缘套1-8-7组成；所述两个悬臂梁1-8-1装设在圆盘1-1-1的上端面上，四片压电陶瓷片1-8-2装设在所述两个悬臂梁1-8-1之间，两对压电陶瓷片1-8-2之间装设有调整垫片1-8-3，在压电陶瓷片1-8-2之间、压电陶瓷片1-8-2与调整垫片1-8-3之间以及悬臂梁1-8-1与压电陶瓷片1-8-2之间分别装设有铜片电极1-8-4；在所述压电陶瓷片1-8-2、调整垫片1-8-3、铜片电极1-8-4和预紧螺钉1-8-5之间装设有绝缘套1-8-7；所述悬臂梁1-8-1、压电陶瓷片1-8-2、调整垫片1-8-3和铜片电极1-8-4通过预紧螺钉1-8-5和预紧螺母1-8-6紧固连接成一体。当圆盘工作在n阶弯曲振动模态时，所述夹心式圆盘定子所含驱动组件(1-8)的个数最多为2(n-1)，其中n∈{2，3，4，...}，任意两个驱动组件(1-8)中心面之间的夹角θ₁满足：θ₁＝90°×m/n，其中m∈{3，...，4n-3}，所有驱动组件(1-8)分为两组进行激励，同组任意两个驱动组件(1-8)中心面之间的夹角θ₂满足：θ₂＝180°×m/n，其中m∈{2，...，2n-2}。

本实施方式所述的夹心式圆盘定子的工作原理是：所述驱动组件采用与自身纵振谐振频率相同频率的交流电压来激励，所有驱动组件分为两组进行激励，如图7～图11所示，两组驱动组件采用幅值相等、频率为驱动组件自身纵振谐振频率、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实现在定子圆盘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圆盘上形成行波，驱动齿表面质点产生椭圆运动轨迹，进而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；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；通过调整压电陶瓷片矩形截面两边比值、圆盘内径尺寸、圆盘外径尺寸、以及圆盘的厚度实现驱动组件纵振固有频率和圆盘弯振固有频率之间的简并；内侧薄壁环和外侧薄壁环可以实现弹性支撑和振动隔离，将定子组件与外部零件的联接对圆盘的弯曲振动模态的影响程度降到最低；通过修磨调整垫片，实现电陶瓷片、调整垫片和铜片电极在预紧螺钉和预紧螺母施加的定值预紧力下的厚度和一对悬臂梁之间的槽宽相等。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点在于所述圆盘1-1-1、外侧薄壁环1-1-2、法兰1-1-3、内侧薄壁环1-1-4、轴承座1-1-5和悬臂梁1-8-1采用一整块金属材料加工成一体件。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。采用这种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不同点在于两个悬臂梁1-8-1的两个中心面之间的距离为半个圆盘弯曲振动的波长。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图3、图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于所述圆盘1-1-1的下端面加工有连续梳状驱动齿1-1-7，连续梳状驱动齿1-1-7上端面为具有一定锥度的锥面。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。增加驱动齿1-1-7有利于放大定子圆盘表面质点振动轨迹幅值，提高定子的机械输出特性；驱动齿1-1-7的上端锥面有利于增加定子和转子之间的接触区域，并改善驱动齿1-1-7表面各个质点对转子驱动的一致性，提高输出力矩。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同点在于所述悬臂梁1-8-1、压电陶瓷片1-8-2、调整垫片1-8-3以及铜片电极1-8-4与压电陶瓷片1-8-2的接触区域的横截面为矩形。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。采用这种结构的目的是为了简化加工工艺。

具体实施方式六：结合图6说明本实施方式，本实施方式由两个具体实施方式一所述的夹心式圆盘定子、转子组件2、外罩3、轴承4、轴承预紧盖5、第一螺钉组6、基座7、橡胶垫8、第二螺钉组9和第一螺母组10组成；所述转子组件2由转子2-1和耐磨衬圈2-2组成；转子2-1装设在安装方向相反的两个夹心式圆盘定子之间，两个夹心式圆盘定子的中心轴与转子2-1的中心轴位于同一轴线上；所述基座7安装在两个夹心式圆盘定子法兰1-1-3之间，基座7的中心轴与两个夹心式圆盘定子圆盘1-1-1的中心轴位于同一轴线，在基座7和两个夹心式圆盘定子法兰1-1-3之间分别装设有橡胶垫8；两个夹心式圆盘定子和转子组件2通过两个夹心式圆盘定子法兰1-1-3、第二螺钉组9和第一螺母组10实现预紧；所述转子组件2通过转子2-1两端输出轴和装设在夹心式圆盘定子轴承座1-1-5中的轴承4实现与两个夹心式圆盘定子的转动联接；轴承4通过轴承预紧盖5和第一螺钉组6实现预紧；外罩3通过第二螺钉组9和第一螺母组10装设在夹心式圆盘定子法兰1-1-3上；耐磨衬圈2-2装设在转子2-1的两个端面上。采用两个夹心式圆盘定子同时驱动转子组件2，由于两个夹心式圆盘定子同时参与致动，可成倍的提高电机输出力矩。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同点在于耐磨衬圈2-2采用高分子摩擦材料。其它组成和连接方式与具体实施方式六相同。采用高分子摩擦材料的目的是为了延长耐磨衬圈2-2的使用寿命。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六不同点在于耐磨衬圈2-2通过粘贴方式粘接在转子2-1的两个端面上。其它组成和连接方式与具体实施方式六相同。

具体实施方式九：结合图6说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式六不同点在于耐磨衬圈2-2的端面具有和夹心式圆盘定子驱动齿1-1-7上端面相同的锥度。其它组成和连接方式与具体实施方式六相同。耐磨衬圈2-2和夹心式圆盘定子驱动齿1-1-7采用锥面接触，通过锥面配合实现转子组件2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、还可有效的消除噪声。

Claims (8)

1.夹心式圆盘定子，它由驱动圆盘(1-1)和偶数个驱动组件(1-8)组成；其特征在于所述驱动圆盘(1-1)由圆盘(1-1-1)、外侧薄壁环(1-1-2)、法兰(1-1-3)、内侧薄壁环(1-1-4)和轴承座(1-1-5)组成；所述外侧薄壁环(1-1-2)设置在圆盘(1-1-1)和法兰(1-1-3)之间；所述内侧薄壁环(1-1-4)设置在圆盘(1-1-1)和轴承座(1-1-5)之间；所述圆盘(1-1-1)的中心轴、外侧薄壁环(1-1-2)的中心轴、法兰(1-1-3)的中心轴、内侧薄壁环(1-1-4)的中心轴和轴承座(1-1-5)的中心轴位于同一轴线上；所述驱动组件(1-8)由两个悬臂梁(1-8-1)、四片压电陶瓷片(1-8-2)、调整垫片(1-8-3)、铜片电极(1-8-4)、预紧螺钉(1-8-5)、预紧螺母(1-8-6)和绝缘套(1-8-7)组成；所述两个悬臂梁(1-8-1)装设在圆盘(1-1-1)的上端面上，四片压电陶瓷片(1-8-2)装设在所述两个悬臂梁(1-8-1)之间，两对压电陶瓷片(1-8-2)之间装设有调整垫片(1-8-3)，在压电陶瓷片(1-8-2)之间、压电陶瓷片(1-8-2)与调整垫片(1-8-3)之间以及悬臂梁(1-8-1)与压电陶瓷片(1-8-2)之间分别装设有铜片电极(1-8-4)；在所述压电陶瓷片(1-8-2)、调整垫片(1-8-3)、铜片电极(1-8-4)和预紧螺钉(1-8-5)之间装设有绝缘套(1-8-7)；所述四片压电陶瓷片(1-8-2)沿厚度方向极化且相邻两个压电陶瓷片(1-8-2)的极化方向相反；所述悬臂梁(1-8-1)、压电陶瓷片(1-8-2)、调整垫片(1-8-3)和铜片电极(1-8-4)通过预紧螺钉(1-8-5)和预紧螺母(1-8-6)紧固连接成一体。

2.根据权利要求1所述的夹心式圆盘定子，其特征在于所述圆盘(1-1-1)、外侧薄壁环(1-1-2)、法兰(1-1-3)、内侧薄壁环(1-1-4)、轴承座(1-1-5)和悬臂梁(1-8-1)采用一整块金属材料加工成一体件。

3.根据权利要求1所述的夹心式圆盘定子，其特征在于所述圆盘(1-1-1)的下端面加工有连续梳状驱动齿(1-1-7)，连续梳状驱动齿(1-1-7)上端面整体构成具有锥度的锥面。

4.根据权利要求1所述的夹心式圆盘定子，其特征在于所述悬臂梁(1-8-1)、压电陶瓷片(1-8-2)、调整垫片(1-8-3)以及铜片电极(1-8-4)与压电陶瓷片(1-8-2)的接触区域的横截面为矩形。

5.使用权利要求1、2、3或4所述的夹心式圆盘定子的超声电机，它由两个夹心式圆盘定子、转子组件(2)、外罩(3)、轴承(4)、轴承预紧盖(5)、第一螺钉组(6)、基座(7)、橡胶垫(8)、第二螺钉组(9)和第一螺母组(10)组成；其特征在于所述转子组件(2)由转子(2-1)和耐磨衬圈(2-2)组成；转子(2-1)装设在安装方向相反的两个夹心式圆盘定子之间，两个夹心式圆盘定子的中心轴与转子(2-1)的中心轴位于同一轴线上；所述基座(7)安装在两个夹心式圆盘定子法兰(1-1-3)之间，基座(7)的中心轴与两个夹心式圆盘定子圆盘(1-1-1)的中心轴位于同一轴线，在基座(7)和两个夹心式圆盘定子法兰(1-1-3)之间分别装设有橡胶垫(8)；两个夹心式圆盘定子和转子组件(2)通过两个夹心式圆盘定子法兰(1-1-3)、第二螺钉组(9)和第一螺母组(10)实现预紧；所述转子组件(2)通过转子(2-1)两端输出轴和装设在夹心式圆盘定子轴承座(1-1-5)中的轴承(4)实现与两个夹心式圆盘定子的转动联接；轴承(4)通过轴承预紧盖(5)和第一螺钉组(6)实现预紧；外罩(3)通过第二螺钉组(9)和第一螺母组(10)装设在夹心式圆盘定子法兰(1-1-3)上；耐磨衬圈(2-2)装设在转子(2-1)的两个端面上。

6.根据权利要求5所述的使用夹心式圆盘定子的超声电机，其特征在于耐磨衬圈(2-2)采用高分子摩擦材料。

7.根据权利要求5所述的使用夹心式圆盘定子的超声电机，其特征在于耐磨衬圈(2-2)通过粘贴方式粘接在转子(2-1)的两个端面上。

8.根据权利要求5所述的使用夹心式圆盘定子的超声电机，其特征在于耐磨衬圈(2-2)的端面具有和夹心式圆盘定子连续梳状驱动齿(1-1-7)上端面相同的锥度。

Images