CN103595293B - 双环型压电超声电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双环型压电超声电机，其结构是在圆筒形的定子支座中装有定子，在所述定子支座的两侧端口上分别扣接有轴承支座，在两个所述轴承支座的芯孔中分别装有轴承，转子的两端支撑连接在两个所述轴承上；所述定子包括外圆环、内圆环以及三条径向辐板，该三条径向辐板设置在同心的外圆环与内圆环之间并沿圆周均布；所述转子穿接在所述定子的内圆环中，在所述定子内圆环的内圆面上设有拨动转子用的矩形齿；在所述定子的两个端面上分别粘贴有圆环形的压电陶瓷片，所述压电陶瓷片贴附在所述定子的外圆环上。本发明利用定子外圆环的径向伸缩变形，可使电机定子的面内振动模态容易激发，压电陶瓷片的极化不需分区，采用整体极化的方式即可工作，使制作成本降低，电机效率提高。

Description

双环型压电超声电机

技术领域

本发明涉及一种压电超声电机，具体地说是一种双环型压电超声电机。

背景技术

压电超声电机是一种不同于传统电磁电机的新型电机。该种电机利用压电陶瓷的逆压电效应，通过高频电压激发定子的超声振动，利用定子的振动位移，驱动与之接触的转子中的。压电超声电机具有不受磁干扰、结构形式多样化等优点，在医学检测仪器、微小型机器人等领域有很好的应用前景。目前已有的压电超声电机分为行波型和驻波型两类。行波型电机通过两相电压分别激发两个同阶的弯曲模态，这两个同阶弯曲模态合成行波以推动转子转动。驻波型电机通常是利用两种不同振动模态下定子的位移驱动转子。

ZL01127037.3号专利公开一种“薄型行波超声电机”，该电机依靠粘接在环形定子上的压电陶瓷片激发定子的两个面内振动模态，两个面内振动模态叠加成行波，推动转子转动。该电机虽然具有薄型化的优点，但电机定子的面内振动模态不易激发，导致压电陶瓷片的极化分区十分复杂。

发明内容

本发明的目的就是提供一种双环型压电超声电机，以解决现有压电超声电机存在的定子面内振动模态不易激发和压电陶瓷片极化分区复杂的问题。

本发明是这样实现的：一种双环型压电超声电机，在圆筒形的定子支座中装有定子，在所述定子支座的两侧端口上分别扣接有轴承支座，在两个所述轴承支座的芯孔中分别装有轴承，转子的两端支撑连接在两个所述轴承上；所述定子包括外圆环、内圆环以及三条径向辐板，该三条径向辐板设置在同心的外圆环与内圆环之间并沿圆周均布；所述转子穿接在所述定子的内圆环中，在所述定子内圆环的内圆面上设有拨动转子用的矩形齿；在所述定子的两个端面上分别粘贴有圆环形的压电陶瓷片，所述压电陶瓷片贴附在所述定子的外圆环上。

所述定子与所述定子支座通过螺纹连接，所述螺纹为细牙螺纹，以保证定子的位置精确。

所述压电陶瓷片采用不分区整体极化的方式工作。

在每个所述辐板对面、正对所述辐板的一个矩形齿位于所对的所述辐板中心对称线的一侧。

本发明电机定子采用同心的双圆环形式，内、外圆环之间通过120°等角度分布的三条径向辐板相连接，电机的转子与定子内环的内圆周面相接触。压电陶瓷片粘接在定子的外圆环的表面，通过压电陶瓷片在定子外圆环表面的激励，实现定子内环的复合变形，利用特定模态下定子内环的复合变形，推动电机转子的转动。

相比于已有的压电超声电机，本发明利用特殊模态下定子外圆环产生单一径向伸缩变形，而定子内圆环产生扭转、弯曲、径向伸缩复合变形的特点，利用粘接于定子外圆环的压电陶瓷片，激发出外圆环的径向伸缩变形，通过辐板的动力传递，激发定子内圆环的复合变形。这样只要使定子外圆环产生径向伸缩变形，即可实现转子的旋转运动，使电机可以单向驱动。因为只利用定子外圆环的径向伸缩变形，由此使得本发明电机定子的面内振动模态容易激发，压电陶瓷片的极化不需分区，采用整体极化的方式即可工作，这样就可使压电陶瓷片的制作工艺简单，成本降低，并且也使电机效率得以提高。

本发明适用于微小型机电装置的驱动与控制。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是定子的结构示意图。

图3是图2所示定子的A-A向剖视图。

图4、图5是定子振动模态的振型图。

图中：1、定子，2、转子，3、轴承支座，4、压电陶瓷片，5、轴承，6、端盖，7、外圆环，8、内圆环，9、辐板，10、矩形齿，11、定子支座。

具体实施方式

如图1所示，在圆筒形的定子支座11中装有定子1，定子1的外圆面与定子支座11的内圆面通过螺纹连接，该螺纹为细牙螺纹，以保证定子的安装和位置的精确。在定子支座11的两侧端口上分别封接固定有圆盖式的轴承支座3，可封闭端口并防止定子1的左右移动。在两个轴承支座3的芯孔中分别装有轴承5，转子2为阶梯轴，穿过定子1的内圈，转子2两端支撑连接在两个轴承5上。转子2的右端伸出，以输出动力。在两个轴承5的外端分别封接有端盖6。在定子1的两个端面上分别粘贴有圆环形的压电陶瓷片4，压电陶瓷片4不分极化区，而是采用整体极化的方式工作。

如图1—图3所示，定子1包括外圆环7、内圆环8以及三条径向辐板9，该三条径向辐板9设置在外圆环7与内圆环8之间，外圆环7与内圆环8同心设置，三条辐板9间的夹角为120°。压电陶瓷片4是贴附在定子1的外圆环7的两侧端面上的。转子2穿接在定子1的内圆环中，在定子内圆环7的内圆面上设有一圈均布的矩形齿（图2中简略绘制），用以拨动转子2。矩形齿在定子内圆环7上的排布方式是：在每个辐板9对面、正对该辐板的一个矩形齿10正好位于所对的辐板的中心对称线的左侧。其作用就可以形成一种对转子2的偏心扭力矩，从而可以更好地驱动转子旋转。

本实施例中，定子1采用厚度为6㎜的同心双圆环形金属板，外圆环7的内、外径分别为Φ45㎜及Φ35㎜；内圆环8的内、外径分别为Φ24㎜及Φ30㎜，在内圆环8的内圈均匀设置齿高为1.0㎜的矩形齿10（可通过在内圆面间隔开槽的方式形成矩形齿）。连接内、外圆环的三条径向幅板9的宽度均为4㎜。此电机定子1通过外圆周面上的细牙螺纹与定子支座11连接。两片压电陶瓷片4通过强力胶分别与定子外圆环7的左右端面粘接在一起，压电陶瓷片4的内、外径分别为Φ35㎜及Φ44㎜，厚为0.5㎜。压电陶瓷片4采用不分区整体极化的方式工作。为防止定子松动，可在定子外圆环7的右端面与右侧的轴承支座3之间安装蝶型弹簧。转子2为一阶梯轴形零件，穿接于定子1的内圆环8中。转子2与定子内圆面配合部分的公称直径亦为Φ24㎜，动力输出端的直径为Φ12㎜，轴上设置键槽，可向外输出转矩。

电机旋转工作时，给压电陶瓷片4输入频率等于电机旋转频率的正弦交变电压，则压电陶瓷片4激发定子外圆环7产生径向伸缩，三条径向辐板9产生弯曲变形，而定子1的内圆环8则产生面内的弯曲变形。利用有限元分析软件计算得到如图4和图5所示的定子振动模态的振型图。利用上述变形时定子内圆面上的矩形齿10的切向摆动与法向摆动，即可推动转子2旋转。

本发明的具体工作机理如下：

定子1的振动周期为T，当时间t = 0时， 定子内圆面上的所有矩形齿10均处于各自的平衡位置。

在0 < t < T/4的时段，由于径向位移，靠近三个波峰处的矩形齿10与转子2接触（三个矩形齿的位置见图2），与此同时，上述三个矩形齿产生逆时针方向的切向位移，所以可以推动转子2顺时针转动。

当t = T/4时，所有矩形齿10至各自的最大位移处。

在T/4 < t < T/2的时间段内，上述三个矩形齿与转子脱离接触，同时沿切向顺时针摆转，所以不能推动转子。

当t = T/2时，所有矩形齿10回到各自的平衡位置。

在T/2 < t < 3T/4的时段内，上述三个矩形齿的径向位移使其脱离与转子的接触，因此不能推动转子。

当t = 3T/4时，所有矩形齿10至各自的反向最大位移处。

在T/2 < t < 3T/4的时段内，上述三个矩形齿的径向位移指向圆心，但未与转子接触，不能推动转子。

当t = T时，所有矩形齿10回到各自的平衡位置。

因此在一个周期内，上述三个矩形齿有四分之一周期推动转子，使电机持续工作。

Claims (4)

1.一种双环型压电超声电机，其特征是，在圆筒形的定子支座中装有定子，在所述定子支座的两侧端口上分别扣接有轴承支座，在两个所述轴承支座的芯孔中分别装有轴承，转子的两端支撑连接在两个所述轴承上；所述定子包括外圆环、内圆环以及三条径向辐板，该三条径向辐板设置在同心的外圆环与内圆环之间并沿圆周均布；所述转子穿接在所述定子的内圆环中，在所述定子内圆环的内圆面上设有拨动转子用的矩形齿；在所述定子的两个端面上分别粘贴有圆环形的压电陶瓷片，所述压电陶瓷片贴附在所述定子的外圆环上。

2.根据权利要求1所述的双环型压电超声电机，其特征是，所述定子与所述定子支座通过螺纹连接，所述螺纹为细牙螺纹。

3.根据权利要求1所述的双环型压电超声电机，其特征是，所述压电陶瓷片采用不分区整体极化的方式工作。

4.根据权利要求1所述的双环型压电超声电机，其特征是，在每个所述辐板对面、正对所述辐板的一个矩形齿位于所对的所述辐板中心对称线的一侧。