CN104467529A - 一种双向驱动旋转超声电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向驱动旋转超声电机，转子包括转盘和设置在转盘表面的摩擦层；定子包括支架、通过支架固定的两个相同的超声振动换能器、两个相同的椭圆振动模态转换器和设置在椭圆振动模态转换器前端两个相同的摩擦驱动块；椭圆振动模态转换器设置在超声振动换能器的前端，为直梁和斜梁的复合结构，该椭圆振动模态转换器可以将超声振动换能器产生的纵向超声振动转换为椭圆振动模态转换器末端和摩擦驱动块的纵弯复合超声椭圆振动，两个超声振动换能器分别进行工作时，相应的两个摩擦驱动块分别驱动转子进行连续旋转运动。

Description

一种双向驱动旋转超声电机

技术领域

本发明涉及利用压电陶瓷逆压电效应的超声电机领域，尤其是涉及一种利用单激励超声椭圆振动的双向驱动旋转超声电机。

背景技术

旋转超声电机是20世纪80年代迅速发展和应用的一种新型微电机，是利用压电材料的逆压电效应实现电能-机械能转换的机电耦合装置，通过定子和转子之间的摩擦作用，把弹性体的微幅振动转换成转子的宏观旋转运动，直接驱动负载。因其具有体积小、重量轻、低速大扭矩、噪声小、响应快、定位精度高、无电磁干扰和环境适应性强等优点，在医疗、航空航天、机器人、MEMS 等技术领域得到了日益广泛的应用。

目前已有的旋转型超声电机中，主要采用面外的弯曲振动模态复合成端面行波，并驱动转子转动，普遍存在驱动力矩小，轴向体积大、定转子的内外径接触区磨损差别大等问题；另外，即使采用了面内振动模态，为了能够施加面内的径向预紧力，振子或转子的圆盘或圆环做成两个半圆盘或半圆环，中间通过弹簧联接成圆盘或圆环以施加面内的径向预紧力，目前也很难实现大转矩，且工作可靠性低。在公开号为CN101030740A，发明名称为《单相驱动的弯曲旋转超声电机》的专利文献中，公开了一种机体的结构呈锥状的单相驱动驻波旋转超声电机，该电机依靠六片沿轴向叠合在一起的压电陶瓷片激发定子的振动，六片压电陶瓷片依靠压紧螺母及压轴套固定在中轴上。该电机虽然具有输出力矩较大等优点，但电动机的六片压电陶瓷片按极化分区要相互错开60安装，其结构复杂，且在压电陶瓷片的压紧过程中因压紧螺母的螺旋运动(旋转力)极易造成压电陶瓷片之间错位，难以保证相邻压电陶瓷片之间错位60度的技术要求；此外，该电机定子与转子之间不带任何定位装置，这使得定子与转子两者之间的接触位置精度受到影响，进而影响电机转矩和速度的稳定性；因而，此类旋转超声电动机存在结构复杂，对定子与转子之间的接触位置精度要求高，制造安装较困难，电机转矩和速度的稳定性差等缺陷。

发明内容

本发明提供了一种新型的双向驱动旋转超声电机，目的是为了克服上述旋转超声电机中存在的不足,提供一种结构简单、输出功率大，成本低、寿命长、电机输出转矩大的双向旋转超声电机。

一种双向驱动旋转超声电机，包括转子和定子，转子包括转盘和设置在转盘表面的摩擦层；定子包括支架、通过支架固定的两个相同的超声振动换能器、两个相同的椭圆振动模态转换器和两个相同的摩擦驱动块；所述的超声振动换能器整体呈圆柱体，其包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板，前盖板上设置有可与支架联接用的法兰盘，后盖板和前盖板通过螺栓将后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板联接压紧，构成了双向驱动旋转超声电机的能量转换部分，将A超声电源和B超声电源输出的超声电能转换为两个超声振动换能器的超声振动能量。

所述的椭圆振动模态转换器和前盖板制作成一个整体设置在前盖板的前端，或者将椭圆振动模态转换器焊接设置在前盖板的前端，椭圆振动模态转换器包括直梁和斜梁构成的复合结构，直梁和斜梁垂直于其中心轴线的截面均为矩形，直梁的中心轴线和超声振动换能器的中心轴线重合，直梁的一端与超声换能器的前盖板联接，另一端悬伸；斜梁的一端和超声换能器的前盖板偏离中心轴线的一侧联接，另一端和直梁的中间部位联接，斜梁的中心轴线和直梁的中心轴线成0-90度夹角，直梁和斜梁与超声换能器前盖板的联接处均为圆弧过渡联接。

椭圆振动模态转换器设置在超声振动换能器前端后构成的组合件称为单激励超声椭圆振动换能器，椭圆振动模态转换器为直梁和斜梁复合结构的目的是为了改变单激励超声椭圆振动换能器的振动模态，使其纵向振动模态频率和弯曲振动模态频率接近或相等；由于斜梁结构的存在，超声振动换能器产生的纵向超声振动在传递到斜梁后，在斜梁根部分解为一部分纵向振动分量和一部分弯曲振动分量，当斜梁分解的纵向振动分量和弯曲振动分量传递到直梁后，和直梁上传播的纵向振动相复合，最终在直梁末端形成具有一定相位差的纵向振动分量和弯曲振动分量复合的超声椭圆振动。

所述的两个摩擦驱动块分别通过焊接、粘接或螺钉联接方式设置在两个椭圆振动模态转换器的前端，两个摩擦驱动块分别与转盘上的摩擦层相接触。两个超声振动换能器通过支架和超声振动换能器的法兰盘联接在一起，且支架用来固定定子和安装预压力装置，将定子和转子连接成一整体构成双向驱动旋转超声电机，经法兰盘固定后的两个超声振动换能器轴线之间夹角为20度~160度。

在未加超声电压信号驱动前，两个椭圆振动模态转换器前端的摩擦驱动块同时与转子接触。

工作时，其中一个超声振动换能器悬浮，另外一个超声振动换能器工作。即是：向需要悬浮的超声振动换能器电极片送入直流负电压信号，利用压电效应使该超声振动换能器轴向收缩，进而使椭圆振动模态转换器前端的摩擦驱动块悬浮在转子上。向另外一个需进行驱动工作的超声振动换能器送入超声正弦电信号，该超声振动换能器即产生超声振动，超声振动能量从超声振动换能器传递到椭圆振动模态转换器末端后，转换为具有一定相位差的纵向振动和弯曲振动复合的纵弯复合超声椭圆振动，即转换为椭圆振动模态转换器末端的纵弯复合超声椭圆振动；并驱动摩擦驱动块和椭圆振动模态转换器末端一起做超声椭圆振动，进而驱动转子进行连续旋转运动。

当需要转子向另一个方向旋转运动时，交换两个超声振动换能器的超声电信号驱动方式即可。相比现有文献介绍的双向驱动旋转超声电机，该旋转超声电机具有功率容量大、能量转换效率高、结构简单，制造容易、成本低、结构刚度大、控制驱动系统简单和振动工作性能稳定等优点。

更进一步，所述的双向驱动旋转超声电机的两个超声振动换能器均分别有一组纵向振动压电陶瓷片。

更进一步，所述的双向驱动旋转超声电机的两个超声振动换能器均分别需一路超声电信号激励。

本发明采用了机械振动模态转换机理把超声振动换能器的纵向振动转换分解为直梁的纵向振动、斜梁的纵向振动和弯曲振动分量，最终在直梁末端合成为纵弯复合超声椭圆振动，简化了双向驱动旋转超声电机的整体结构，大大降低了振动系统的复杂程度，降低了制造、装配难度和生产成本，整个双向驱动旋转超声电机结构简单、制造容易，成本低；另外该发明的两个超声振动换能器均只需一路超声电信号进行激励，控制难度低，避免了多相超声振动复合形成椭圆振动换能器的复杂超声电源开发费用，简化了控制电路及超声电源结构，降低了控制电路及超声电源成本，减小了控制电路及超声电源体积，易于实现控制电路及超声电源的微型化，集成化，提高了可靠性，工作性能更加稳定，应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的应用实例示意图。

图中标号说明：1.螺栓，2.后盖板，3.压电陶瓷片，4.电极片，5.前盖板，6.法兰盘，7. 椭圆振动模态转换器，8.转盘，9.摩擦层，10.摩擦驱动块，11.支架，12. A超声电源，13. B超声电源。

具体实施方式

结合图1、2所示，一种双向驱动旋转超声电机，包括转子和定子，转子包括转盘8和设置在转盘8表面的摩擦层9；定子包括支架11、通过支架11固定的两个相同的超声振动换能器、两个相同的椭圆振动模态转换器7和两个相同的摩擦驱动块10；超声振动换能器整体呈圆柱体，其包括螺栓1及依次套设在螺栓1上的后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4和前盖板5，前盖板5上设置有可与支架11联接用的法兰盘6，后盖板2和前盖板5通过螺栓1将后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4和前盖板5联接压紧，构成了双向驱动旋转超声电机的能量转换部分，将A超声电源12和B超声电源13输出的超声电能转换为两个超声振动换能器的超声振动能量。该双向驱动旋转超声电机的两个超声振动换能器均分别有一组纵向振动压电陶瓷片3，压电陶瓷换能器段直径30mm，压电陶瓷片3材料为PZT-8，尺寸为：Ф30×Ф15×5，压电陶瓷片3的片数为2。

椭圆振动模态转换器7和前盖板5制作成一个整体零件设置在前盖板5的前端，椭圆振动模态转换器7包括直梁和斜梁构成的复合结构，直梁和斜梁垂直于其中心轴线的截面均为矩形，直梁的中心轴线和超声振动换能器的中心轴线重合，直梁的一端与超声换能器的前盖板5联接，另一端悬伸，截面边长为12×12mm，长72mm；斜梁的一端和超声换能器的前盖板5偏离中心轴线的一侧联接，斜梁中心轴线和前盖板5的联接处距离前盖板5的中心轴线距离为25mm，另一端和直梁的中间部位联接，截面边长为12×12mm。斜梁的中心轴线和直梁的中心轴线成30夹角，直梁和斜梁与超声换能器前盖板5的联接处均为圆弧过渡联接，过渡圆弧半径为5mm。

两个摩擦驱动块10通过粘接分别设置在两个椭圆振动模态转换器7的前端，两个摩擦驱动块10分别与两个转盘8上的摩擦层9相接触。两个超声振动换能器通过支架11和超声振动换能器的法兰盘6联接在一起，且支架11用来固定定子和安装预压力装置，将定子和转子连接成一整体构成双向驱动旋转超声电机，经法兰盘6和支架11固定后的两个超声振动换能器轴线之间夹角为90度。

双向驱动旋转超声电机的两个超声振动换能器固有频率相同为19.84KHz，阻抗分别为73和76欧姆，动态电阻为16和14欧姆，两个超声振动换能器均分别需一路超声电信号激励，A超声电源12和B超声电源13，其输出电压范围均为0-400V，电流范围均为0-4A，输出频率均为19.84±0.01KHz，且A超声电源12和B超声电源13在指定频率范围内均具有自动频率跟踪功能。

在未加超声电压信号驱动前，两个椭圆振动模态转换器7前端的摩擦驱动块10同时与转子接触。

驱动时，向需要悬浮的超声振动换能器电极片4送入直流负电压信号-300V，利用压电效应使该超声振动换能器轴向收缩，进而使椭圆振动模态转换器7前端的摩擦驱动块10悬浮在转子上；向另外一个需进行驱动工作的超声振动换能器送入超声正弦电信号，当把B超声电源13输出的超声电信号接入到超声振动换能器的电极片4后，该超声振动换能器即产生超声振动，超声振动能量从超声振动换能器传递到椭圆振动模态转换器7末端后，转换为具有一定相位差的纵向振动和弯曲振动复合的纵弯复合超声椭圆振动，即转换为椭圆振动模态转换器7末端的纵弯复合超声椭圆振动；并驱动摩擦驱动块10和椭圆振动模态转换器7末端一起做超声椭圆振动，进而驱动转子进行连续旋转运动。运行10分钟后系统达到稳定工作状态，B超声电源13的输出电压为220V，电流为1.35A，直径为40mm的转盘8的边缘周向线速度峰值为64.4mm/s。

交换两个超声振动换能器的超声电信号驱动方式，运行10分钟后A超声电源12的输出电压为220V，电流为1.38A，转子向另一个方向旋转运动，其直径为40mm的转盘8的边缘周向线速度峰值为65.8mm/s。

Claims (6)

1.一种双向驱动旋转超声电机，包括转子和定子，其特征在于：转子包括转盘和设置在转盘表面的摩擦层；定子包括支架、通过支架固定的两个相同的超声振动换能器、两个相同的椭圆振动模态转换器和两个相同的摩擦驱动块；所述的超声振动换能器整体呈圆柱体，其包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板，前盖板上设置有可与支架联接用的法兰盘，后盖板和前盖板通过螺栓将后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板联接压紧；所述的椭圆振动模态转换器设置在前盖板的前端，所述的椭圆振动模态转换器包括直梁和斜梁构成的复合结构，直梁和斜梁垂直于其中心轴线的截面均为矩形，直梁的中心轴线和超声振动换能器的中心轴线重合，直梁的一端与超声换能器的前盖板联接，另一端悬伸；斜梁的一端和超声换能器的前盖板偏离中心轴线的一侧联接，另一端和直梁的中间部位联接，斜梁的中心轴线和直梁的中心轴线成0-90度夹角，直梁和斜梁与超声换能器前盖板的联接处均为圆弧过渡联接；所述的两个摩擦驱动块分别设置在两个椭圆振动模态转换器的前端，与转盘表面设置的摩擦层相接触；经法兰盘和支架固定后的两个超声振动换能器轴线之间夹角为20度~160度。

2.根据权利要求1所述的双向驱动旋转超声电机，其特征在于：所述的椭圆振动模态转换器和前盖板制作成一个整体设置在前盖板的前端。

3.根据权利要求1所述的双向驱动旋转超声电机，其特征在于：所述的椭圆振动模态转换器焊接设置在前盖板的前端。

4.根据权利要求1或2或3所述的双向驱动旋转超声电机，其特征在于：所述的摩擦驱动块通过焊接设置在椭圆振动模态转换器的前端。

5.根据权利要求1或2或3所述的双向驱动旋转超声电机，其特征在于：所述的摩擦驱动块通过粘接设置在椭圆振动模态转换器的前端。

6.根据权利要求1或2或3所述的双向驱动旋转超声电机，其特征在于：还包括一个联接螺钉，用于将摩擦驱动块联接在椭圆振动模态转换器的前端。