CN104734561B - 一种弹性叶片式并联型超声波电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弹性叶片式并联型超声波电机，其特征在于：包括底座(11)、转子(5)、转轴(12)以及两个以上的相互并联在一起的定子；所述转子(5)的形状为圆筒形，所述转轴(12)固定连接在转子(5)上，而所述定子安装在底座(11)上，且所述定子设置于转子(5)内；所述定子包括压电陶瓷、金属环、弹性叶片，所述弹性叶片固定安装在金属环外侧上，同时所述弹性叶片和转子(5)之间通过刚性接触连接，实现定、转子间的能量传递；而所述压电陶瓷粘接在金属环的内侧面上。本发明不仅具有电机转矩大的特点，而且还具有驻波超声波电机的全部优点，此外，该电机结构简单、易安装。

Description

一种弹性叶片式并联型超声波电机

技术领域

本发明是一种并联型驻波超声波电机，属于超声波电机制造的技术领域。

背景技术

超声波电机是一种具有全新驱动工作原理的电机，利用压电陶瓷的逆压电效应激发定子的振动，通过定转子间的摩擦耦合实现电机从电能到转矩输出能量的转换。与传统电磁型电机相比，超声波电机具有低速大转矩、动态响应快、噪声小、不受电磁干扰等优点。

国内外有较多专利申请涉及超声波电机领域，其中以行波型超声波电机为典型。由于行波型超声波电机需要在定子表面加工许多齿状结构，同时需要摩擦材料的粘接，这使得加工过程变得繁琐复杂。与行波超声波电机相比，复合型超声波电机仅需一组压电陶瓷单相激励，结构简单，更容易实现小型化设计，所以具有极其广阔的应用前景。近年来对复合型超声波电机的研究主要集中在纵弯复合型、纵扭复合型、纵弯扭复合型以及径扭复合型超声波电机上，而这些电机在设计中需要考虑两种不同模态的调谐问题，使得电机的结构设计过程变得复杂。

超声波电机的工作方式是利用定、转子间的摩擦接触，使得定子推动转子运行。提高输出转矩常用的方法是增加定、转子接触面积和改变电机结构。增加电机的直径可达到增加定、转子接触面积的效果，但会大幅增加电机的体积。转矩是超声波电机的重要性能指标，如何合理设计电机结构以提高转矩一直是这一领域关注的焦点。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种弹性叶片式并联型超声波电机。采用压电陶瓷的径向振动方式，通过弹性叶片的弯曲变形将径向振动转化为转子的旋转运动。设计中采用双定子并联方式，提升了电机的转矩，该电机具有驻波超声波电机的全部优点，此外，该电机还具有大转矩、结构简单、易安装的特点。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种弹性叶片式并联型超声波电机，包括底座(11)、转子(5)、转轴(12)以及两个以上的相互并联在一起的定子；所述转子(5)的形状为圆筒形，所述转轴(12)固定连接在转子(5)上，而所述定子安装在底座(11)上，且所述定子设置于转子(5)内；所述定子包括压电陶瓷、金属环、弹性叶片，所述弹性叶片固定安装在金属环外侧上，且金属环外侧上安装弹性叶片的固定点的法线与弹性叶片之间的夹角在25-35度之间，同时所述弹性叶片和转子(5)之间通过刚性直接接触连接，实现定、转子间的能量传递；而所述压电陶瓷粘接在金属环的内侧面上。

所述定子的个数为两个，分别为第一定子、第二定子；所述第一定子包括第一压电陶瓷(10)、第一金属环(9)、以及第一弹性叶片(13)，所述第一弹性叶片(13)固定在第一金属环(9)外侧上，且第一金属环(9)外侧上安装弹性叶片的固定点的法线与第一述弹性叶片(13)之间的夹角在25-35度之间，而第一压电陶瓷(10)粘接在第一金属环(9)的内侧面；所述第二定子包括第二压电陶瓷(10’)、第二金属环(9’)、第二弹性叶片，所述第二弹性叶片以固定在第二金属环(9’)外侧上，且第二金属环(9’)外侧上安装弹性叶片的固定点的法线与第二弹性叶片之间的夹角在25-35度之间，而第二压电陶瓷(10’)粘接在第二金属环(9’)的环内侧面；第一连接板(6)、第一定子、第二连接板(6’)、第二定子以及底座(11)依次固接在一起，使得第一定子、第二定子形成并联结构。

优选的：第一定子的压电陶瓷(10)和第二定子的压电陶瓷(10’)的体积至少占整个电机体积的90％。

优选的：所述第一弹性叶片(13)沿第一金属环(9)圆周方向均布，所述第二弹性叶片沿第二金属环(9’)圆周方向均布。

优选的：第一连接板(6)、第二连接板(6’)、转子(5)、法兰(4)以及转轴(12)，所述第一定子通过第一橡胶块(7)被固定在第一连接板(6)和底座(11)之间，而所述第二定子通过第二橡胶块(7’)被固定在第二连接板(6’)和底座(11)之间；法兰(4)一侧通过第二固定螺丝(3)与转子(5)连接、另一侧通过第一固定螺丝(1)与转轴(12)连接。

优选的：所述转轴(12)位于第一金属环(9)、第二金属环(9’)的中心，且所述转轴(12)通过第一轴承(2)和第二轴承(2’)与底座(11)转动连接，所述第一轴承(2)设置于转轴(12)的上端，而第二轴承(2’)设置于转轴(12)的下端。

优选的：所述第一连接板(6)与第一定子之间还设置有第一橡胶块(7)，而第二定子以及底座(11)之间还设置有第二橡胶块(7’)。

优选的：第一金属环(9)外侧上安装弹性叶片的固定点的法线与第一述弹性叶片(13)之间的夹角为30度，第二金属环(9’)外侧上安装弹性叶片的固定点的法线与第二弹性叶片之间的夹角为30度。

有益效果：本发明提供的一种弹性叶片式并联型超声波电机，相比现有技术，具有以下有益效果：

1.通过采用多个定子并联运行的方式，提高了电机的转矩。

2.压电陶瓷体积占电机体积的90％以上，提高了电机的输出功率。

3.电机通过采用多个圆周方向均布的弹性叶片推动转子，增大了定转子接触面积，分散了单个弹性叶片对转子的摩擦损耗，提高电机运行稳定性和寿命。

4.通过弹性叶片与转子之间刚性摩擦将定子振动能量转换为转子转动能量，无需粘接摩擦材料，结构简单，简化加工过程，同时避免摩擦材料的损耗，增加电机的使用寿命。

5.电机为驻波型超声波电机，无需不同模态间频率的调谐即可实现小型化设计。

6.转轴通过上、下两个轴承的共同调节，增强了电机运转的平稳性。

7.通过绝缘橡胶块，减小底座对电机定子振动的影响。

附图说明

图1是本发明的装配结构图。

图2是本发明的定子环部件图。

其中：1为第一固定螺丝、2为第一轴承、2’为第二轴承、3为第二固定螺丝、4为法兰、5为转子、6为第一连接板、6’为第二连接板、7为第一橡胶块、7’为第二橡胶块、8为第三固定螺丝、8’为第四固定螺丝、9为第一金属环、9’为第二金属环、10为第一压电陶瓷、10’为第二压电陶瓷、11为底座、12为转轴、13为第一组弹性叶片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种弹性叶片式并联型超声波电机，如图1所示，包括底座11、转子5、转轴12以及两个以上的相互并联在一起的定子；所述转子5的形状为圆筒形，所述转轴12固定连接在转子5上，而所述定子安装在底座11上，且所述定子设置于转子5内；所述定子包括压电陶瓷、金属环、弹性叶片，如图2所示，所述弹性叶片固定安装在金属环外侧上，且金属环外侧上安装弹性叶片的固定点的法线与弹性叶片之间的夹角在25-35度之间，同时所述弹性叶片和转子5之间通过刚性接触连接，实现定、转子间的能量传递；而所述压电陶瓷粘接在金属环的内侧面上。

如图1所示，所述定子的个数为两个，分别为第一定子、第二定子；所述第一定子包括第一压电陶瓷10、第一金属环9、以及第一弹性叶片13，如图2所示，所述第一述弹性叶片13固定在第一金属环9外侧上，且第一金属环9外侧上安装弹性叶片的固定点的法线与第一述弹性叶片13之间的夹角在25-35度之间，而第一压电陶瓷10粘接在第一金属环9的内侧面；所述第二定子包括第二压电陶瓷10’、第二金属环9’、第二弹性叶片，所述第二弹性叶片以固定在第二金属环9’外侧上，且第二金属环9’外侧上安装弹性叶片的固定点的法线与第二弹性叶片之间的夹角在25-35度之间，而第二压电陶瓷10’粘接在第二金属环9’的环内侧面；第一连接板6、第一定子、第二连接板6’、第二定子以及底座11依次固接在一起，使得第一定子、第二定子形成并联结构。

所述第一弹性叶片13沿第一金属环9圆周方向均布，所述第二弹性叶片沿第二金属环9’圆周方向均布。通过两组弹性叶片的设计，分散了每个弹性叶片对转子的摩擦损耗，增大了定子对转子的整体推动力。

第一连接板6、第二连接板6’、转子5、法兰4以及转轴12，所述第一定子通过第一橡胶块7被固定在第一连接板6和底座11之间，而所述第二定子通过第二橡胶块7’被固定在第二连接板6’和底座11之间；法兰4一侧通过第二固定螺丝3与转子5连接、另一侧通过第一固定螺丝1与转轴12连接。

所述转轴12位于第一金属环9、第二金属环9’的中心，且所述转轴12通过第一轴承2和第二轴承2’与底座11转动连接，所述第一轴承2设置于转轴12的上端，而第二轴承2’设置于转轴12的下端。转轴由固定在底座上的第一轴承和第二轴承夹住，通过上、下两个转轴的共同调节，提高了电机耐振动冲击能力和运行稳定性。

所述第一连接板6与第一定子之间还设置有第一橡胶块7，而第二定子以及底座11之间还设置有第二橡胶块7’。第一、第二橡胶块绝缘的同时，同时减小定子与底座的接触面积，减少底座振动对定子振动的干扰。

第一金属环9外侧上安装弹性叶片的固定点的法线与第一弹性叶片13之间的夹角为30度，第二金属环9’外侧上安装弹性叶片的固定点的法线与第二弹性叶片之间的夹角为30度。

当施加单相交流信号时，第一、第二定子的压电陶瓷将产生径向振动，第一、第二弹性叶片受到振动的挤压产生弯曲形变，通过摩擦力推动转子运转。

本实施例的电机采用压电陶瓷径向振动和弹性叶片弯曲变形的复合方式将并联定子的振动能量转换为转子的转矩输出能量。

电机由压电陶瓷、金属环、弹性叶片、转子、转轴、连接板、法兰、轴承、橡胶块、底座和固定螺丝组合而成。

所述的压电陶瓷体积占整个电机体积的90％以上，采用单相交流电驱动。

定子由压电陶瓷、金属环、弹性叶片组成，其中弹性叶片通过激光焊接技术以固定倾斜角焊接在金属环上，金属环与压电陶瓷通过胶水粘接，当施加单相交流电后，压电陶瓷将产生径向振动，挤压弹性叶片产生弯曲变形，从而推动转子旋转，驱动过程只需单相电源，简化了电机的驱动方式，采用双定子并联的方式，提高电机转矩。多个弹性叶片均匀分布在金属环外圈，分散了单个弹性叶片对转子的摩擦损耗，增大了定子对转子的推动力，同时周向对称结构保证了电机运行的平稳性。弹性叶片的固定点的法线与弹性叶片之间的夹角设计为30度，可使得弹性叶片对转子的摩擦推力达到最大。定转子接触表面无需粘接摩擦材料，简化加工过程，增加电机的使用寿命。转轴通过上、下两个轴承的共同调节，增强了电机运转的平稳性。连接板通过固定螺丝将定子部件固定在底座上，第一定子与上端连接板通过第一橡胶块隔离，第二定子与下端底座通过第二橡胶块隔离，橡胶块在绝缘的同时，减小了定子与底座的接触面积，从而减少了底座对定子振动的干扰。

转子采用周向环绕型设计，通过固定螺丝固定在上端法兰左端，法兰右端通过固定螺丝与转轴连接，转轴由固定在底座上的第一轴承和第二轴承夹住，通过两个转轴的共同调节，提高电机耐振动冲击能力和运行稳定性，转动机构结构紧凑，实现了电机的小型化设计。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种弹性叶片式并联型超声波电机，其特征在于：包括底座(11)、转子(5)、转轴(12)以及两个以上的相互并联在一起的定子；所述转子(5)的形状为圆筒形，所述转轴(12)固定连接在转子(5)上，而所述定子安装在底座(11)上，且所述定子设置于转子(5)内；所述定子包括压电陶瓷、金属环、弹性叶片，所述弹性叶片固定安装在金属环外侧上，且金属环外侧上安装弹性叶片的固定点的法线与弹性叶片之间的夹角在25-35度之间，同时所述弹性叶片和转子(5)之间通过刚性接触连接，实现定、转子间的能量传递；而所述压电陶瓷粘接在金属环的内侧面上。

2.根据权利要求1所述的弹性叶片式并联型超声波电机，其特征在于：所述定子的个数为两个，分别为第一定子、第二定子；所述第一定子包括第一压电陶瓷(10)、第一金属环(9)、以及第一弹性叶片(13)，所述第一弹性叶片(13)固定在第一金属环(9)外侧上，且第一金属环(9)外侧上安装弹性叶片的固定点的法线与第一述弹性叶片(13)之间的夹角在25-35度之间，而第一压电陶瓷(10)粘接在第一金属环(9)的内侧面；所述第二定子包括第二压电陶瓷(10’)、第二金属环(9’)、第二弹性叶片，所述第二弹性叶片以固定在第二金属环(9’)外侧上，且第二金属环(9’)外侧上安装弹性叶片的固定点的法线与第二弹性叶片之间的夹角在25-35度之间，而第二压电陶瓷(10’)粘接在第二金属环(9’)的环内侧面；第一连接板(6)、第一定子、第二连接板(6’)、第二定子以及底座(11)依次固接在一起，使得第一定子、第二定子形成并联结构。

3.根据权利要求2所述的弹性叶片式并联型超声波电机，其特征在于：第一定子的压电陶瓷(10)和第二定子的压电陶瓷(10’)的体积至少占整个电机体积的90％。

4.根据权利要求3所述的弹性叶片式并联型超声波电机，其特征在于：所述第一弹性叶片(13)沿第一金属环(9)圆周方向均布，所述第二弹性叶片沿第二金属环(9’)圆周方向均布。

5.根据权利要求4所述的弹性叶片式并联型超声波电机，其特征在于：第一连接板(6)、第二连接板(6’)、转子(5)、法兰(4)以及转轴(12)，所述第一定子通过第一橡胶块(7)被固定在第一连接板(6)和底座(11)之间，而所述第二定子通过第二橡胶块(7’)被固定在第二连接板(6’)和底座(11)之间；法兰(4)一侧通过第二固定螺丝(3)与转子(5)连接、另一侧通过第一固定螺丝(1)与转轴(12)连接。

6.根据权利要求5所述的弹性叶片式并联型超声波电机，其特征在于：所述转轴(12)位于第一金属环(9)、第二金属环(9’)的中心，且所述转轴(12)通过第一轴承(2)和第二轴承(2’)与底座(11)转动连接，所述第一轴承(2)设置于转轴(12)的上端，而第二轴承(2’)设置于转轴(12)的下端。

7.根据权利要求6所述的弹性叶片式并联型超声波电机，其特征在于：所述第一连接板(6)与第一定子之间还设置有第一橡胶块(7)，而第二定子以及底座(11)之间还设置有第二橡胶块(7’)。

8.根据权利要求7所述的弹性叶片式并联型超声波电机，其特征在于：第一金属环(9)外侧上安装弹性叶片的固定点的法线与第一述弹性叶片(13)之间的夹角为30度，第二金属环(9’)外侧上安装弹性叶片的固定点的法线与第二弹性叶片之间的夹角为30度。