CN105071694B - 一种双向运行的弹性叶片式超声波电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向运行的弹性叶片式超声波电机，包括端盖（2）、外壳（3）、底座（13）、转子（5）、第一定子、第二定子以及转轴（14）；所述转子（5）的形状为圆筒形，所述第一定子通过第二连接板（6）与转轴（14）固定粘结，而所述第二定子安装在底座（13）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面上，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。本发明具有驻波超声波电机的全部优点，同时电机可实现双向运行，且结构简单、易安装。

Description

一种双向运行的弹性叶片式超声波电机

技术领域

本发明是一种双向运行的驻波超声波电机，属于超声波电机制造的技术领域。

背景技术

与传统电磁式电机相比，超声波电机具有低速大转矩、无电磁干扰、动作响应快、运行无噪声等显著特性，在精密仪器、光学系统、医疗器械、汽车电器、航空航天等领域具有广阔的应用前景，并且已在工程中得到了成功应用。

超声波电机结构设计灵活，利用不同的压电陶瓷极化形式和弹性体的振动模式，可以构造出不同结构的超声波电机。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。通过弹性体的特殊结构设计，将压电陶瓷的单一振动模式进行转换，可以避免上述不足，简化设计。同时，通过两个定子的设计，实现电机的双向运转。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种双向运行的弹性叶片式超声波电机。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。设计中采用双定子结构，当激发第一定子振动时，转轴通过转子的摩擦力作为驱动力实现反转，当驱动第二定子振动时，转轴正转，从而实现电机的双向运行。本发明具有驻波超声波电机的全部优点，同时电机结构简单、易安装。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种双向运行的弹性叶片式超声波电机，包括底座13、转子5、定子以及转轴14；所述定子设置于所述转子5内；所述定子包括第一定子和第二定子，所述第一定子设置在所述第二定子上方，所述第二定子安装在所述底座13上；所述第一定子所述转轴14固定粘结，所述第二定子与所述转轴14转动连接；所述第一定子和所述第二定子均包括压电陶瓷、与压电陶瓷粘结的金属环；在所述金属环外侧面上安装有若干能将所述压电陶瓷的径向振动转化为推动所述转子5转动的推力的弹性叶片；所述弹性叶片与所述转子5连接，并将所述推力传递给所述转子5；两组所述弹性叶片在两个所述金属环上的安装方向一致。

在所述金属环15外侧面上安装所述弹性叶片16的固定点的法线与所述弹性叶片16之间的夹角在25-35度之间。

所述弹性叶片16均匀分布在所述金属环15外侧面。

所述第一定子的压电陶瓷与所述第二定子的压电陶瓷沿厚度方向的极化方向相同，且二者反向放置。

还包括第一连接板4、第二连接板6和第三连接板11；所述第一连接板4与所述转子5固定连接，所述第一连接板4的套筒与所述转轴14转动连接；所述第一定子位于第二连接板6和第三连接板11的之间，所述第二连接板6与所述转轴14固定连接，所述第三连接板11的套筒与转轴转动连接；所述第二定子固定在第四连接板12和底座13之间。

所述第一定子通过第一橡胶圈7和第二橡胶圈10固定在所述第二连接板6和所述第三连接板11之间；所述第二定子通过第三橡胶圈7’和第四橡胶圈10’固定在所述第四连接板12和所述底座13之间。

有益效果：本发明提供的一种双向运行的弹性叶片式超声波电机，相比现有技术，具有以下有益效果：

1.通过采用两个定子的特殊结构设计，实现电机的双向运转。

2.压电陶瓷体积占定子体积的90%以上，提高了电机的输出功率。

3.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轴的转动能量，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。

4.电机为驻波型超声波电机，通过采用多个圆周方向均布的弹性叶片将定子径向振动转换为转轴的运转，无需不同模态间频率的调谐即可实现小型化设计。

5.压电陶瓷的上、下表面均设有绝缘橡胶圈，从而减小连接板和底座对电机定子振动的影响。

6.中心转轴通过上、下两个轴承的共同调节，提高了电机运行的稳定性。

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为第一轴承、1’为第二轴承、2为端盖、3为外壳、4为第一连接板、5为转子、6为第二连接板、7为第一橡胶圈、7’为第三橡胶圈、8为第一支柱、8’为第二支柱、9为第一压电陶瓷、9’为第二压电陶瓷、10为第二橡胶圈、10’为第四橡胶圈、11为第三连接板、12为第四连接板、13为底座、14为转轴、15为第一金属环，15’为第二金属环，16为第一组弹性叶片，16’为第二组弹性叶片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种双向运行的弹性叶片式超声波电机，如图1所示，包括端盖2、外壳3、底座13、转子5、第一定子、第二定子以及转轴14；所述转子5的形状为圆筒形，所述定子设置于转子5内；所述第一定子通过第二连接板6与转轴14固定粘结，而所述第二定子安装在底座13上；所述定子包括压电陶瓷、金属环，若干所述弹性叶片均匀固定安装在所述金属环外侧面上，并设置在所述转子5内侧面与转子刚性连接，且金属环外侧面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，将所述压电陶瓷的径向振动转化为推动所述转子5转动的推力，并传递给所述转子5，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9、第一金属环15以及第一组弹性叶片16，所述第一组弹性叶片16固定在第一金属环15外侧面上，且第一金属环15外侧面上安装弹性叶片的固定点的法线与第一组弹性叶片16之间的夹角在25-35度之间，而第一压电陶瓷9粘接在第一金属环15的内侧面；所述第二定子包括第二压电陶瓷9’、第二金属环15’、第二组弹性叶片16’，所述第二组弹性叶片16’固定在第二金属环15’外侧面上，且第二金属环15’外侧面上安装弹性叶片的固定点的法线与第二组弹性叶片16’之间的夹角在25-35度之间，而第二压电陶瓷9’粘接在第二金属环15’的环内侧面；所述第一组弹性叶片16和第二组弹性叶片16’在两个所述金属环外侧面上安装的方向一致，且两组弹性叶片从压电陶瓷到转子5的倾斜方向都是一致的。

所述第一压电陶瓷9和所述第二压电陶瓷9’极化方向相同，都是自上至下极化，第一压电陶瓷倒过来，负极在上面，正极在下面。加电压的时候，正极连正电压，负极连负电压。第二压电陶瓷正着放，正极在上面，负极在下面，这样才能保证双向运行。加电压的时候，正极连正电压，负极连负电压。这两个压电陶瓷相反的配合，加上两组弹簧片倾斜方向一致的配合，实现双向运转。

本发明的结构还包括第一连接板4、第二连接板6和第三连接板11；所述第一连接板4与所述转子5固定连接，所述第一连接板4的套筒与所述转轴14转动连接；所述第一定子位于第二连接板6和第三连接板11的之间，所述第二连接板6与所述转轴14固定连接，所述第三连接板11的套筒与转轴转动连接；所述第二定子固定在第四连接板12和底座13之间。第二连接板6和第三连接板11之间通过第一支柱8固定连接，第四连接板12和底座之间通过第二支柱8’连接。第一支柱8和第二支柱8’的柱体中空并开设有螺纹，螺杆可以穿过上下两个连接板上开设的螺孔和上下两个连接板之间的第一支柱8或第二支柱8’并拧紧，从而夹紧固定在上下两个连接板之间的物体。

所述第一定子通过第一橡胶圈7和第二橡胶圈10固定在第二连接板6和第三连接板11之间，而所述第二定子通过第三橡胶圈7’和第四橡胶圈10’固定在第四连接板12和底座13之间。定子上、下表面均设有橡胶圈，减少连接板和底座对定子振动的干扰。

所述转轴14位于第一金属环15、第二金属环15’的中心，且所述转轴14通过第一轴承1与外壳2转动连接，通过第二轴承1’ 与底座13转动连接，所述第一轴承1’设置于转轴14的上端，而第二轴承1’ 设置于转轴14的下端。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。

本发明的工作原理如下：

当对第一定子施加单相交流信号时，第一压电陶瓷将产生径向振动，第一组弹性叶片受到振动的挤压产生弯曲形变，对转子产生正向摩擦力。此时以转子为研究对象，转子受第一定子的正向摩擦力和第二定子的反向摩擦力，由于第二定子与底座连接，固定不动，所以二力平衡，保持静止；以第二定子为研究对象，第二定子受到转子的正向摩擦力和底座的反向摩擦力，保持静止；以第一定子为研究对象，第一定子受到转子的反向摩擦力，反向旋转。第一定子反向旋转，从而通过第二连接板带动转轴反向旋转；当对第二定子施加单相交流信号时，第二压电陶瓷将产生径向振动，第二组弹性叶片受到振动的挤压产生弯曲形变，对转子产生正向摩擦力，推动转子、转轴、第一定子正向旋转，从而实现电机的双向运行。

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、轴承、橡胶圈、端盖、外壳、底座和固定螺丝、支柱组合而成。

所述的压电陶瓷体积占定子体积的90%以上，采用单相交流电驱动。电机驱动过程只需单相电源，简化了电机的驱动方式，采用双定子的特殊结构设计，实现电机的双向运转。

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25-35度倾斜角焊接在金属环上，使得弹性叶片对转子的摩擦推力达到最大。金属环与压电陶瓷通过胶水粘接。多个弹性叶片均匀分布在金属环外侧面上，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摩擦力，同时周向对称结构保证了电机运行的平稳性。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、下两个轴承共同调节，提高电机耐振动冲击能力和运行稳定性。第二定子与下端底座通过第四橡胶圈隔离，橡胶圈在绝缘的同时，减小了第二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，转子与第一连接板通过胶水粘结固定，第一连接板与转轴滑动配合。第一组弹性叶片和第二组弹性叶片共同周向分布在转子内侧面上，与转子刚性接触，同时存在一定预压力。电机的转动机构结构紧凑，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 (6)

1.一种双向运行的弹性叶片式超声波电机，包括转子（5）、底座（13）、定子以及转轴（14），所述定子设置于所述转子（5）内；其特征在于：所述定子包括第一定子和第二定子，所述第一定子设置在所述第二定子上方，所述第二定子安装在所述底座（13）上；所述第一定子与所述转轴（14）固定连结，所述第二定子与所述转轴（14）转动连接；所述第一定子和所述第二定子均包括压电陶瓷、与压电陶瓷粘结的金属环；在所述金属环外侧面上安装有若干能将所述压电陶瓷的径向振动转化为推动转子转动的推力的弹性叶片；所述弹性叶片与所述转子（5）连接，并将所述推力传递给转子（5）；两组所述弹性叶片在两个所述金属环上的安装方向一致。

2.根据权利要求1所述的双向运行的弹性叶片式超声波电机，其特征在于：在所述金属环（15）外侧面上安装所述弹性叶片（16）的固定点的法线与所述弹性叶片（16）之间的夹角在25-35度之间。

3.根据权利要求1所述的双向运行的弹性叶片式超声波电机，其特征在于：所述弹性叶片（16）均匀分布在所述金属环（15）外侧面。

4.根据权利要求1所述的双向运行的弹性叶片式超声波电机，其特征在于：所述第一定子的压电陶瓷与所述第二定子的压电陶瓷沿厚度方向的极化方向相同，且二者反向放置。

5.根据权利要求1所述的双向运行的弹性叶片式超声波电机，其特征在于：还包括第一连接板（4）、第二连接板（6）和第三连接板（11）；所述第一连接板（4）与所述转子（5）固定连接，所述第一连接板（4）的套筒与所述转轴（14）转动连接；所述第一定子位于第二连接板（6）和第三连接板（11）的之间，所述第二连接板（6）与所述转轴（14）固定连接，所述第三连接板（11）的套筒与转轴转动连接；所述第二定子固定在第四连接板（12）和底座（13）之间。

6.根据权利要求5所述的双向运行的弹性叶片式超声波电机，其特征在于：所述第一定子通过第一橡胶圈（7）和第二橡胶圈（10）固定在所述第二连接板（6）和所述第三连接板（11）之间；所述第二定子通过第三橡胶圈（7’）和第四橡胶圈（10’）固定在所述第四连接板（12）和所述底座（13）之间。