CN102355161B - 使用复合弯振双足直线超声振子的旋转电机 - Google Patents

Abstract

使用复合弯振双足直线超声振子的旋转电机，属于压电超声电机技术领域。它解决了现有贴片式旋转型压电超声电机存在耦合效率低、机械输出能力难于提高的问题。本发明包括n个振子、转子组件、基座、n个板簧、n个预压螺钉和4n个挡板，n为正整数，基座的中心具有中心通孔并设置有轴承座，转子组件设置于中心通孔内，该基座上沿轴承座外圆周方向均匀分布n个矩形截面槽，每个矩形截面槽内设置一个振子；每个矩形截面槽内还设置有一个板簧，板簧的两端分别与位于该矩形截面槽内的振子两个安装座固定连接。本发明为一种可实现大力矩输出的旋转电机。

Description

使用复合弯振双足直线超声振子的旋转电机

技术领域

本发明涉及一种使用复合弯振双足直线超声振子的旋转电机，属于压电超声电机技术领域。

背景技术

压电超声电机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，压电超声电机具有低速大转矩、无需变速机构、无电磁干扰、响应速度快和断电自锁等优点。

出于激励原理的简单性和理论分析方法的简便性，目前旋转型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，该压电陶瓷片工作在d₃₁模式，d₃₁振动模式是陶瓷片沿长度方向伸缩振动的模式，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，该类超声电机存在耦合效率低、机械输出能力难于提高等缺点。

发明内容

本发明的目的是解决现有贴片式旋转型压电超声电机存在耦合效率低、机械输出能力难于提高的问题，提供一种使用复合弯振双足直线超声振子的旋转电机。

本发明所述使用复合弯振双足直线超声振子的旋转电机，它包括n个振子、转子组件、基座、n个板簧、n个预压螺钉和4n个挡板，n为正整数，

所述基座的中心具有中心通孔并设置有轴承座，转子组件设置于中心通孔内，该基座上沿轴承座外圆周方向均匀分布n个矩形截面槽，每个矩形截面槽内设置一个振子；

转子组件由转子轴、两个盘形转子、两个联接键、两个转子锁紧螺母、两个轴承端盖、两个轴承和轴承预紧螺母组成，

转子轴穿过所述中心通孔并通过两个轴承与轴承座转动联接，两个轴承端盖分别与轴承座的上下两个端面固定连接实现对两个轴承的外环预紧，轴承的内环通过旋合在转子轴上的轴承预紧螺母实现预紧，

两个盘形转子对称套在转子轴的两端，每个盘形转子通过一个联接键和一个转子锁紧螺母与转子轴固定连接，

每个振子的中部通过两个安装座和四个挡板与基座配合实现对该振子的定位，所述两个安装座分别位于该振子沿基座圆周方向的两侧，且均位于矩形截面槽内，每个安装座侧面的上、下两端分别与一个挡板的侧面配合实现定位，挡板与基座固定连接；

每个矩形截面槽内还设置有一个板簧，该板簧位于振子与基座的外侧壁之间，该侧壁的中间嵌入有一个预压螺钉，该预压螺钉与基座螺纹啮合连接，该预压螺钉的螺帽位于基座外侧，该预压螺钉的另一端压在板簧的中间，该板簧的两端分别与位于该矩形截面槽内的振子两个安装座固定连接，该振子的两个驱动足与两个盘形转子的外环表面相接触。

所述振子包括两个端盖、八片弯振压电陶瓷片、法兰、两个薄壁梁、两个绝缘套、八个电极片和两个摩擦片，

两个薄壁梁对称设置在法兰的两侧中间，每个薄壁梁的一端与法兰侧壁固定连接，该薄壁梁的另一端与一个安装座固定连接，

法兰的两个端面分别居中设置一个螺柱，每个螺柱上均套有四片弯振压电陶瓷片，螺柱与四片弯振压电陶瓷片的套接面之间设置有绝缘套，在法兰的端面与弯振压电陶瓷片之间、及相邻的弯振压电陶瓷片之间均固定有电极片；

所述端盖是截面为方形或者圆形并由首端面至末端面逐渐变细的块体，端盖的首端面的中心有一个带内螺纹的盲孔，两个端盖分别通过其盲孔旋合于两个螺柱的端部，从而将弯振压电陶瓷片压紧在端盖和相应的法兰端面之间，

每个端盖的末端面上设置一个驱动足，驱动足为截面和端盖的末端面相同的块体，所述截面为平行于端盖的末端面的平面，每个驱动足的一个侧面上设置有矩形槽，该矩形槽内固定摩擦片，驱动足通过摩擦片与盘形转子的外环表面相接触；

所述弯振压电陶瓷片均沿厚度方向极化，将两个端盖之间的八片弯振压电陶瓷片从一个端盖到另一个端盖依次顺序排号，则有：

第一片和第二片弯振压电陶瓷片极化方向相反、第二片和第七片弯振压电陶瓷片极化方向相同、第七片和第八片弯振压电陶瓷片极化方向相反、第三片和第四片弯振压电陶瓷片极化方向相反、第四片和第五片弯振压电陶瓷片极化方向相同、第五片和第六片弯振压电陶瓷片极化方向相反；

每片弯振压电陶瓷片由对称切分的两个半片压电陶瓷片组成，该两个半片压电陶瓷片极化方向相反，第一、二、七、八片弯振压电陶瓷片的切分线共面，第三、四、五、六片弯振压电陶瓷片的切分线共面，分别共面的两种切分线相互垂直。

本发明的优点是：本发明在实际使用中，可根据实际的驱动要求灵活设置电机中所采用的振子个数。压电陶瓷元件采用夹心结构，并采用压电陶瓷高机电耦合效率的d₃₃模式工作，可以有效提高振子机电耦合效率、改善机械输出能力。振子的端盖采用变截面设计起到振动能量的聚敛作用，可提高振子驱动足表面质点的振幅和振速，使得电机性能得到提高；薄壁梁可以实现弹性支撑和振动隔离，将安装座与其它构件的联接对振子的弯曲振动模态的影响程度降到最低。

本发明具有结构简单、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。

本发明在使用中，从振子的任意一侧端盖的方向起，第二、四、五、七个电极片与驱动电源的公共端连接，第一、八个电极片和驱动电源的一相驱动信号连接，第三、六个电极片与驱动电源的另外一相驱动信号连接。

所述弯振压电陶瓷片采用幅值相等、频率为振子二阶弯振特征频率、相位差为+90°的两相交流电压信号激励，利用弯振压电陶瓷片的伸缩振动在振子中激励出两个同型正交的二阶弯曲振动模态，两个弯曲振动模态叠加在两个驱动足表面质点产生同向的椭圆运动轨迹，进而通过驱动足和盘形转子之间的摩擦耦合实现转子的直线运动输出。如果调整两相激励信号的相位差为-90°，可以实现反向驱动。

附图说明

图1为本发明所述旋转电机的剖视图，具体为采用四个振子的情况；

图2为图1所示旋转电机去除外罩及转子组件的俯视图；

图3为图1所示旋转电机去除外罩的立体结构示意图；

图4为振子的剖视图；

图5为振子的立体图；

图6为图1中顺序放置的八片弯振压电陶瓷片的极化方向示意图；

图7为图4所示振子的第一种基本弯曲振动模态振型示意图；

图8为图4所示振子的第一种基本弯曲振动模态振型示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述的使用复合弯振双足直线超声振子的旋转电机，它包括n个振子1、转子组件2、基座3、n个板簧4、n个预压螺钉5和4n个挡板6，n为正整数，

所述基座3的中心具有中心通孔并设置有轴承座3-1，转子组件2设置于中心通孔内，该基座3上沿轴承座3-1外圆周方向均匀分布n个矩形截面槽3-2，每个矩形截面槽3-2内设置一个振子1；

转子组件2由转子轴2-1、两个盘形转子2-2、两个联接键2-3、两个转子锁紧螺母2-4、两个轴承端盖2-5、两个轴承2-6和轴承预紧螺母2-7组成，

转子轴2-1穿过所述中心通孔并通过两个轴承2-6与轴承座3-1转动联接，两个轴承端盖2-5分别与轴承座3-1的上下两个端面固定连接实现对两个轴承2-6的外环预紧，轴承2-6的内环通过旋合在转子轴2-1上的轴承预紧螺母2-7实现预紧，

两个盘形转子2-2对称套在转子轴2-1的两端，每个盘形转子2-2通过一个联接键2-3和一个转子锁紧螺母2-4与转子轴2-1固定连接，

每个振子1的中部通过两个安装座1-5和四个挡板6与基座3配合实现对该振子1的定位，所述两个安装座1-5分别位于该振子1沿基座3圆周方向的两侧，且均位于矩形截面槽3-2内，每个安装座1-5侧面的上、下两端分别与一个挡板6的侧面配合实现定位，挡板6与基座3固定连接；

每个矩形截面槽3-2内还设置有一个板簧4，该板簧4位于振子1与基座3的外侧壁之间，该侧壁的中间嵌入有一个预压螺钉5，该预压螺钉5与基座3螺纹啮合连接，该预压螺钉5的螺帽位于基座3外侧，该预压螺钉5的另一端压在板簧4的中间，该板簧4的两端分别与位于该矩形截面槽3-2内的振子1两个安装座1-5固定连接，该振子1的两个驱动足1-1-1与两个盘形转子2-2的外环表面相接触。

本实施方式中，挡板6与安装座1-5的配合可实现对振子1的定位，以保证振子1只能沿盘形转子2-2的径向运动。预压螺钉5与板簧4的配合可实现驱动足1-1-1与盘形转子2-2之间预压力的施加。

具体实施方式二：下面结合图4、图5和图6说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，本实施方式所述振子1包括两个端盖1-1、八片弯振压电陶瓷片1-2、法兰1-3、两个薄壁梁1-4、两个绝缘套1-6、八个电极片1-7和两个摩擦片1-8，

两个薄壁梁1-4对称设置在法兰1-3的两侧中间，每个薄壁梁1-4的一端与法兰1-3侧壁固定连接，该薄壁梁1-4的另一端与一个安装座1-5固定连接，

法兰1-3的两个端面分别居中设置一个螺柱1-3-1，每个螺柱1-3-1上均套有四片弯振压电陶瓷片1-2，螺柱1-3-1与四片弯振压电陶瓷片1-2的套接面之间设置有绝缘套1-6，在法兰1-3的端面与弯振压电陶瓷片1-2之间、及相邻的弯振压电陶瓷片1-2之间均固定有电极片1-7；

所述端盖1-1是截面为方形或者圆形并由首端面至末端面逐渐变细的块体，端盖1-1的首端面的中心有一个带内螺纹的盲孔，两个端盖1-1分别通过其盲孔旋合于两个螺柱1-3-1的端部，从而将弯振压电陶瓷片1-2压紧在端盖1-1和相应的法兰1-3端面之间，

每个端盖1-1的末端面上设置一个驱动足1-1-1，驱动足1-1-1为截面和端盖1-1的末端面相同的块体，所述截面为平行于端盖1-1的末端面的平面，每个驱动足1-1-1的一个侧面上设置有矩形槽，该矩形槽内固定摩擦片1-8，驱动足1-1-1通过摩擦片1-8与盘形转子2-2的外环表面相接触；

所述弯振压电陶瓷片1-2均沿厚度方向极化，将两个端盖1-1之间的八片弯振压电陶瓷片1-2从一个端盖1-1到另一个端盖1-1依次顺序排号，则有：

第一片和第二片弯振压电陶瓷片1-2极化方向相反、第二片和第七片弯振压电陶瓷片1-2极化方向相同、第七片和第八片弯振压电陶瓷片1-2极化方向相反、第三片和第四片弯振压电陶瓷片1-2极化方向相反、第四片和第五片弯振压电陶瓷片1-2极化方向相同、第五片和第六片弯振压电陶瓷片1-2极化方向相反；

每片弯振压电陶瓷片1-2由对称切分的两个半片压电陶瓷片1-2-1组成，该两个半片压电陶瓷片1-2-1极化方向相反，第一、二、七、八片弯振压电陶瓷片1-2的切分线共面，第三、四、五、六片弯振压电陶瓷片1-2的切分线共面，分别共面的两种切分线相互垂直。

具体实施方式三：下面结合图4、图5和图6说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，本实施方式所述旋转电机还包括两个外罩7，

所述两个外罩7对称罩于基座3的上表面和下表面，每个外罩7的中心有转子轴2-1的端部穿出。

所述外罩7用于实现对旋转电机的封装和保护。

具体实施方式四：本实施方式为对实施方式一、二或三的进一步说明，所述弯振压电陶瓷片1-2的横截面为方形或者圆形。

具体实施方式五：本实施方式为对实施方式一、二、三或四的进一步说明，所述驱动足1-1-1与端盖1-1为一体件。

具体实施方式六：本实施方式为对实施方式一、二、三、四或五的进一步说明，所述法兰1-3、螺柱1-3-1、薄壁梁1-4和安装座1-5为一体件。

本实施方式中所述薄壁梁1-4可以实现实现弹性支撑和振动隔离的效果，能够将振子1与其它构件的联接造成的对振子1的弯曲振动模态的影响程度降到最低。

具体实施方式七：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一、二、三、四、五或六的进一步说明，所述两个盘形转子2-2的两个相对的表面上分别设置一个环形槽2-2-1，所述环形槽2-2-1靠近所在盘形转子2-2表面的外环。

本实施方式所述的环形槽2-2-1能够保证在驱动足1-1-1与盘形转子2-2之间施加预压力后，使驱动足1-1-1与盘形转子2-2外环表面保持良好接触。

Claims (7)

1.一种使用复合弯振双足直线超声振子的旋转电机，其特征在于：它包括n个振子（1）、转子组件（2）、基座（3）、n个板簧（4）、n个预压螺钉（5）和4n个挡板（6），n为正整数，

所述基座（3）的中心具有中心通孔并设置有轴承座（3-1），转子组件（2）设置于中心通孔内，该基座（3）上沿轴承座（3-1）外圆周方向均匀分布n个矩形截面槽（3-2），每个矩形截面槽（3-2）内设置一个振子（1）；

转子组件（2）由转子轴（2-1）、两个盘形转子（2-2）、两个联接键（2-3）、两个转子锁紧螺母（2-4）、两个轴承端盖（2-5）、两个轴承（2-6）和轴承预紧螺母（2-7）组成，

转子轴（2-1）穿过所述中心通孔并通过两个轴承（2-6）与轴承座（3-1）转动联接，两个轴承端盖（2-5）分别与轴承座（3-1）的上下两个端面固定连接实现对两个轴承（2-6）的外环预紧，轴承（2-6）的内环通过旋合在转子轴（2-1）上的轴承预紧螺母（2-7）实现预紧，

两个盘形转子（2-2）对称套在转子轴（2-1）的两端，每个盘形转子（2-2）通过一个联接键（2-3）和一个转子锁紧螺母（2-4）与转子轴（2-1）固定连接，

每个振子（1）的中部通过两个安装座（1-5）和四个挡板（6）与基座（3）配合实现对该振子（1）的定位，所述两个安装座（1-5）分别位于该振子（1）沿基座（3）圆周方向的两侧，且均位于矩形截面槽（3-2）内，每个安装座（1-5）侧面的上、下两端分别与一个挡板（6）的侧面配合实现定位，挡板（6）与基座（3）固定连接；

每个矩形截面槽（3-2）内还设置有一个板簧（4），该板簧（4）位于振子（1）与基座（3）的外侧壁之间，该侧壁的中间嵌入有一个预压螺钉（5），该预压螺钉（5）与基座（3）螺纹啮合连接，该预压螺钉（5）的螺帽位于基座（3）外侧，该预压螺钉（5）的另一端压在板簧（4）的中间，该板簧（4）的两端分别与位于该矩形截面槽（3-2）内的振子（1）两个安装座（1-5）固定连接，该振子（1）的两个驱动足（1-1-1）与两个盘形转子（2-2）的外环表面相接触。

2.根据权利要求1所述的使用复合弯振双足直线超声振子的旋转电机，其特征在于：所述振子（1）包括两个端盖（1-1）、八片弯振压电陶瓷片（1-2）、法兰（1-3）、两个薄壁梁（1-4）、两个绝缘套（1-6）、八个电极片（1-7）和两个摩擦片（1-8），

两个薄壁梁（1-4）对称设置在法兰（1-3）的两侧中间，每个薄壁梁（1-4）的一端与法兰（1-3）侧壁固定连接，该薄壁梁（1-4）的另一端与一个安装座（1-5）固定连接，

法兰（1-3）的两个端面分别居中设置一个螺柱（1-3-1），每个螺柱（1-3-1）上均套有四片弯振压电陶瓷片（1-2），螺柱（1-3-1）与四片弯振压电陶瓷片（1-2）的套接面之间设置有绝缘套（1-6），在法兰（1-3）的端面与弯振压电陶瓷片（1-2）之间、及相邻的弯振压电陶瓷片（1-2）之间均固定有电极片（1-7）；

所述端盖（1-1）是截面为方形或者圆形并由首端面至末端面逐渐变细的块体，端盖（1-1）的首端面的中心有一个带内螺纹的盲孔，两个端盖（1-1）分别通过其盲孔旋合于两个螺柱（1-3-1）的端部，从而将弯振压电陶瓷片（1-2）压紧在端盖（1-1）和相应的法兰（1-3）端面之间，

每个端盖（1-1）的末端面上设置一个驱动足（1-1-1），驱动足（1-1-1）为截面和端盖（1-1）的末端面相同的块体，所述截面为平行于端盖（1-1）的末端面的平面，每个驱动足（1-1-1）的一个侧面上设置有矩形槽，该矩形槽内固定摩擦片（1-8），驱动足（1-1-1）通过摩擦片（1-8）与盘形转子（2-2）的外环表面相接触；

所述弯振压电陶瓷片（1-2）均沿厚度方向极化，将两个端盖（1-1）之间的八片弯振压电陶瓷片（1-2）从一个端盖（1-1）到另一个端盖（1-1）依次顺序排号，则有：

第一片和第二片弯振压电陶瓷片（1-2）极化方向相反、第二片和第七片弯振压电陶瓷片（1-2）极化方向相同、第七片和第八片弯振压电陶瓷片（1-2）极化方向相反、第三片和第四片弯振压电陶瓷片（1-2）极化方向相反、第四片和第五片弯振压电陶瓷片（1-2）极化方向相同、第五片和第六片弯振压电陶瓷片（1-2）极化方向相反；

每片弯振压电陶瓷片（1-2）由对称切分的两个半片压电陶瓷片（1-2-1）组成，该两个半片压电陶瓷片（1-2-1）极化方向相反，第一、二、七、八片弯振压电陶瓷片（1-2）的切分线共面，第三、四、五、六片弯振压电陶瓷片（1-2）的切分线共面，分别共面的两种切分线相互垂直。

3.根据权利要求1或2所述的使用复合弯振双足直线超声振子的旋转电机，其特征在于：所述旋转电机还包括两个外罩（7），

所述两个外罩（7）对称罩于基座（3）的上表面和下表面，每个外罩（7）的中心有转子轴（2-1）的端部穿出。

4.根据权利要求2所述的使用复合弯振双足直线超声振子的旋转电机，其特征在于：所述弯振压电陶瓷片（1-2）的横截面为方形或者圆形。

5.根据权利要求1或2所述的使用复合弯振双足直线超声振子的旋转电机，其特征在于：所述驱动足（1-1-1）与端盖（1-1）为一体件。

6.根据权利要求2所述的使用复合弯振双足直线超声振子的旋转电机，其特征在于：所述法兰（1-3）、螺柱（1-3-1）、薄壁梁（1-4）和安装座（1-5）为一体件。

7.根据权利要求1或2所述的使用复合弯振双足直线超声振子的旋转电机，其特征在于：所述两个盘形转子（2-2）的两个相对的表面上分别设置一个环形槽（2-2-1），所述环形槽（2-2-1）靠近所在盘形转子（2-2）表面的外环。

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