CN101572507B - 突齿带凹槽的纵弯模态转换型双转子超声电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种突齿带凹槽的纵弯模态转换型双转子超声电机，属于超声波微电机设计技术领域。包括第一转子、第二转子、定子、旋转轴、底盘和螺管。第一转子、螺管和第二转子依次由上而下套装在旋转轴上后置于底盘上。定子拧紧在螺管上，定子由第一定子帽、第一压电片、第二压电片和第二定子帽依次相叠组成。螺母通过弹簧对第一转子和第二转子施加预压力。本发明的超声电机，采用双转子结构，省去轴承，双端输出，可以单向旋转，而且力矩大，输出力矩可达30％以上。本发明提出的超声电机可广泛应用在工业、国防和医疗设备中作为驱动源。如果在本发明的超声电机中使用耐高低温的压电片，则可使本发明的超声电机应用于高低温极端环境。

Description

突齿带凹槽的纵弯模态转换型双转子超声电机

技术领域

本发明涉及一种突齿带凹槽的纵弯模态转换型双转子超声电机，属于超声波微电机设计技术领域。

背景技术

模态转换型电机是一种针对大力矩、单一旋向等特殊需求的超声电机，依靠模态转换机构来产生能驱动转子旋转的振动模态。一般情况下，作为驱动力源的振动采用机电转换能力较高的纵振子来完成，所以该类型电机的转换效率较高，适于大功率输出。该种电机的主要部分是定子帽振动模态的转换机构和定子对转子的拨动机构。一般模态转换电机均为单路电信号驱动。

1985年Akio Kumada提出了一种定子12上具有单梁121结构的模态转换电机。接一路电信号就可以使压电片11的纵向振动通过凹槽123和弯曲盘122转化为定子梁121的扭转振动，如图1a和1b所示。驱动转子13单向旋转。因为单一梁与转子接触不稳定，噪声大，所以清华大学声学实验室对Akio Kumada的设计做出了改进，如图1c所示。设计定子上具有三梁结构的模态转换型电机定子。由于三个底端凹槽123，使底部的纵振动通过弯曲板122转换为三个梁121的扭转振动，以驱动与其接触的转子转动。这种设计有效的降低了噪声和提高了稳定性，但缺点是加工工艺太复杂。

发明内容

本发明的目的是提出一种突齿带凹槽的纵弯模态转换型双转子超声电机，改变已有模态转换电机的结构，使凹槽与突齿在同一侧向加工，以提高加工精度，简化加工工艺；在纵弯模态转换型超声电机中采用双转子结构，省去轴承，双端轴输出，以增加输出力矩。

本发明提出的突齿带凹槽的纵弯模态转换型双转子超声电机，包括第一转子、第二转子、定子、旋转轴、底盘和螺管，所述的第一转子、螺管和第二转子依次由上而下套装在旋转轴上后置于底盘上，所述的定子拧紧在螺管上，定子由第一定子帽、第一压电片、第二压电片和第二定子帽依次相叠合组成；螺母通过弹簧对第一转子和第二转子施加预压力。

上述超声电机中，第一定子帽和第二定子帽的结构为圆台形，圆台上带有多个齿形突起，多个齿形突起的同一侧开有凹槽。其中齿形突起的截面为扇形、梯形或矩形。齿形突起的与凹槽相对的另一面可以为斜面。

上述超声电机中，第一压电片和第二压电片为多层压电陶瓷堆、两片单层陶瓷片或4片单层陶瓷片中的任何一种夹心结构。

本发明提出的突齿带凹槽的纵弯模态转换型双转子超声电机，采用双转子结构，省去轴承，双端输出，可以单向旋转，而且力矩大，输出力矩比单转子可增加30％以上。本发明提出的超声电机可广泛应用在工业、国防和医疗设备中作为驱动源。如果在本发明的超声电机中使用耐高低温的压电片，则可使本发明的超声电机应用于高低温极端环境。

附图说明

图1是已有的模态转换型超声电机的结构示意图，其中(a)是已有的Akio Kumada单梁结构的模态转换型电机，(b)是单梁结构的模态转换型电机定子帽，(c)是定子上具有三梁结构的模态转换型电机定子帽。

图2是本发明提出的突齿带凹槽的纵弯模态转换型双转子超声电机的结构示意图。

图3是本发明的突齿带凹槽的纵弯模态转换型双转子超声电机的定子帽，其中(a)是扇形突齿，(b)是斜形突齿。

图4是四个带斜形齿-凹槽结构的纵弯模态转换型单转子超声电机的结构示意图。

图5是本发明超声电机的纵弯模态转换型定子的有限元分析模型。

图2-图4中，1是压电片(第一压电片和第二压电片)，2是定子帽(第一定子帽和第二定子帽)，3是转子(第一转子和第二转子)，4是旋转轴，5是螺母，6是底盘，7是弹簧，8是轴承，9是螺管，21是定子帽上的扇形突齿，22是扇形突齿一侧的凹槽，23是斜形突齿，24是斜形突齿一侧的凹槽。

具体实施方式

本发明提出的突齿带凹槽的纵弯模态转换型双转子超声电机，其结构如图2所述，包括第一转子3、第二转子3、定子、旋转轴4、底盘6和螺管9。第一转子3、螺管9和第二转子3依次由上而下套装在旋转轴4上后置于底盘6上。定子通过定子帽拧紧在螺管9上，定子由第一定子帽2、第一压电片1、第二压电片1和第二定子帽2依次相叠合组成。螺母5通过弹簧7对第一转子3和第二转子3施加预压力。

上述超声电机中，第一定子帽和第二定子帽的结构为圆台形，如图3(a)所示，本发明的一个实施例中，圆台上带有4个齿形突起21(齿形突起的个数可为大于3的正整数)，4个齿形突起的同一侧开有4个凹槽22。其中齿形突起的截面为扇形(也可是梯形或矩形)。齿形突起与凹槽相对的另一面可以为斜面，成为斜形突齿，如图3(b)所示，其中23是斜形突齿，24是斜形突齿一侧的凹槽。

上述超声电机中，第一压电片和第二压电片可以为多层压电陶瓷堆、两片单层陶瓷片或4片单层陶瓷片中的任何一种夹心结构。

本发明的突齿带凹槽纵弯模态转换型双转子超声电机，其中的定子本体的结构是：在上下两个定子帽2中夹有两个压电元件1，通过定子帽内壁上的螺纹与螺管9相互啮合，组成的朗之万夹心结构，使定子固定在旋转轴上的两个转子之间，可以不使用胶粘剂，如使用耐高低温的压电片，则可使超声电机用于高低温极端环境。

定子帽2的结构如图3所示，本发明的一个实施例中，有4个齿形突起21(齿形突起的个数可为大于3的正整数)一边紧邻突齿边缘设有凹槽22组成。凹槽降低了邻近齿的刚度，使齿易于向凹槽方向弯曲。本发明的超声电机中定子的特殊结构可以驱动双转子，即第一转子和第二转子。其工作原理是压电片1受电信号激励产生纵振动，带凹槽的突齿能把纵向振动转换成同频率的弯曲振动，从而驱动压在定子上的转子3旋转。旋转轴和两个转子在合适突齿驱动下，向一个方向一齐转动。螺母5和弹簧7对转子施加预压力。电机的固定采用节点固支。

本发明超声电机中，定子帽上的突齿的圆心角小于360/2n，n为突齿数。一般来说，突齿越宽，弯振频率越高；突齿越高，弯振频率越低，与突齿高度的二次方成反比。可以根据具体的应用相应设计突齿的个数、高度和宽度。

本发明超声电机中的定子，也可以应用于已有的单转子超声电机中，其结构如图4所示，包括转子3、定子、旋转轴4和底盘6。定子由定子帽2、第一压电片1、第二压电片1组成。转子3、定子帽2、第一压电片1、第二压电片1依次由上而下套装在旋转轴4上后置于底盘6上，螺母5通过弹簧7给转子内的轴承8施加预压力。压电片1可以是多层压电堆，偶数个单压电片，或者耐高低温的压电片。压电片由一个带4个斜形齿-凹槽结构的纵弯模态转换型定子帽夹紧构成电机的定子2，轴4底部有底座6，轴穿过该定子，定子帽上外端面与转子3接触。当电信号激励压电片时，通过定子帽使斜形齿的一侧带凹槽的纵弯模态转换型定子齿产生弯曲振动。至此，旋转轴不转动，转子在合适的4个齿驱动下，向一个方向转动。此为驻波驱动的模态转换型单转子超声电机。电机的固定采用节点固支。

图5是本发明超声电机中定子的弯曲振动模态的有限元分析。从图5中可以看出当压电片上施加谐振频率的电信号时，压电片纵向振动，压电片伸长时，传递给与其接触的定子帽圆台，突齿和凹槽的结构会使得上下8个突齿一起向顺时针方向弯曲，并可拨动转子转动。下一个时刻，反相位时，压电片缩短，8个突齿会一起向逆时针方向弯曲，而且8个齿同时脱离转子。这就是本发明的驱动转子单方向旋转的原理。

Claims (4)

1.一种突齿带凹槽的纵弯模态转换型双转子超声电机，其特征在于该超声电机包括第一转子、第二转子、定子、旋转轴、底盘和螺管，所述的第一转子、螺管和第二转子依次由上而下套装在旋转轴上后置于底盘上，所述的定子拧紧在螺管上，定子由第一定子帽、第一压电片、第二压电片和第二定子帽依次相叠合组成，所述的第一定子帽和第二定子帽的结构为圆台形，圆台上带有多个齿形突起，多个齿形突起的同一侧开有凹槽；螺母通过弹簧对第一转子和第二转子施加预压力。

2.如权利要求1所述的超声电机，其特征在于其中所述的齿形突起的截面为扇形、梯形或矩形。

3.如权利要求1所述的超声电机，其特征在于其中所述的齿形突起的与凹槽相对的另一面为斜面。

4.如权利要求1所述的超声电机，其特征在于其中所述的第一压电片和第二压电片为多层压电陶瓷堆、两片单层陶瓷片或4片单层陶瓷片中的任何一种夹心结构。

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