CN102158120B - 径轴向多振子超声波直线电机及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种径轴向多振子超声波直线电机，主要由设置有中心孔的电机定子、以及贯穿设置在中心孔内的电机动子构成，所述电机定子主要由定子壳体、以及设置在定子壳体上的径向振子凹槽和轴向振子凹槽构成，径向振子凹槽和轴向振子凹槽分别沿中心孔呈径向设置和轴向设置；径向振子凹槽一端与中心孔相连通，径向振子凹槽的左侧或右侧设置有与其相连通的弹簧凹槽；轴向振子凹槽位于径向振子凹槽的右侧或左侧，且与径向振子凹槽相连通；径向振子凹槽内设置有径向振子，轴向振子凹槽内设置有轴向振子，弹簧凹槽内设置有弹簧。本发明还公开了一种基于上述径轴向多振子超声波直线电机的工作方法。本发明推力大、效率高、损耗小、速度快、使用寿命长。

Description

径轴向多振子超声波直线电机及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种适用于精密测量、计量、办公自动化设备、工业电器、家用电器、机器人、汽车、航空航天设备等各种场合的定位和驱动的径轴向多振子超声波直线电机及其工作方法。

背景技术

超声波直线电机是利用压电材料晶体在外电场作用下发生形变，以此为驱动力来产生直线运动的电动机。这种超声波直线电机有以下特点：

1、它不需要像其它种类直线电机那样，是根据载流导体在磁场中受到电动力的原理，把电能转换为直线运动的机械能。

2、没有定子和动子部分的线圈和铁心，结构简单、体积小、重量轻、制造方便。

3、不受磁场影响、不产生电磁波。

4、力矩大、响应快，可低速运行，速度易于控制。

5、步距小、精度高。

超声波直线电机适用于精密测量、计量、办公自动化设备、工业电器、家用电器、机器人、汽车、航空航天设备等各种场合的定位和驱动。

超声波直线电机的工作原理是利用压电材料的逆压电效应。如果将压电晶体置于外电场中，由于电场作用会引起晶体内部正负电荷重心位移，这一极化位移又导致晶体发生形变。如果外加电场的极性与压电体的极化方向一致，则压电体与电场垂直方向的长度增长；反之，当外加电场的极性与压电体的极化方向相反，则压电体与电场垂直方向的长度缩短。去除电场后，压电体恢复常态。重复地给压电体施加电场和去除电场，压电体就会重复地产生位移。这种位移就是超声波直线电机的动力。

但是，现有的超声波直线电机由于结构和力传递方式的原因，存在推力小、效率低、损耗大、寿命短、速度慢等缺陷，需要改进。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种推力大、效率高、损耗小、速度快、使用寿命长的径轴向多振子超声波直线电机。

本发明的另一目的是提供一种基于上述径轴向多振子超声波直线电机的工作方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：径轴向多振子超声波直线电机，主要由设置有中心孔的电机定子、以及贯穿设置在中心孔内的电机动子构成，其特征在于，所述电机定子主要由定子壳体、以及设置在定子壳体上的径向振子凹槽和轴向振子凹槽构成，所述径向振子凹槽和轴向振子凹槽分别沿中心孔呈径向设置和轴向设置；所述径向振子凹槽一端与中心孔相连通，且径向振子凹槽的左侧或右侧设置有与其相连通的弹簧凹槽；轴向振子凹槽位于径向振子凹槽的右侧或左侧，且与径向振子凹槽相连通；所述径向振子凹槽内设置有径向振子，轴向振子凹槽内设置有轴向振子，弹簧凹槽内设置有弹簧一；所述径向振子凹槽远离中心孔的一端外凹构成卡槽，径向振子远离中心孔的一端外凸构成卡块，所述卡块设置在卡槽内；所述卡块靠近中心孔的一端端面与卡槽之间也设置有弹簧二。

所述径向振子包括左径向振子和右径向振子，轴向振子包括左轴向振子和右轴向振子，弹簧一包括左弹簧一和右弹簧一；所述径向振子凹槽、设置在径向振子凹槽左侧的弹簧凹槽、设置在径向振子凹槽右侧的轴向振子凹槽、设置在径向振子凹槽内的左径向振子、设置在轴向振子凹槽内的左轴向振子、以及设置在弹簧凹槽内的左弹簧一构成左驱动结构；所述径向振子凹槽、设置在径向振子凹槽右侧的弹簧凹槽、设置在径向振子凹槽左侧的轴向振子凹槽、设置在径向振子凹槽内的右径向振子、设置在轴向振子凹槽内的右轴向振子、以及设置在弹簧凹槽内的右弹簧一构成右驱动结构；当电机只需单方向运行的功能时只设立左驱动结构或右驱动结构，当需要正反向运行的功能时则左右驱动结构都要设置，即左驱动结构和右驱动结构均至少为一个。

作为本发明的一种优选方式，所述左驱动结构为4个，且分为两组，每组的两个左驱动结构沿中心孔对称设置；所述右驱动结构为4个，且分为两组，每组的两个右驱动结构沿中心孔对称设置；本发明中的左驱动结构和右驱动结构的数目不限于此，也可根据实际需要另行选择。

所述径向振子凹槽远离中心孔的一端外凹构成卡槽，径向振子远离中心孔的一端外凸构成卡块，所述卡块设置在卡槽内；采用此种结构，使得径向振子在运动的过程中始终位于径向振子凹槽内；进一步的，所述卡块靠近中心孔的一端端面与卡槽之间也设置有弹簧二，从而在去除径向振子的电场后，径向振子在弹簧二的弹力作用下，能回到径向振子凹槽的顶端。

所述径向振子和轴向振子均通过电源线与外部电源相连，所述外部电源为电机的供电电源和控制电源；电源装置和控制装置按照预先的设定分别对电机各轴向振子和径向振子的通电的时间、矢量、频率以及逻辑顺序进行控制，从而控制电机的速度、推力、位移、运行方向；上述参数可预先设置且可根据使用要求随时修改。

所述定子壳体主要由定子壳体A和定子壳体B扣合在一起构成，便于安装和拆卸，本发明中的定子壳体不限于由两块壳体组装而成，也可根据实际情况另行设计。

所述中心孔的内壁上镶嵌有若干个滚珠，所述电机动子的外圆沿轴向设置有与滚珠位置相匹配的滑槽，电机动子通过滑槽和滚珠与电机定子形成滑动配合；由于采用了此种结构，从而减小了电机动子在中心孔内运动所受到的摩擦力。

上述电机动子和电机定子零部件的材质可以是金属材料也可以是非金属材料。

上述径向振子和轴向振子为现有超声波直线电机中的压电材料加工而成的压电零件，具有施加高频电场时往长度方向伸长，失去电场后恢复至自然状态的特性，由于压电材料属于现有成熟技术，在此不再赘述。

上述径向振子凹槽优先设计为垂直于中心孔的中轴线，由于电子动子与中心孔为同心设置，即径向振子凹槽优先设计为垂直于电子动子的中轴线，在实际使用中，根据需要可有小角度的倾角；所述轴向振子凹槽平行于电子动子的中轴线。

基于上述径轴向多振子超声波直线电机的工作方法，其特征在于，包括左驱动过程和右驱动过程，其中：

左驱动过程：电机初始状态下，向其左驱动结构中的左径向振子施加高频电场，左径向振子沿长度方向伸长，由于受径向振子凹槽的限制，左径向振子向电机动子方向伸长，左径向振子与电机动子之间形成紧配合；然后向位于左径向振子右侧的左轴向振子施加高频电场，左轴向振子沿长度方向伸长，由于受轴向振子凹槽的限制，左轴向振子向左径向振子方向伸长并施加压力，从而推动左径向振子，进而带动电机动子向左侧移动；驱动结束后，去除左径向振子和左轴向振子的高频电场，左径向振子和左轴向振子恢复常态，且在左弹簧一的作用下，移动到最右侧；

右驱动过程：当电机动子左移到极限位置后，向右驱动结构中的右径向振子施加高频电场，右径向振子沿长度方向伸长，由于受径向振子凹槽的限制，右径向振子向电机动子方向伸长，右径向振子与电机动子之间形成紧配合；然后向位于右径向振子左侧的右轴向振子施加高频电场，右轴向振子沿长度方向伸长，由于受轴向振子凹槽的限制，右轴向振子向右径向振子方向伸长并施加压力，从而推动右径向振子，进而带动电机动子向右侧移动；

重复上述左驱动过程和右驱动过程，电机动子即相对于电机定子进行连续的直线往返运动。

上述电机工作方法针对只有一个左驱动结构和一个右驱动结构的情况，在实际工作中常常根据需要设计多个左驱动结构和右驱动结构，其驱动原理均建立在上述方法的基础上，在此不再赘述。

综上所述，本发明的有益效果是：

（1）本发明相对于现有的超声波直线电机，在同等输入功率下具有更大的推力；

（2）本发明相对于现有的超声波直线电机，可以具有更高的运行速度；

（3）本发明相对于现有的超声波直线电机，具有更高的工作效率；

（4）本发明相对于现有的超声波直线电机，工作损耗小，使用寿命更长。

附图说明

图1为本发明的剖视图；

图2为图1中A向结构示意图；

图3为本发明在实施例1中剖视图。

附图中标记及相应的零部件名称：1—电机动子；2-1—左径向振子；2-2—右径向振子；3-1—左轴向振子；3-2—右轴向振子；4-1—左弹簧一；4-2—右弹簧一；7—电源线；8—定子壳体A；9—定子壳体B；10—滚珠；12—径向振子A；13—径向振子B；14—径向振子C；15—径向振子D；16—轴向振子A；17—轴向振子B；18—轴向振子C；19—轴向振子D；20—径向振子E；21—径向振子F；22—径向振子G；23—径向振子H；24—轴向振子E；25—轴向振子F；26—轴向振子G；27—轴向振子H；28—弹簧二。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

实施例：

如图1和2所示，本发明主要由设置有中心孔的电机定子、以及贯穿设置在中心孔内的电机动子1构成，所述电机定子主要由定子壳体、以及设置在定子壳体上的径向振子凹槽和轴向振子凹槽构成，所述定子壳体主要由定子壳体A8和定子壳体B9扣合在一起构成，所述径向振子凹槽和轴向振子凹槽分别沿中心孔呈径向设置和轴向设置；所述径向振子凹槽一端与中心孔相连通，且径向振子凹槽的左侧或右侧设置有与其相连通的弹簧凹槽；轴向振子凹槽位于径向振子凹槽的右侧或左侧，且与径向振子凹槽相连通；所述径向振子凹槽内设置有径向振子，轴向振子凹槽内设置有轴向振子，弹簧凹槽内设置有弹簧。

本发明中径向振子凹槽、设置在径向振子凹槽左侧的弹簧凹槽，以及设置在径向振子凹槽右侧的轴向振子凹槽构成左驱动结构，通过在其中设置左径向振子2-1、左轴向振子3-1和左弹簧一4-1，用于驱动电子动子向左运动；本发明中径向振子凹槽、设置在径向振子凹槽右侧的弹簧凹槽，以及设置在径向振子凹槽的轴向振子凹槽构成右驱动结构，通过在其中设置右径向振子2-2、右轴向振子3-2和右弹簧一4-2，用于驱动电子动子向右运动。当电机只需单方向运行的功能时只设立左驱动结构或右驱动结构，当需要正反向运行的功能时则左右驱动结构都要设置，即左驱动结构和右驱动结构均至少为一个。

径向振子凹槽远离中心孔的一端外凹构成卡槽，径向振子远离中心孔的一端外凸构成卡块，所述卡块设置在卡槽内，用于将径向振子固定在径向振子凹槽中，使其不会在运动的过程中从径向振子凹槽中脱离；卡块靠近中心孔的一端端面与卡槽之间也设置有弹簧二28，用于径向振子的复位；径向振子和轴向振子均通过电源线7与外部电源相连，用于向径向振子和轴向振子施加高磁电场；所述中心孔的内壁上镶嵌有若干个滚珠10，所述电机动子1的外圆沿轴向设置有与滚珠10位置相匹配的滑槽，从而减小了电机动子1在中心孔内运动所受到的摩擦力。

上述左驱动结构和右驱动结构数目可根据实际情况进行改变，且分别对称或不对称地分布于定子壳体上。现针对左驱动结构和右驱动结构均为4个，且各自分为两组，每组的两个左驱动结构或右驱动结构均沿中心孔对称设置的情况，进一步阐述本发明的工作原理及其过程；为了方便区分，如图3所示，将左驱动结构中的4个左径向振子分别命名为径向振子A12、径向振子B13、径向振子C14、径向振子D15，4个与左径向振子分别对应的左轴向振子A16、轴向振子B17、轴向振子C18、轴向振子D19；将右驱动结构中的4个右径向振子分别命名为径向振子E20、径向振子F21、径向振子G22、径向振子H23，4个与右径向振子分别对应的轴向振子E24、轴向振子F25、轴向振子G26、轴向振子H27。

① 电机初始状态下，给左驱动结构中的径向振子A12和径向振子B13施加高频电场，径向振子A12和径向振子B13沿长度方向伸长，由于受径向振子凹槽顶端位置的限制，径向振子A12和径向振子B13只能向动子轴心方向伸长，其结果是径向振子A12和径向振子B13接触电机动子1，并对电机动子1施加压力，径向振子A12和径向振子B13与电机动子1之间形成紧配合；

②给轴向振子A16和轴向振子B17施加高频电场，轴向振子A16和轴向振子B17沿长度方向伸长，由于受轴向振子凹槽右端的位置限制，，轴向振子A16和轴向振子B17只能向左侧方向伸长，其结果是，轴向振子A16和轴向振子B17推动径向振子A12和径向振子B13，进而带动电机动子1向左侧移动；

③ 给径向振子C14和径向振子D15施加高频电场，径向振子C14和径向振子D15沿长度方向伸长，由于受径向振子凹槽顶端位置的限制，径向振子C14和径向振子D15只能向电机动子1轴心方向伸长，其结果是径向振子C14和径向振子D15接触电机动子1，并对电机动子1施加压力，径向振子C14和径向振子D15与电机动子1之间形成紧配合；

④ 去除径向振子A12、径向振子B13、轴向振子A16和轴向振子B17的电场，径向振子A12、径向振子B13、轴向振子A16和轴向振子B17恢复至常态，并在弹簧的作用下，移动到最右侧；

⑤ 给轴向振子C18和轴向振子D19施加高频电场，轴向振子C18、轴向振子D19沿长度方向伸长，由于受轴向振子凹槽右端的位置限制，轴向振子C18和轴向振子D19只能向左侧方向伸长，其结果是轴向振子C18和轴向振子D19推动径向振子C14和径向振子D15，进而带动电机动子1向左侧移动；

⑥ 再次给径向振子A12和径向振子B13施加高频电场，使其向电机动子1轴心方向伸长，对电子动子1施加压力，与电子动子1之间形成紧配合；

⑦ 去除径向振子C14、径向振子D15、轴向振子C18和轴向振子D19的电场，径向振子C14、径向振子D15、轴向振子C18和轴向振子D19，并在弹簧的作用下，移动到最右侧。

重复以上步骤，电机动子1即相对于电机定子进行连续的直线运动，其运行方向是电机动子1向左侧运动。

按照上述原理，设置右驱动结构中的径向振子E20、径向振子F21、径向振子G22、径向振子H23、轴向振子E24、轴向振子F25、轴向振子G26、轴向振子H27的动作步骤，即可以实现电机动子1向右侧运动，其工作原理与左驱动结构相同，在此不再赘述。

径轴向多振子超声波直线电机的电源装置和控制装置分别给轴向振子和径向振子提供电源；电源装置和控制装置按照预先的设定分别对电机轴向振子和径向振子的通电的时间、矢量、频率以及逻辑顺序进行控制，从而控制电机的速度、推力、位移、运行方向；上述参数可预先设置且可根据使用要求随时修改。

本发明可通过改变轴向振子和径向振子以及相应部件的几何尺寸，从而改变电机的推力和速度。

如上所述，便可较好的实现本发明。

Claims (7)

1.径轴向多振子超声波直线电机，主要由设置有中心孔的电机定子、以及贯穿设置在中心孔内的电机动子（1）构成，其特征在于，所述电机定子主要由定子壳体、以及设置在定子壳体上的径向振子凹槽和轴向振子凹槽构成，所述径向振子凹槽和轴向振子凹槽分别沿中心孔呈径向设置和轴向设置；所述径向振子凹槽一端与中心孔相连通，且径向振子凹槽的左侧或右侧设置有与其相连通的弹簧凹槽；轴向振子凹槽位于径向振子凹槽的右侧或左侧，且与径向振子凹槽相连通；所述径向振子凹槽内设置有径向振子，轴向振子凹槽内设置有轴向振子，弹簧凹槽内设置有弹簧一；所述径向振子凹槽远离中心孔的一端外凹构成卡槽，径向振子远离中心孔的一端外凸构成卡块，所述卡块设置在卡槽内；所述卡块靠近中心孔的一端端面与卡槽之间也设置有弹簧二（28）；所述径向振子包括左径向振子（2-1）和右径向振子（2-2），轴向振子包括左轴向振子（3-1）和右轴向振子（3-2），弹簧一包括左弹簧一（4-1）和右弹簧一（4-2）；所述径向振子凹槽、设置在径向振子凹槽左侧的弹簧凹槽、设置在径向振子凹槽右侧的轴向振子凹槽、设置在径向振子凹槽内的左径向振子（2-1）、设置在轴向振子凹槽内的左轴向振子（3-1）、以及设置在弹簧凹槽内的左弹簧一（4-1）构成左驱动结构；所述径向振子凹槽、设置在径向振子凹槽右侧的弹簧凹槽、设置在径向振子凹槽左侧的轴向振子凹槽、设置在径向振子凹槽内的右径向振子（2-2）、设置在轴向振子凹槽内的右轴向振子（3-2）、以及设置在弹簧凹槽内的右弹簧一（4-2）构成右驱动结构；所述左驱动结构和右驱动结构均至少为一个。

2.根据权利要求1所述的径轴向多振子超声波直线电机，其特征在于，所述左驱动结构为4个，且分为两组，每组的两个左驱动结构沿中心孔对称设置。

3.根据权利要求1所述的径轴向多振子超声波直线电机，其特征在于，所述右驱动结构为4个，且分为两组，每组的两个右驱动结构沿中心孔对称设置。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的径轴向多振子超声波直线电机，其特征在于，所述径向振子和轴向振子均通过电源线（7）与外部电源相连。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的径轴向多振子超声波直线电机，其特征在于，所述定子壳体主要由定子壳体A（8）和定子壳体B（9）扣合在一起构成。

6.根据权利要求1～3中任一项所述的径轴向多振子超声波直线电机，其特征在于，所述中心孔的内壁上镶嵌有若干个滚珠（10），所述电机动子（1）的外圆沿轴向设置有与滚珠（10）位置相匹配的滑槽。

7.基于权利要求1-6所述任一项的径轴向多振子超声波直线电机的工作方法，其特征在于，包括左驱动过程和右驱动过程，其中：

左驱动过程：电机初始状态下，向其左驱动结构中的左径向振子（2-1）施加高频电场，左径向振子（2-1）沿长度方向伸长，由于受径向振子凹槽的限制，左径向振子（2-1）向电机动子（1）方向伸长，左径向振子（2-1）与电机动子（1）之间形成紧配合；然后向位于左径向振子（2-1）右侧的左轴向振子（3-1）施加高频电场，左轴向振子（3-1）沿长度方向伸长，由于受轴向振子凹槽的限制，左轴向振子（3-1）向左径向振子（2-1）方向伸长并施加压力，从而推动左径向振子（2-1），进而带动电机动子（1）向左侧移动；驱动结束后，去除左径向振子（2-1）和左轴向振子（3-1）的高频电场，左径向振子（2-1）和左轴向振子（3-1）恢复常态，且在左弹簧一（4-1）的作用下，移动到最右侧；

右驱动过程：当电机动子（1）左移到极限位置后，向右驱动结构中的右径向振子（2-2）施加高频电场，右径向振子（2-2）沿长度方向伸长，由于受径向振子凹槽的限制，右径向振子（2-2）向电机动子（1）方向伸长，右径向振子（2-2）与电机动子（1）之间形成紧配合；然后向位于右径向振子（2-2）左侧的右轴向振子（3-2）施加高频电场，右轴向振子（3-2）沿长度方向伸长，由于受轴向振子凹槽的限制，右轴向振子（3-2）向右径向振子（2-2）方向伸长并施加压力，从而推动右径向振子（2-2），进而带动电机动子（1）向右侧移动；

重复上述左驱动过程和右驱动过程，电机动子（1）即相对于电机定子进行连续的直线往返运动。

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