CN104124893A - 开槽式纵扭复合型超声电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种开槽式纵扭复合型超声电机，所述开槽式纵扭复合型超声电机包括由定子、转子和预压力机构组成，预压力机构包括弹簧、卡箍和轴承，定子包括压电陶瓷片和定子基体，压电陶瓷片的上下两端设有定子驱动端，转子通过弹簧压紧在定子驱动端上并通过卡箍锁紧，轴承穿过转子和定子，压电陶瓷片粘贴在定子基体的外表面上，压电陶瓷片在定子驱动端的质点上激励出纵扭的复合振动，使得定子端面的质点运动轨迹为椭圆，定子通过摩擦驱动转子旋转。本发明提高扭转振幅，能精确调节纵扭振幅的比例关系。

Description

开槽式纵扭复合型超声电机

技术领域

本发明涉及一种电机，具体地，涉及一种开槽式纵扭复合型超声电机。

背景技术

超声电机(也可称为“超声波电机”，英文名是“Ultrasonic Motor”)是一种压电电机，其利用压电材料的逆压电效应，把电能转化为超声电机定子的振动能，再通过摩擦作用把振动能转化为运动部件的旋转或者直线运动。与传统电磁电机相比，超声电机具有许多特点和优点，比如：一、结构紧凑，能量密度(转矩/质量)大，易于微型化。二、低速大力矩，无需齿轮减速机构，可以实现直接驱动。三、电机响应速度快，并且能实现断电自锁。四、位置和速度控制性好，位移分辨率高。五、超声电机是通过振动摩擦进行能量转换的，在转换过程中不产生磁场，亦不受外界磁场干扰，抗电磁干扰能力强。六、安静无噪声。超声电机工作在超声频段，由于不需要齿轮等减速机构，所以可以安静无噪声的运行。七、设计灵活，结构形式多样化。

超声电机具有重量轻、结构紧凑、驱动电压低等特点，使其特别适合用于设备和机构的直接驱动，而不需要减速机构。

纵扭复合型超声电机是超声电机的一种重要类型，它利用了定子的纵向振动和扭转振动的复合使定子驱动端面的质点产生椭圆运动轨迹，再通过定子和转子之间的摩擦作用驱动转子转动。与相同直径的行波型超声电机相比，纵扭复合型超声电机能提供较大的扭矩，并且定子驱动端面质点的法向和切向振动可分别由纵扭振压电元件独立激励，可以通过改变纵扭振输入电压的大小，实现方便地控制电机的机械输出特性。纵扭型超声电机基本上可以分为两大类，纵扭模态复合型和模态转换型。

通常，纵扭型超声电机的定子为细长轴型，电机采用两组压电陶瓷片，在定子上激励出一阶的纵向振动和二阶的扭转振动。设计时，将定子的一阶纵向振动模态频率和二阶扭转振动模态频率设计为相同，电机的工作模态为一阶纵向振动模态和二阶扭转振动模态的复合振动模态。工作时，两相激励信号的频率相同，且为定子的复合振动频率。有些纵扭电机将纵振压电陶瓷片和扭振压电陶瓷片分别装在定子、转子上，其工作效果类似，无本质区别。

纵振陶瓷片比较简单，为上下方向(轴向)极化，上下方向加电场的圆片；扭振陶瓷片要相对复杂很多，由八个扇形体小片粘接而成，利用压电陶瓷的d15逆压电效应，在陶瓷片上产生一个扭转角。

扭转型压电陶瓷片由于结构过于复杂，加工成本高，容易失效且不容易微型化等缺点，严重影响了纵扭电机的普及。为了解决这些问题，人们提出了模态转换型纵扭超声电机。Yukiyasu Kato在美国专利(美国专利号为US6469419B2)中提出的斜槽式模态转换式样纵扭超声电机，定子上的斜槽起到将纵向振动转化为扭转振动的作用。另外，Akio Kumada还提出了一种斜梁模态转化型的纵扭电机(美国专利号为US4642509)，其同样采用纵振压电陶瓷片激励出定子的纵向振动，靠斜梁转化为扭转振动。但这两种电机都存在旋转方向不可调，且力矩速度调节困难等问题。

微型化也是超声电机的一个发展趋势，减少压电陶瓷的加工制作困难，简化电机结构并在狭小的空间里获得大力矩是一个迫切需要解决的难题。

贴片式微电机是超声电机的一个重要发展方向，其定子由定子基体和若干压电陶瓷片粘结而成，因此加工工艺简单，易于检测。申请人曾提出利用纵扭压电陶瓷片构造超声电机的方法(中国发明专利，申请号：201210496699.6)，初步提出了贴片式纵扭超声电机的构造理论和方法，但该贴片式微电机存在扭转振幅偏小、纵扭振幅不易调节等问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种开槽式纵扭复合型超声电机，其提高扭转振幅，能精确调节纵扭振幅的比例关系。

根据本发明的一个方面，提供一种开槽式纵扭复合型超声电机，其特征在于，所述开槽式纵扭复合型超声电机包括由定子、转子和预压力机构组成，预压力机构包括弹簧、卡箍和轴承，定子包括压电陶瓷片和定子基体，压电陶瓷片的上下两端设有定子驱动端，转子通过弹簧压紧在定子驱动端上并通过卡箍锁紧，轴承穿过转子和定子，压电陶瓷片粘贴在定子基体的外表面上，压电陶瓷片在定子驱动端的质点上激励出纵扭的复合振动，使得定子端面的质点运动轨迹为椭圆，定子通过摩擦驱动转子旋转。

优选地，所述定子基体的材料是黄铜或磷青铜，压电陶瓷片的材料是压电陶瓷材料或是压电单晶材料。

优选地，所述定子的形状为圆筒形。

优选地，所述定子的中部沿轴向在二阶扭振模态的两节点之间有N个纵向开槽，同时在每个纵向开槽的两端对称的开有横向开槽，N为大于或等于3的正整数。

优选地，所述横向开槽的开槽弧度大于纵向开槽的开槽弧度。

优选地，所述压电陶瓷片的形状为扇形体。

优选地，所述定子基体的外侧弧面被磨平，此时所述压电陶瓷片的形状为矩形体。

优选地，所述开槽式纵扭复合型超声电机采用一阶纵振和二阶扭振的复合振动模态作为工作模态，或采用一阶纵振和一阶扭振的复合振动模态作为工作模态。

优选地，所述定子或转子上开齿槽，齿槽的齿端粘贴摩擦材料。

优选地，所述压电陶瓷片是纵扭复合压电陶瓷片或是纵振和扭振分开激励的压电陶瓷片，纵振和扭振分开激励的压电陶瓷片中的扭振片的左右两部分极化方向相反，而纵振片的左右两部分极化方向相同。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明的结构简单、成本低、易于加工、调速方便、容易微型化，在生物、医疗、微机械、自动控制、光学镜头、机器人和航空航天国防科技等领域有着广阔的应用前景。该电机的开槽设计，一方面可以在设计和生产时调整纵扭振动的频率一致性，另一方面，开槽后放大了扭转振幅，使得电机更易于运用。驱动时，由于该开槽式纵扭复合型超声电机在原理上相当于N(N为开槽个数且为大于或等于3的正整数)个面接触，因此，相比摇头型超声电机等行波电机而言能提供更大的扭矩。由于开槽的独特结构，使得该电机相当于N个独立的振子，并且随着N的增加，只需要相应的增加内外径即可实现纵扭振频率的一致性。总之，该开槽电机具有结构多样，成本低，制作简单，纵扭振动位移大，易于实现纵扭振动的频率一致性、精确调节纵扭振幅的比例关系等优点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中定子的结构示意图。

图2为本发明中纵扭复合压电陶瓷片的结构示意图。

图3为纵振和扭振分开激励的压电陶瓷片，其中图3(a)为纵振压电陶瓷片的结构示意图，图3(b)为扭振压电陶瓷片的结构示意图。

图4为定子的一阶纵振模态示意图。

图5为定子的二阶扭振模态示意图。

图6为本发明开槽式纵扭复合型超声电机的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明开槽式纵扭复合型超声电机采用一阶纵振和二阶扭振的复合振动模态作为工作模态，或采用一阶纵振和一阶扭振的复合振动模态作为工作模态。本发明的结构如图6所示，该电机由定子(如图1所示)、转子63和预压力机构组成，预压力机构包括弹簧64、卡箍65和轴承66，定子包括压电陶瓷片61(压电陶瓷片的结构如图2或图3(a)、图3(b)所示)和定子基体60，压电陶瓷片61的上下两端设有定子驱动端62，转子63通过弹簧64压紧在定子驱动端62上并通过卡箍65锁紧，轴承66穿过转子63和定子，压电陶瓷片61粘贴在定子基体60的外表面上，压电陶瓷片61可以在定子驱动端62的质点上激励出纵扭的复合振动，使得定子端面的质点运动轨迹为椭圆，定子通过摩擦驱动转子旋转。压电陶瓷片是纵扭复合压电陶瓷片或是纵振和扭振分开激励的压电陶瓷片，纵振和扭振分开激励的压电陶瓷片中的扭振片的左右两部分极化方向相反，而纵振片的左右两部分极化方向相同，具体如图3(a)和图3(b)所示。

其中，定子基体的材料是黄铜或磷青铜或其他金属材料，压电陶瓷片的材料可以是压电陶瓷材料，也可以是压电单晶等高性能压电材料，这样节约成本。

本发明开槽式纵扭复合型超声电机的定子的形状为圆筒形，定子的中部沿轴向在二阶扭振模态的两节点之间开有N(N为大于或等于3的正整数)个纵向开槽67，从而将圆筒形定子分成N个独立的振动单元，同时在每个纵向开槽67的两端对称的开有横向开槽68，使得N个振动单元与定子驱动端之间由细径连接。

比如定子的中部沿轴向在二阶扭振模态的两节点之间开有五个纵向开槽，纵向开槽的弧度可变，客观上形成多振子电机，五组压电陶瓷片粘贴在定子基体的外表面，其输出振幅和扭矩等相当于五个振动单元的叠加。同时在每个纵向开槽的两端对称的开有横向开槽，开槽弧度可变，此处的横向开槽的开槽弧度大于整个定子中部的纵向开槽的开槽弧度，使得五个振动单元与定子驱动端之间由细径连接，达到放大扭转振幅的目的。由于该开槽电机独特的物理结构，使得电机的纵扭振幅均有很大提高。

由于圆筒外侧开槽个数的限制，本实施例中，每组压电陶瓷片的形状均为扇形体，采用图2的方式进行激励，即每组压电陶瓷由两部分组成，二者极化方向相同，均沿径向，内表面电极均接地，且与定子基体粘接在一起，外表面电极分别接具有一定相位差的交变电压。此外，每组压电陶瓷片也可以为矩形体，此时，需要将定子基体外侧弧面磨平，便于粘贴压电陶瓷，同时压电陶瓷片也可由纵振和扭振分开激励的两组压电陶瓷片组成，此时的扭振片中左右两部分极化方向相反，但均沿厚度方向，内表面电极均接地，纵振片和扭振片的外表面电极分别接具有一定相位差的交变电压。

上下两个转子63组成一个同步旋转的整体，由弹簧64压紧在定子的两个驱动端面62上，转子63通过弹簧64压紧，由卡箍65锁紧，其中弹簧64和卡箍65等构成预压力系统。定子或转子上可以开齿槽，用于退至屑和冷却，齿槽的齿端粘贴摩擦材料，也可在定子、转子上同时处理上摩擦材料，构成摩擦副，降低磨损率，提高性能。

该实施例采用定子的一阶纵振模态(图4所示)和二阶扭振模态(图5所示)，设计时，调整定子的内外径、高度和开槽弧度等使得定子的一阶纵振模态频率和二阶扭振模态频率相同。激励时，交变激励信号(正弦波或者矩形波)在定子上激励出相位差尽量接近90度的一阶纵振和二阶扭振的复合振动，当纵扭振动的相位差为90度时，电机的性能最好。因此，应该调整两相激励信号的相位差，使得纵扭振动的相位差尽量接近90度。

该电机工作时，用同一频率对电机的压电陶瓷组进行激励，使得定子驱动端62上质点的运动轨迹为椭圆，再通过摩擦作用驱动与其接触的转子63旋转，两个转子63通过弹簧64压紧在定子的两端，且同步旋转。本发明实现了将电能转化为定子驱动端的微观振动能，再转化为转子的运动输出。夹持时，在定子中部采用柔性夹持方式，以尽量减少夹持对该开槽纵扭电机振动性能的减弱。

当对压电陶瓷片施加适当的激励电压时，会在定子驱动端面上激励出一阶纵向振动和二阶扭转振动，从而使得定子驱动端的质点上形成椭圆轨迹，定子驱动端通过摩擦面驱动转子旋转，能实现调速和双向驱动，具有成本低、精度高、制作简单等优点，利于微型化。

本发明利用压电陶瓷片的逆压电效应激励出定子驱动端面的质点的纵扭转复合振动。该定子为圆筒形结构，圆筒中部二阶扭转振动的两节点之间依次沿圆周方向对称地开N个纵向开槽(N为大于或等于3的正整数)，客观上变成了多振子电机，输出振幅和扭矩等相当于N个独立振子的叠加。同时在扭转模态的节点两端处再开N个横向开槽，从而在定子驱动端附近形成细径结构，该结构不仅有益于实现纵扭转模态频率的一致性，而且达到了放大位移的作用。由于其该电机独特的物理特点，使得它与纵扭压电陶瓷片构造的超声电机(中国发明专利，申请号：201210496699)相比，该开槽电机的扭转振幅有很大程度的提高。根据压电陶瓷片组数N的不同，可以选择不同的激励方式。压电陶瓷片有两种激励方式，一种可以实现纵扭振的解耦，达到独立调节纵扭振位移的目的，其激励方式如图3(a)、图3(b)，其中图3(a)为纵振的激励方式，图3(b)为二阶扭振的激励方式；另一种直接激励出纵振和扭振的复合振动，通过摩擦面驱动转子旋转，其激励方式如图2所示。总之，该电机具有成本低、精度高、制作简单，利于微型化和产业化等优点。

图3(a)中的纵振压电陶瓷片31的形状为扇形体，第一内表面电极32、第一外表面电极33都敷电极，箭头所指方向即压电陶瓷厚度方向为极化方向，当在第一内外表面电极之间施加相同的交变电压时，会产生沿长度方向的伸缩变形。

图3(b)中的扭振压电陶瓷片311的形状为扇形体，由于二阶扭转的特殊性，为了得到较大的扭振位移，所述的扭振压电陶瓷片311位于二阶扭转的两节点之间。扭振压电陶瓷片的第二外表面电极331分成两部分，且两部分的极化分向相反，激励时，当第二外表面电极331接与图3(a)的外表面电极施加的交变电压相位差为90°，第二内表面电极321接地时，则会在定子基体上激励出二阶扭转变形。将该扭振压电陶瓷片311粘贴在圆筒形定子基体的外侧，第二内表面电极与定子基体粘接在一起。

当需要直接激励出纵振和扭转的复合振动时，采用图2所示的压电陶瓷片61，箭头方向为极化方向，第三内表面电极22接地，第三外表面电极23分为两部分，并且接相位差为90°的交变电压，此时定子驱动端面上质点的运动轨迹为椭圆，驱动转子旋转。图2所示的压电陶瓷片为纵扭复合型压电陶瓷片。

综上所述，粘贴在定子基体外表面的多组压电陶瓷片，其中定子基体由铜或其他金属材料构成，若将定子的一阶纵振模态频率和二阶扭转模态振动频率设计为相同，则在每组对称的压电陶瓷片的外表面上施加相位差为90度的交变激励信号时，会在定子上直接激励出纵扭复合振动，定子上下端面为驱动表面。

同样，当纵振和扭振分开激励时，纵振压电陶瓷片如图3(a)所示，当纵振压电陶瓷片的内表面电极接地，外表面电机接相同的正弦交变电压时，将在定子上激励出纵向振动；扭振压电陶瓷片如图3(b)所示，当扭振压电陶瓷片的内表面电极接地，外表面电极接相同的但是与纵振压电陶瓷片的相位差为90°的正弦交表电压时，将在定子上激励出二阶扭转振动。该激励方式下，纵振位移和扭振位移相互独立，可以分别调节其大小。若将定子的一阶纵振模态频率和二阶扭转模态振动频率设计为相同，则可激励出定子的一阶纵振和二阶扭转振动的复合振动模态，当定子驱动端的质点纵扭振动的相位差为90度时，电机的输出性能最好。因此，应该调整两相激励信号的相位差，使得纵扭振动的相位差尽量接近90度。电机工作时，用同一频率对电机进行激励，定子上、下端面上质点的运动轨迹为椭圆。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种开槽式纵扭复合型超声电机，其特征在于，所述开槽式纵扭复合型超声电机包括由定子、转子和预压力机构组成，预压力机构包括弹簧、卡箍和轴承，定子包括压电陶瓷片和定子基体，压电陶瓷片的上下两端设有定子驱动端，转子通过弹簧压紧在定子驱动端上并通过卡箍锁紧，轴承穿过转子和定子，压电陶瓷片粘贴在定子基体的外表面上，压电陶瓷片在定子驱动端的质点上激励出纵扭的复合振动，使得定子端面的质点运动轨迹为椭圆，定子通过摩擦驱动转子旋转。

2.根据权利要求1所述的开槽式纵扭复合型超声电机，其特征在于，所述定子基体的材料是黄铜或磷青铜，压电陶瓷片的材料是压电陶瓷材料或是压电单晶材料。

3.根据权利要求1所述的开槽式纵扭复合型超声电机，其特征在于，所述定子的形状为圆筒形。

4.根据权利要求1所述的开槽式纵扭复合型超声电机，其特征在于，所述定子的中部沿轴向在二阶扭振模态的两节点之间有N个纵向开槽，同时在每个纵向开槽的两端对称的开有横向开槽，N为大于或等于3的正整数。

5.根据权利要求4所述的开槽式纵扭复合型超声电机，其特征在于，所述横向开槽的开槽弧度大于纵向开槽的开槽弧度。

6.根据权利要求1所述的开槽式纵扭复合型超声电机，其特征在于，所述压电陶瓷片的形状为扇形体。

7.根据权利要求1所述的开槽式纵扭复合型超声电机，其特征在于，所述定子基体的外侧弧面被磨平，此时所述压电陶瓷片的形状为矩形体。

8.根据权利要求1所述的开槽式纵扭复合型超声电机，其特征在于，所述开槽式纵扭复合型超声电机采用一阶纵振和二阶扭振的复合振动模态作为工作模态，或采用一阶纵振和一阶扭振的复合振动模态作为工作模态。

9.根据权利要求1所述的开槽式纵扭复合型超声电机，其特征在于，所述定子或转子上开齿槽，齿槽的齿端粘贴摩擦材料。

10.根据权利要求1所述的开槽式纵扭复合型超声电机，其特征在于，所述压电陶瓷片是纵扭复合压电陶瓷片或是纵振和扭振分开激励的压电陶瓷片，纵振和扭振分开激励的压电陶瓷片中的扭振片的左右两部分极化方向相反，而纵振片的左右两部分极化方向相同。