CN101546967B - 一种薄型驻波旋转超声电动机 - Google Patents

Abstract

该发明属于一种薄型驻波旋转超声电动机，包括设有中心孔及齿条的环状定子，设于定子上、下环面的压电陶瓷片，带传动轴的组合式转子及位于上、下转子之间的碟形弹簧，连接定位套，机座。该电机由于采用螺纹连接定位套将上、下转子及定子，碟形弹簧连接成一体，通过定子的外圆周面与转子的内环面压力接触式配合、以传递动力，采用定子的圆环面外弯曲模态以提高激发的敏感性，利用单相交变电压激发的弯曲驻波即可实现电机旋转；因而，具有电机及其驱动电路结构简单、紧凑，效率高、转矩及速度的稳定性好，并可实现正、反转，电机的厚度小、更趋小型化、微型化，可广泛应用于医学检测仪器，微、小型机器人及微、小型机电系统及航空航天等领域。

Description

一种薄型驻波旋转超声电动机

技术领域

本发明属于超声应用领域中的电动机，特别是一种薄型驻波旋转超声电动机。该超声电动机作为微型动力装置可广泛应用于医学检测仪器，微、小型机器人及微、小型机电系统及航空航天等领域。

背景技术

超声电动机是一种工作原理有别于电磁电机的新型电动力机，它利用压电陶瓷的逆压电效应，激发定子高频超声振动产生的形变，然后通过定子与转子之间的摩擦力驱动转子转动并传递其动力。此类电机具有低速大扭矩、低噪声、不受电磁干扰、结构简单等优点，在医学检测仪器、微小型机器人、航空航天等领域有很好的应用前景。目前已有的旋转型超声电机可以分为以下两类：一类是利用圆环定子的面外弯曲振动模态，结构特点是定子与转子沿定子轴向接触；另一类则是利用圆环定子的面内弯曲振动模态，结构特点是定子与转子沿定子的内或外圆周面接触。上述两类超声电机多利用行波驱动，即给压电陶瓷片接通两相交变电压，分别激发两个弯曲驻波，这两个驻波合成为一个行波，此行波推动转子转动。相对于行波驱动，利用驻波驱动可以显著简化驱动电路，十分有利于电机的小型化和微型化。在公开号为CN101030740A，发明名称为《单相驱动的弯曲旋转超声电机》的专利文献中，公开了一种机体的结构呈锥状的单相驱动驻波旋转超声电机，该电机依靠六片沿轴向叠合在一起的压电陶瓷片激发定子的振动，六片压电陶瓷片依靠压紧螺母及压轴套固定在中轴上。该电机虽然具有输出力矩较大等优点，但电动机的六片压电陶瓷片按极化分区要相互错开60度安装，其结构复杂，且在压电陶瓷片的压紧过程中因压紧螺母的螺旋运动(旋转力)极易造成压电陶瓷片之间错位，难以保证相邻压电陶瓷片之间错位60度的技术要求；此外，该电机定子与转子之间不带任何定位装置，这使得定子与转子两者之间的接触位置精度受到影响，进而影响电机转矩和速度的稳定性；因而，此类旋转超声电动机存在结构复杂，对定子与转子之间的接触位置精度要求高，安装较困难，电机转矩和速度的稳定性差等缺陷。

发明内容

本发明的目的是研究设计一种薄型驻波旋转超声电动机，以达到简化电机本体及其驱动电路的结构，降低电机的厚度，提高电机效率及转矩和速度的稳定性、并实现正、反转，使电机更趋小型化、微型化，为机电系统等的小型化、微型化提供动力支持等目的。

本发明的解决方案是针对背景技术存在的缺陷，在定子与转子的配合方式上，采用定子的外圆周面(外环面)与转子的内环面压力接触式配合，以传递动力并克服定子与转子通过轴截面重叠式配合方式带来的电机厚度过大的缺点；采用定子的面外弯曲模态，以避免定子面内模态不易激发及输出扭矩较小的缺陷；利用单相电压在环形定子上激发的弯曲驻波以实现电机旋转，同时将上、下两个环面上的压电陶瓷片错位设置实现正、反转，以简化电机的驱动电路、有效提高电机效率，更有利于电动机的小型化和微型化，从而实现其目的。因此，本发明薄型驻波旋转超声电动机包括电动机定子，带传动(旋转)轴的转子，固定(压紧)机构，压电陶瓷片，关键在于在电动机底部还设有一带中心孔的机座，电动机定子为设有中心孔且在其外环面上顺轴向设有齿条的环状定子，压电陶瓷片为两个环形片且分别设于定子的上、下两个环面上；带传动轴的转子采用上、下两部分组合而成的组合式转子，在上、下转子的外圆周面上设有螺纹、在两转子之间还设有一碟形弹簧，传动轴设于上转子外侧的端面上、其内侧面的中部设有一梯形圆孔，下转子为带梯形中心孔的环状下转子，上、下转子均通过其梯形孔的阶梯面及大径内环面分别与设于其内的定子外环面相对转动式配合；而固定机构为带内螺纹的连接定位套，上、下转子及设于其内的定子，碟形弹簧均通过连接定位套与上、下转子外圆周面上的螺纹可调式连接成一体，而定子又通过定位螺钉与机座紧固连接，两压电陶瓷片通过粘结分别与定子的上、下环面紧固成一体、并通过导线分别与机座及电源连接。

上述电动机定子外环面上顺轴向设有齿条，其齿条为梯形齿条或矩形齿条、或弧形齿条。所述分别设于定子上、下两个环面上的(两片)压电陶瓷片，各压电陶瓷片等弧度分为6-16个电极区，各电极区按正负相间的规律排列；而上、下两个压电陶瓷片则按对应电极之间(投影)重叠并错开一个齿厚的位置紧固于定子的上、下两个环面上。所述带中心孔的机座，在机座上还设有下部压电陶瓷片电源线引出孔，而上部压电陶瓷片电源线则经定子和机座中心孔引出。

本发明由于采用螺纹连接定位套将上、下转子及定子，碟形弹簧连接成一体，通过定子的外圆周面与转子的内环面压力接触式配合、以传递动力，采用定子的圆环面外弯曲模态以提高激发的敏感性，利用单相电压在环形定子上激发的一个弯曲驻波即可实现电机旋转；因而，本发明具有电机及其驱动电路结构简单，效率高、转矩及速度的稳定性好，并可实现正、反转，电机的厚度小、更趋小型化、微型化，可广泛应用于医学检测仪器，微、小型机器人及微、小型机电系统及航空航天领域等特点。

附图说明

图1为本发明电动机结构示意图；

图2为本发明实施方式中压电陶瓷片电极设置示意图；

图3为电机旋转工作时定子形变模式图(通过有限元软件ANSYS自动设置的变形系数计算所成的图，而实际变形量为10^-6m)；

图4为本发明实施方式作旋转运动时定子在一个周期内的变形机理及旋转原理示意图。

图中：1.定子，1～1.定子中心孔，2.传动轴，3、5：压电陶瓷片，3～1、5～1：电源线，4～1.上转子，4～2.下转子，6.机座，6～1.机座中心孔，6～2.电源线引出孔，7.定位螺钉，8.碟形弹簧(片)，9.连接定位套。

具体实施方式

本实施例中：定子1采用内径(中心孔1～1)Φ10mm，外径Φ50mm，厚度为6mm的金属环，其外环面上顺轴向均匀设置36条齿高、齿厚均为1.0mm的矩形齿条，压电陶瓷片3、5的内、外径分别为Φ30mm及Φ45mm，厚为0.5mm，其上通过镀银的方式将陶瓷片按45°分设为八个相互独立的电极区，八个电极区的极性呈正负相间的规律排列，两压电陶瓷片3、5通过强力胶与定子1的上、下环面粘结成一体；传动轴2直径Φ12mm、高15mm，其上设置键槽；上转子4～1厚12mm、外径Φ60mm，内端(侧)面所设的梯形圆孔其中与定子1配合部分(大径)的公称直径亦为Φ50mm、小孔直径Φ46mm，轴向高分别为3mm及1.5mm；下转子4～2厚(轴向高)为5mm、所设梯形中心孔与定子1配合部分(大径)的公称直径亦为Φ50mm、小孔直径亦为Φ46mm，轴向高则分别为3mm及2mm，上、下转子4～1、4～2的外圆面上均设同一旋向及模数的细牙螺纹；机座6采用边长为70mm、厚为3mm的正方形金属板，其上：中心孔6～1直径Φ6mm、电源线引出孔6～2直径Φ2mm，四角各设一直径为Φ5mm的螺栓孔、作为与配套设备连接用；定位螺钉7采用3个直径Φ3mm的螺钉、間隔120°设置；碟形弹簧8采用环片式碟形弹簧以维持电机上、下转子4～1、4～2与定子1之间的接触压力并防止各部件松动；连接定位套9轴向高18.5mm、外径Φ65mm、内壁为与上、下转子4～1、4～2配合的细牙螺纹。该驻波旋转超声电动机的具体工作机理如下：

将上部压电陶瓷片3与单相交变电压的电源接通，如图4所示(定子在一个周期内的变形机理及旋转原理示意图)，定子的振动周期为T，当时间t＝0时，定子外圆周面的所有齿条均处于各自的平衡位置。

在0＜t＜T/4的时间段，由于小齿的径向摆动，距波峰位置最近齿条a、c、e、g的下端与转子压力接触，距波谷位置最近齿条b、d、f、h的上端与转子压力接触，与此同时齿条a、c、e、g沿切平面产生逆时针方向的摆转，齿条b、d、f、h则产生顺时针方向的摆转，所以齿条a、c、e、g的下端和齿条b、d、f、h的上端同时向右推动转子转动；

当t＝T/4时，齿条a、b、c、d、e、f、g、h至各自的最大位移处；

在T/4＜t＜T/2的时间段内，齿条a、c、e、g下端与转子脱离接触，同时齿条沿切平面产生顺时针方向的摆转，齿条b、d、f、h上端也与转子脱离接触，同时齿条沿切平面产生逆时针方向的摆转；

当t＝T/2时，齿条a、b、c、d、e、f、g、h回到各自的平衡位置；

在T/2＜t＜3T/4的时间段内，齿条a、c、e、g的上端与转子接触，齿条b、d、f、h的下端与转子接触，同时齿条a、c、e、g沿切平面产生顺时针的摆转，齿条b、d、f、h产生逆时针的摆转，仍推动转子向右转动；

当t＝3T/4时，齿条a、b、c、d、e、f、g、h至各自的最大位移处；

在T/2＜t＜3T/4的时间段内，齿条a、c、e、g上端与转子脱离接触，同时沿切平面产生逆时针方向的摆转，齿条b、d、f、h下端与转子脱离接触，同时沿切平面产生顺时针的摆转；

当t＝T时，齿条a、b、c、d、e、f、g、h回到各自的平衡位置。

当接通下部压电陶瓷片5的电源时，则推动转子反向转动。

Claims (4)

1.一种薄型驻波旋转超声电动机，包括电动机定子，带传动轴的转子，固定机构，压电陶瓷片，其特征在于在电动机底部还设有一带中心孔的机座，电动机定子为设有中心孔且在其外环面上顺轴向设有齿条的环状定子，压电陶瓷片为两个环形片且分别设于定子的上、下两个环面上；带传动轴的转子采用上、下两部分组合而成的组合式转子，在上、下转子的外圆周面上设有螺纹，在两转子之间还设有一碟形弹簧，传动轴设于上转子外侧的端面上，上转子内侧面的中部设有一梯形圆孔，下转子为带梯形中心孔的环状下转子，上、下转子均通过其梯形孔的阶梯面及梯形孔内环面上与定子配合部分的大径内环面分别与设于其内的定子外环面相对转动式配合；而固定机构为带内螺纹的连接定位套，上、下转子及设于其内的定子，碟形弹簧均通过连接定位套与上、下转子外圆周面上的螺纹可调式连接成一体，而定子又通过定位螺钉与机座紧固连接，两压电陶瓷片通过粘结分别与定子的上、下环面紧固成一体、并通过导线分别与电源连接。

2.按权利要求1所述薄型驻波旋转超声电动机，其特征在于电动机定子外环面上顺轴向设置的齿条为梯形齿条、矩形齿条或弧形齿条。

3.按权利要求1所述薄型驻波旋转超声电动机，其特征在于所述分别设于定子上、下两个环面上的压电陶瓷片，各压电陶瓷片等弧度分为6-16个电极区，各电极区按正负相间的规律排列；而上、下两个压电陶瓷片则按对应电极之间重叠并错开一个齿厚的位置紧固于定子的上、下两个环面上。

4.按权利要求1所述薄型驻波旋转超声电动机，其特征在于在机座上还设有下部压电陶瓷片电源线引出孔，而上部压电陶瓷片电源线则经定子和机座中心孔引出。

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