CN104377988A - 一种两频率驱动驻波型超声电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种两频率驱动驻波型超声电机,所述电机包括底座、预紧壳、定子、压电陶瓷片、转子、推力轴承和碟形弹簧;定子设置在底座上,在定子上表面设有用于拨动转子的拨齿;转子穿过定子的中心轴孔,且与定子上的拨齿内侧面相合;转子的上、下轴杆通过轴承分别与预紧壳和底座相连;推力轴承和碟形弹簧均设置在转子的上轴杆上;压电陶瓷片呈圆环片状结构,粘接在定子的下表面;设置压电陶瓷片的极化分区可在两种不同频率输入电压的驱动下分别激发定子产生两种不同的弯曲振动模态。本发明通过改变驱动频率可使电机对外输出两种不同的转矩和转速,扩大了电机的使用范围,有助于提高微小型机电产品的驱动与控制能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声应用领域中的电动机,尤其是涉及一种两频率驱动驻波型超声电机。
背景技术
超声电动机(简称超声电机)是一种新型电机,其工作原理和传统的电磁电机不同。超声电机利用压电陶瓷片的逆压电效应,激发出定子的高频超声振动,然后由定子的高频超声振动驱动与之接触的转子转动。超声电机具有不受磁干扰、响应快速等优点,在微小型机电系统的驱动和控制领域有很好的应用前景。现代微小型机电系统的发展,要求电机在小型化的同时,能够根据不同工作情况提供不同的输出转矩与转速。因此,研制能够提供不同输出转矩与转速的超声电机很有实用价值。上述目标的实现,要求超声电机所用压电陶瓷片能够激发出定子的两个不同阶的振动模态,即超声电机须能在两个不同的频率点正常工作,每一频率点提供一组转矩与转速。
在授权公告号为CN101546967B的发明专利中,公开了一种旋转驻波电机,该电机定子为圆环形薄金属板,其外圆周沿轴向均布小齿。电机转子由上下两个圆盖形构件组成,电机定子放在上述两个圆盖形构件扣合后的内腔,定子的外圆周与转子内腔的圆周面接触,利用特定弯曲模态下定子外圆周面小齿沿切向与径向的摆动,驱动电机转子。该发明具有结构简单,易于小型化的优点。但电机只工作于一个固定频率,且转子运动精度有待进一步提高。
发明内容
本发明的目的就是提供一种两频率驱动驻波型超声电机,该超声电机可以通过改变驱动频率使电机对外输出两种不同的转矩和转速。
本发明的目的是这样实现的:一种两频率驱动驻波型超声电机,包括:
底座,为开有中心轴孔的盘状体,在盘状体的顶面设有环绕中心轴孔的中心凸沿和用于连接预紧壳的外环圈,在盘状体的底面设有中心环圈,在所述中心环圈中装有轴承;
预紧壳,为中空的柱形盖体结构,内侧的顶面中心设置有中心环圈,在所述中心环圈中装有轴承;所述预紧壳扣盖并连接在所述底座上的所述外环圈上,与所述底座合围成一个中空腔体;
定子,为开有中心轴孔的圆盘,在其盘面顶面边沿设有环形外凸沿,在所述环形外凸沿的顶面均布有用于拨动转子的拨齿;所述定子固定在所述底座的中心凸沿上;
压电陶瓷片,为片状圆环体,粘接在所述定子的底面,与所述定子上的所述环形外凸沿上下相对;设置所述压电陶瓷片的极化分区可在两种不同频率输入电压的驱动下,分别激发所述定子产生两种不同的弯曲振动模态;
转子,为上部呈柱形、下部呈倒锥形的圆盘体,圆盘体下部的锥面与所述定子上的拨齿内侧面相合,在所述圆盘体的上端面的中心位置处制有垂直上伸的上轴杆,在所述圆盘体的下端面的中心位置处制有垂直下伸的下轴杆,所述上轴杆和所述下轴杆的轴线在一条直线上;所述上轴杆通过轴承固定在所述预紧壳的中心环圈中,所述下轴杆依次穿过所述定子和所述底座上的中心轴孔后,通过轴承固定在所述底座的中心环圈中;
推力轴承,套接在从所述转子上表面伸出的所述主轴上,用于承受所述转子的轴向载荷;以及
碟形弹簧,设置在所述推力轴承与所述预紧壳的中心环圈之间,用于对所述转子施加预紧力。
所述压电陶瓷片的极化分区在两种不同频率输入电压的驱动下激发所述定子产生的两种不同弯曲振动模态分别为B04和B06;所述压电陶瓷片的极化分区具体为:将所述压电陶瓷片按角度0—30°、45°—60°、120°—135°、150°—180°、180°—210°、225°—240°、300°—315°、330°—360°分为八个极化区,且这八个极化区按正负相间的规律排列。
所述定子上的所述拨齿的内侧面呈向外具有45°倾斜角的倾斜面,与所述定子上的所述拨齿内侧面相合的所述转子圆盘体下部的锥面呈圆台面。
在所述底座底面中心环圈的端面设有端盖,所述端盖与所述底座底面的中心环圈之间通过紧固螺钉连接;所述转子上所述下轴杆的下端穿过所述端盖的中心伸出所述端盖外部,以作为电机的转矩输出端。
所述定子与所述底座的中心凸沿之间通过紧固螺钉连接。
所述预紧壳与所述底座上的外环圈之间通过螺纹连接。
本发明中定子为开有中心轴孔的圆盘,在圆盘顶面边沿设有环形外凸沿,在环形外凸沿的顶面均布有用于拨动转子的拨齿,拨齿的内侧面呈向外倾斜的倾斜面。转子呈阶梯轴型结构,其中间轴径较大,两端轴径较小。中间轴径较大的部分为上部呈柱形、下部呈倒锥形的圆盘体,圆盘体下部的锥面与定子上拨齿的内侧面相合。两端轴径较小的部分分别为设置在圆盘体上端面中心位置处的上轴杆及设置在圆盘体下端面中心位置处的下轴杆,上轴杆和下轴杆通过轴承分别固定在预紧壳和底座上,且下轴杆的下端伸出底座外,用于输出电机转矩。上轴杆上套接有推力轴承,且推力轴承与转子圆盘体的上端面相接触,在推力轴承与预紧壳之间设置有碟形弹簧,转动预紧壳,碟形弹簧产生轴向力,该轴向力通过推力轴承传递给转子,实现转子与定子之间的预紧。在定子底面粘接有压电陶瓷片,且压电陶瓷片与定子上的环形外凸沿上下相对,设置压电陶瓷片的极化分区可在两种不同频率输入电压的驱动下,分别激发定子产生两种不同的弯曲振动模态,即:当给压电陶瓷片接通某一设定频率的正弦高频交变电压时,凭借逆压电效应的作用,在定子上将会激发出一个弯曲振动模态,依靠此模态下定子上拨齿的推动,使电机转子转动;变化电机输入电压的频率,使之等于另一设定值,利用同一枚压电陶瓷片,激发出定子的另一个弯曲振动模态,利用该模态下定子上拨齿的推动,同样推动电机转子转动。
本发明具有以下优点:
1、本发明通过对圆环形压电陶瓷片上极化分区的合理设计,使得采用一枚压电陶瓷片可激发电机所需的两种振动模态。
2、本发明电机通过改变驱动频率使电机对外输出两种不同的转矩和转速,扩大了电机的使用范围,有助于提高微小型机电产品的驱动与控制能力。
3、本发明在转子的上下两端分别采用轴承作支承,并将转子与定子的接触面设计为圆台面结构,可减小转子的径向跳动,提高转子的运动精度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是电机定子的结构示意图。
图3是电机压电陶瓷片的极化分区示意图。
图4是定子的弯曲振动模态B04的示意图。
图5是激发定子单一弯曲振动模态B04时压电陶瓷片的极化分区示意图。
图6是定子的弯曲振动模态B06的示意图。
图7是激发定子单一弯曲振动模态B06时压电陶瓷片的极化分区示意图。
图中:1、端盖,2、底座,3、压电陶瓷片,4、预紧壳,5、定子,5-1、圆盘,5-2、中心轴孔,5-3、环形外凸沿,5-4、拨齿,6、转子,7、轴承,8、碟形弹簧,9、推力轴承,10、紧固螺钉。
具体实施方式
如图1所示,本发明包括底座2、预紧壳4、定子5、压电陶瓷片3、转子6、推力轴承9和碟形弹簧8。
底座2为开有中心轴孔的盘状体,在底座2盘状体的顶面设有环绕其中心轴孔的中心凸沿和用于连接预紧壳4的外环圈,在底座2盘状体的底面设有中心环圈,且在底座2中心环圈中装有轴承7,该轴承7一般为向心轴承。
预紧壳4为中空的柱形盖体结构,其内侧的顶面中心设置有中心环圈,在其中心环圈中装也有轴承7;预紧壳4扣盖在底座2上,并与底座2上的外环圈通过螺纹连接。预紧壳4与底座2合围成一个中空腔体。
如图2所示,定子5为开有中心轴孔5-2的圆盘5-1(可以为圆盘状金属板),在圆盘5-1顶面的边沿设有环形外凸沿5-3,在环形外凸沿5-3的顶面均布有用于拨动转子6的拨齿5-4,拨齿5-4的宽度与环形外凸沿5-3的宽度相当,拨齿5-4为纵向结构,且拨齿5-4的内侧面(或称內缘)设置成向外倾斜的倾斜面。定子5通过紧固螺钉10固定在底座2的中心凸沿上。
压电陶瓷片3为片状圆环体,其粘接在定子5圆盘5-1的底面,且压电陶瓷片3与定子5上的环形外凸沿5-3上下相对。设置压电陶瓷片3的极化分区满足:可在两种不同频率输入电压的驱动下,分别激发定子5产生两种不同的弯曲振动模态;
转子6呈阶梯轴型结构,其中部轴径较大,两端轴径较小。转子6中部轴径较大的部分为上部呈柱形、下部呈倒锥形的圆盘体,圆盘体下部的锥面与定子5上的拨齿5-4内侧面相合,且圆盘体下部与定子5上拨齿5-4内侧面相合的面呈圆台面。转子6两端轴径较小的部分分别为上轴杆和下轴杆,上轴杆从圆盘体上端面中心位置处垂直向上伸,下轴杆从圆盘体下端面中心位置处垂直向下伸。上轴杆通过轴承7固定在预紧壳4的中心环圈中,下轴杆依次穿过定子5和底座2上的中心轴孔后,通过轴承7固定在底座2的中心环圈中。在底座2的中心环圈端面设有端盖1,端盖1与底座2的中心环圈之间通过紧固螺钉10连接。下轴杆下端伸出底座2的中心环圈外,且穿过端盖1,用于提供电机的输出动力。
推力轴承9套接在从转子6的上轴杆上,且推力轴承9紧压转子6中部圆盘体的上表面,用于承受转子6的轴向载荷。碟形弹簧8安装在推力轴承9与预紧壳4中心环圈之间的转子6的上轴杆上,转动预紧壳4,使碟形弹簧8发生形变,由此产生的轴向力通过推力轴承9传递给转子6的圆盘体,实现转子6与定子5的预紧。
本实施例中,定子5圆盘5-1的外轮廓尺寸为Φ46mm,厚度为6mm,圆盘5-1上表面环形外凸沿5-3上的拨齿5-4宽度为8mm,拨齿5-4内缘倾斜45°,圆盘5-1的中心轴孔5-2的直径为Φ12mm。转子6的上轴杆和下轴杆的轴径(直径)为Φ8mm,转子6与定子5接触部分的直径为Φ36mm。压电陶瓷片3的外径为Φ45mm,内径为Φ30mm,厚度为0.5mm,压电陶瓷片3的结构、极化分区方式如图3所示。由图3可知,压电陶瓷片3的分区划分为带斜划线和不带斜划线两组,每组极化分区的极性正负按图3中所示规律排列。以带斜划线的一组为例进行说明,即将压电陶瓷片3按角度0-30°、45°-60°、120°-135°、150°-180°、180°-210°、225°-240°、300°-315°、330°-360°分为八个极化区,且这八个极化区按正负相间的规律排列。由于带斜划线和不带斜划线的两组分区对称,因此,选择任意一组即可实现电机驱动,利用图3所示压电陶瓷片3的极化分区,可在两种不同频率输入电压的驱动下激发定子5产生两种不同的弯曲振动模态B04(或写作B(0,4))和B06(或写作B(0,6))。“B04”中的字母“B”为“弯曲”的英文翻译“Band”的首字母,下标数字中第一数字为模态图中的节圆个数,第二数字为周向完整波形的个数,即下标中的两个数字分别沿径向和周向描述定子的变形特征。所谓节圆是指定子振动模态图中是否存在一个圆,这个圆周上的点不动,位置不变化。在本发明定子的两个模态图中可以看出,环形定子本身不存在位置不变化的一个圆周,所以下标中的第一个数字为0,周向完整波形的个数分别为4和6,下标中的第二个数字则分别为4和6。
本实施例中利用图3所示压电陶瓷片3的极化分区在两种不同频率输入电压的驱动下激发定子5产生两种不同弯曲振动模态B04和B06,其具体机理如下所述:
定子5产生的弯曲振动模态B04的示意图如图4所示,其位移特征是沿定子5圆周依次包括4个完整波形,即分别出现4个波峰和波谷。与此相对应,为激发定子5的弯曲振动模态B04,环形压电陶瓷片3所在圆周应分成8个小区,各小区极性按照正负相间的规律依次排列,具体形式如图5所示。图6为定子5产生的弯曲振动模态B06的示意图,为激发定子5的弯曲振动模态B06,环形压电陶瓷片3所在圆周应分成12个小区,各小区极性同样按照正负相间的规律依次排列,具体形式如图7所示。为使电机可以同时工作于上述两个模态,压电陶瓷片的极化分区应同时满足B04和B06两种弯曲振动模态的位移特征。为实现上述目标,本发明以图5和图7中的极化分区为基础,通过对比两者分区的位置分布及极性变化规律,设计出图3所示压电陶瓷片3的极化分区方式,在图3的极化分区方案中,定子5的分区被分成两组,一组为带有斜划线的,另一组为没有斜划线的;选取其中任意一组即可驱动电机。以图3中的第一象限所在四分之一圆周分区为例,圆环在该象限中被分成4块小区,各小区所对应的圆心角依次为30°、15°、15°、30°,极性按正、正、负、负的规律排列。在第一象限内选取带有斜划线的一组进行分析,由其具体极性分布以及所占据的空间位置可知,在此象限内两小区极性相反,且负极开始于45°线,符合定子5的弯曲振动模态B04的变形特征。与此同时,由于两小块并未直接相连,第一小块区域圆心角为30°,负极开始于45°线,且与第一小块相隔15°角,本身的圆心角为15°,其后空出了圆心角30°的扇形小块,而这恰好符合定子5的弯曲振动模态B06的位移特征。因此利用上述极化分区,当输入电压频率与弯曲振动模态B04频率一致时,可以激发定子5产生弯曲振动模态B04;当输入电压频率与弯曲振动模态B06频率一致时,可以激发定子5产生弯曲振动模态B06,实现电机的两频率驱动。
Claims (6)
1.一种两频率驱动驻波型超声电机,其特征是,包括:
底座,为开有中心轴孔的盘状体,在盘状体的顶面设有环绕中心轴孔的中心凸沿和用于连接预紧壳的外环圈,在盘状体的底面设有中心环圈,在所述中心环圈中装有轴承;
预紧壳,为中空的柱形盖体结构,内侧的顶面中心设置有中心环圈,在所述中心环圈中装有轴承;所述预紧壳扣盖并连接在所述底座上的所述外环圈上,与所述底座合围成一个中空腔体;
定子,为开有中心轴孔的圆盘,在其盘面顶面边沿设有环形外凸沿,在所述环形外凸沿的顶面均布有用于拨动转子的拨齿;所述定子固定在所述底座的中心凸沿上;
压电陶瓷片,为片状圆环体,粘接在所述定子的底面,与所述定子上的所述环形外凸沿上下相对;设置所述压电陶瓷片的极化分区可在两种不同频率输入电压的驱动下,分别激发所述定子产生两种不同的弯曲振动模态;
转子,为上部呈柱形、下部呈倒锥形的圆盘体,圆盘体下部的锥面与所述定子上的拨齿内侧面相合,在所述圆盘体的上端面的中心位置处制有垂直上伸的上轴杆,在所述圆盘体的下端面的中心位置处制有垂直下伸的下轴杆,所述上轴杆和所述下轴杆的轴线在一条直线上;所述上轴杆通过轴承固定在所述预紧壳的中心环圈中,所述下轴杆依次穿过所述定子和所述底座上的中心轴孔后,通过轴承固定在所述底座的中心环圈中;
推力轴承,套接在从所述转子上表面伸出的所述主轴上,用于承受所述转子的轴向载荷;以及
碟形弹簧,设置在所述推力轴承与所述预紧壳的中心环圈之间,用于对所述转子施加预紧力。
2.根据权利要求1所述的两频率驱动驻波型超声电机,其特征是,所述压电陶瓷片的极化分区在两种不同频率输入电压的驱动下激发所述定子产生的两种不同弯曲振动模态分别为B04和B06;所述压电陶瓷片的极化分区具体为:将所述压电陶瓷片按角度0—30°、45°—60°、120°—135°、150°—180°、180°—210°、225°—240°、300°—315°、330°—360°分为八个极化区,且这八个极化区按正负相间的规律排列。
3.根据权利要求1所述的两频率驱动驻波型超声电机,其特征是,所述定子上的所述拨齿的内侧面呈向外具有45°倾斜角的倾斜面,与所述定子上的所述拨齿内侧面相合的所述转子圆盘体下部的锥面呈圆台面。
4.根据权利要求1所述的两频率驱动驻波型超声电机,其特征是,在所述底座底面中心环圈的端面设有端盖,所述端盖与所述底座底面的中心环圈之间通过紧固螺钉连接;所述转子上所述下轴杆的下端穿过所述端盖的中心伸出所述端盖外部,以作为电机的转矩输出端。
5.根据权利要求1所述的两频率驱动驻波型超声电机,其特征是,所述定子与所述底座的中心凸沿之间通过紧固螺钉连接。
6.根据权利要求1所述的两频率驱动驻波型超声电机,其特征是,所述预紧壳与所述底座上的外环圈之间通过螺纹连接。
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