CN104852626A - 一种基于压电单晶面切模式的旋转超声电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于压电单晶面切模式的旋转超声电机，由定子组件和转子组件构成，定子组件包括振子、定子支架、定子底座，振子的形状为方形平板状，振子上下表面均镀有电极，各个振子的下表面位于同一个平面上，此平面与电机转轴线垂直，下表面中点连成正多边形，电机转轴线通过正多边形中心点。通过控制压电振子的激励方式激发出面切模式，并通过驱动足驱动转子沿圆周旋转运动。与应用最广的行波旋转超声电机相比，该超声电机结构简单、输出力矩大一倍、功率密度高一倍、机电耦合效率高2.8倍(约0.6)、驱动电压低40-200倍、温升低10度以上，厚度仅为现有行波超声电机的1/3，尤其适合于精密驱动和生物医学工程的应用场合。

Description

一种基于压电单晶面切模式的旋转超声电机
技术领域
本发明涉及一种超声电机，具体涉及一种基于压电单晶面切模式的旋转超声电机，属于机械电子技术领域。
背景技术
与传统电磁式电机相比，超声电机能直接输出低转速大力矩，且瞬态响应快、定位精度高，功率密度大，无电磁干扰、无需减速机构、无线供能接收端无需整流电路、结构简单、设计形式灵活、易实现微型化等优势，在航空航天，机器人，医疗器械，精密仪器，汽车工业等领域有着广泛的应用前景。
经对现有技术的文献检索发现，目前已有的旋转超声电机采用的压电材料主要是锆钛酸铅(Pb(Zr,Ti)O3,PZT)，存在着机电耦合系数低、驱动电压高、电机厚度尺寸厚的问题。如：徐志科等在《中国电机工程学报》(2005年25卷第18期第131-134页)发表的《基于有限元法的行波型超声波电机阻抗特性分析》，该文研究了应用最广的k31模式行波超声电机，该电机的机电耦合系数仅为0.17～0.20。其不足在于：机电耦合系数低、功率密度低、激励电压(正常工作电场800～1000Vp/mm)高和温升高、电机厚度有近30mm等问题。哈尔滨工业大学陈维山等在《IEEE Transactions onUltrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control》(2010年57卷第5期第1160-1167页)发表的《A new traveling wave ultrasonic motor using thick ring stator with nested PZTexcitation》和刘英想等在《IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and FrequencyControl》(2010年57卷第10期第2360–2364页)发表的《A rotary ultrasonic motor usingbending vibration transducer》，他们分别设计了PZT叠层环形定子的超声电机和换能器式超声电机。这两种电机实质是kt厚度模式，不足在于：激励电压高，机电耦合系数低(仅达到0.20～0.23)，电机结构复杂，厚度为40～60mm，体积重量过大且功率密度低，很难做出紧凑的微型电机。
发明内容
本发明针对现有技术的不足以及精密驱动和生物医学工程应用的需要，提出一种压电单晶面切模式径向驱动的超薄大力矩旋转超声电机。本发明利用[011]c极化压电单晶面切模式具有超大压电系数、高功率密度、高机电耦合系数的优势，通过定子结构设计，在激励频率驱动下，由四个压电单晶面切模式的压电振子在径向方向驱动转子作旋转运动，得到低压高效低热驱动的薄型大力矩超声电机，电机厚度在10mm以下，为现有商用行波电机厚度的1/3，满足适合于精密驱动和生物医学工程的应用场合。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种基于压电单晶面切模式的旋转超声电机，由定子组件和转子组件构成，定子组件包括至少三个压电单晶面切模式振子、用于支承振子的定子支架、用于支承定子支架的定子底座，振子的形状为方形平板状，振子的上表面和下表面均镀有电极，各个振子的下表面位于同一个平面上，此平面与电机转轴线垂直，各个振子的下表面中点能够连成一个正多边形，电机转轴线通过这个正多边形的中心点。
优选地，振子为四个，四个振子分别位于正方形的四个角处。
优选地，定子组件还包括用于预紧振子的弹性块，弹性快数量与振子数量相同，每个弹性块与每个振子组成一个复合体，复合体内置于定子支架内。
优选地，弹性块均处于压紧状态以产生一定的压力使振子有预压力作用在转子组件上。
优选地，转子组件包括轴承、转子和转子轴，转子轴与轴承的内圈紧配合装配，转子与转子轴为同心紧配合装配结构。
优选地，转子的内圆周面与振子的驱动足紧密接触。
优选地，轴承的外圈同心紧配合装配在定子底座上。
优选地，振子材料为铁电单晶材料。
更优选地，铁电单晶材料为PZN-PT、PMN-PT、PIN-PMN-PT、掺锰PMN-PT或掺锰PIN-PMN-PT铁电单晶材料中的任一种。
与现有技术相比，本发明利用新型压电单晶材料面切模式具有超大压电系数、高功率密度和高机电耦合系数的优势，设计构造高效低电压的径向驱动旋转超声电机；该超声电机结构简单、输出力大、功率密度高、效率高、驱动电压低、发热量极低，电机径向驱动，厚度尺寸薄。适合于精密驱动和生物医学工程的应用场合。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例的旋转超声电机的侧视图；
图2是图1所示的旋转超声电机H-H面的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1和图2所示，本实施例的旋转超声电机包括：第一压电单晶面切模式振子1、第一弹性块2、第二弹性块3、第二压电单晶面切模式振子4、轴承5、定子支架6、第三压电单晶面切模式振子7、第三弹性块8、第四弹性块9、转子10、第四压电单晶面切模式振子11、转子轴12、定子底座13。
旋转超声电机由定子组件和转子组件构成。其中定子组件由第一压电单晶面切模式振子1、第一弹性块2、第二弹性块3、第二压电单晶面切模式振子4、定子支架6、第三压电单晶面切模式振子7、第三弹性块8、第四弹性块9、第四压电单晶面切模式振子11和定子底座组成13。转子组件由轴承5、转子10和转子轴12组成。
第一压电单晶面切模式振子1和第一弹性块2组成的第一复合体内置于定子支架6内，第二压电单晶面切模式振子4和第二弹性块3组成的第二复合体内置于定子支架6内，第三压电单晶面切模式振子7和第三弹性块8组成的第三复合体内置于定子支架6内，第四压电单晶面切模式振子11和第四弹性块9组成的第四复合体内置于定子支架6内，四个压电单晶面切模式振子中心线间成90度间隔均匀分布，且位于同一平面内，转子10内圆周面与四个压电单晶振子驱动足紧密接触，四个弹性块均处于压紧状态以使四个压电单晶振子以一定的预压力作用在转子10上。转子10与转子轴12为同心紧配合装配结构，转子轴12与轴承5的内圈紧配合装配，轴承5的外圈同心紧配合装配在定子13上。定子支架6放置于13定子底座上。
本实施例具体工作的实现包括以下过程：
当第一压电单晶面切模式振子1、第二压电单晶面切模式振子4、第三压电单晶面切模式振子7、第四压电单晶面切模式振子11被同时施加激励频率时，在每个压电单晶振子激发出相应的面切振型，四个驱动足端部产生斜线运动，且为同一方向，从而通过摩擦力驱动转子10绕转子轴12旋转，并在转子轴12输出一定的输出力矩的正向圆周运动。当改变第一压电单晶面切模式振子1、第二压电单晶面切模式振子4、第三压电单晶面切模式振子7、第四压电单晶面切模式振子11的激励区域，并同时施加相同激励频率的驱动信号时，驱动足端部产生相反方向的斜线运动，并在转子轴12输出一定的输出力矩的反向圆周运动。
由上述实施例可以看出，通过控制四个压电单晶面切模式振子的激励方式，在逆压电效应下压电振子激发相应的面切振型，由驱动足通过摩擦力驱动转子沿圆周旋转运动。与市场应用最广的行波旋转超声电机相比，该超声电机结构简单、输出力矩大一倍、功率密度高一倍、机电耦合效率高2.8倍(约0.6)、驱动电压低40-200倍、温升低10度以上，厚度小于10mm，仅为行波超声电机的1/3，尤其适合于精密驱动和生物医学工程的应用场合。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于压电单晶面切模式的旋转超声电机，由定子组件和转子组件构成，其特征在于，所述定子组件包括至少三个压电单晶面切模式振子、用于支承所述振子的定子支架、用于支承所述定子支架的定子底座，所述振子的形状为方形平板状，所述振子的上表面和下表面均镀有电极，各个所述振子的下表面位于同一个平面上，所述平面与电机转轴线垂直，各个所述振子的下表面中点能够连成一个正多边形，所述电机转轴线通过所述正多边形的中心点。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电单晶面切模式的旋转超声电机，其特征在于，所述振子为四个，四个振子分别位于正方形的四个角处。
3.根据权利要求1所述的一种基于压电单晶面切模式的旋转超声电机，其特征在于，所述定子组件还包括用于预紧所述振子的弹性块，所述弹性快数量与所述振子数量相同，一个所述弹性块与一个所述振子组成一个复合体，所述复合体内置于所述定子支架内。
4.根据权利要求3所述的一种基于压电单晶面切模式的旋转超声电机，其特征在于，所述弹性块均处于压紧状态以产生一定的压力使所述振子有预压力作用在所述转子组件上。
5.根据权利要求1所述的一种基于压电单晶面切模式的旋转超声电机，其特征在于，所述转子组件包括轴承、转子和转子轴，所述转子轴与所述轴承的内圈紧配合装配，所述转子与所述转子轴为同心紧配合装配结构。
6.根据权利要求5所述的一种基于压电单晶面切模式的旋转超声电机，其特征在于，所述转子的内圆周面与所述振子的驱动足紧密接触。
7.根据权利要求5所述的一种基于压电单晶面切模式的旋转超声电机，其特征在于，所述轴承的外圈同心紧配合装配在所述定子底座上。
8.根据权利要求1所述的一种基于压电单晶面切模式的旋转超声电机，其特征在于，所述振子材料为铁电单晶材料。
9.根据权利要求8所述的一种基于压电单晶面切模式的旋转超声电机，其特征在于，所述铁电单晶材料为PZN-PT、PMN-PT、PIN-PMN-PT、掺锰PMN-PT或掺锰PIN-PMN-PT铁电单晶材料中的任一种。
10.根据权利要求1所述的一种基于压电单晶面切模式的旋转超声电机，其特征在于，所述旋转超声电机厚度小于10mm。
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