CN105305875B - 一种肋板位移型纵扭复合超声电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种肋板位移型纵扭复合超声电机，包括定子组件和转子组件，所述定子组件两端分别设有转子组件，且定子组件及转子组件同轴套接在转动轴上，定子组件与转动轴接触两侧分别设有轴承，定子组件包括定子基体、弯振压电陶瓷片组和纵振压电陶瓷片组，定子基体为圆柱状金属体，圆柱状金属体圆周表面均匀设有多个肋板，弯振压电陶瓷片组固定在肋板两侧，纵振压电陶瓷片组固定在两个肋板之间的定子基体上；转子组件包括摩擦材料、预压力装置和转子，摩擦材料设置在定子组件和转子之间，设置在定子组件两端的转子外侧分别设有预压力装置；本发明使电机具有良好的可控性，电机定子结构更简单，可操作性强，为其应用及产业化打下了良好的基础。
Description
技术领域
本发明涉及一种肋板位移型纵扭复合超声电机，属于超声电机技术领域。
背景技术
纵扭复合型超声电机的研究大致可追溯到20世纪的80年代末，到目前为止，其结构种类已经不下于几十种。纵扭复合型超声电机含有两个PZT振子——纵振子和扭转振子，纵、扭转振子分别激发出两个互相垂直的振动，这两种振动可单独调节，互不耦合。纵扭复合型超声电机与其它类型的超声电机相比，因具有输出力矩特别大、可控性强、正反转特性一致、低速稳定性好、动态响应性能好等特点而成为近年来国内外研究的热点之一。按照纵、扭模态之间的相互关联性可以将纵扭复合型超声电机划分为两小类，即纵扭多模态型超声电机和纵扭模态转换型超声电机。近几十年以来人们对两种类型的研究，提出各种各样的纵扭复合型超声电机结构。1994年，Ueha以夹心式压电定子结构取代具有层叠压电定子的结构研制出了一台直径为80mm的纵扭多模态型超声电机；从1992年开始，日本山形大学的Tomikawa对纵扭型超声电机进行了大量的研究。根据电机的结构特点，他把自己研制的电机分为多模态定子型和单一模态定子型两类；2000年左右，Tsujino对斜槽式模态转换型超声电机进行了研究，该电机仅需要一组压电振子激励，但是只能实现单向旋转。
目前，现有的纵扭复合电机存在以下缺点：
1、定子基体的扭转振动有两种激励方式，一是由基于d15效应的扭振压电陶瓷产生，但这种扭振压电陶瓷工艺复杂，加工困难，成本高；二是由基于d33效应的纵振压电陶瓷激励的纵向振动转化而得到，该方式需要设计相应的模态转化器，结构复杂，且只能实现单向旋转。
2、纵扭复合型超声电机结构复杂、装配工序较多，且容易产生装配误差，造成纵向振动和扭转振动频率不一致。
发明内容
本发明提供一种肋板位移型纵扭复合超声电机，提供一种转速平稳，且易装配，低成本的肋板位移型纵扭复合超声电机，该电机使用两组压电陶瓷片分别激励出定子中的纵向振动模态和扭转振动模态。采用基于d31效应的矩形压电陶瓷片来激励肋板产生弯振并转换成定子基体的扭振，从而避免使用基于d15效应的扭振陶瓷片，使电机能正常工作的同时能够方便地安装在各种场合，从而为该电机的产业化打下良好的基础。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种肋板位移型纵扭复合超声电机，包括定子组件和转子组件，所述定子组件两端分别设有转子组件，且定子组件及转子组件同轴套接在转动轴上，所述定子组件与转动轴接触两侧分别设有轴承，所述定子组件包括定子基体、弯振压电陶瓷片组和纵振压电陶瓷片组，所述定子基体为圆柱状金属体，所述圆柱状金属体圆周表面均匀设有多个肋板，所述肋板表面中间位置开设有椭圆形槽，所述弯振压电陶瓷片组固定在肋板两侧，所述纵振压电陶瓷片组固定在两个肋板之间的定子基体上；所述转子组件包括摩擦材料、预压力装置和转子，所述摩擦材料设置在定子组件和转子之间，所述设置在定子组件两端的转子外侧分别设有预压力装置；
作为本发明的进一步优选，所述预压力装置包括硅橡胶辅助压件和硅橡胶弹簧，所述硅橡胶辅助压件和硅橡胶弹簧由外至内依次设置在转子外侧；
作为本发明的进一步优选，所述预压力装置通过锁紧螺母紧固于转动轴上；
作为本发明的进一步优选，所述圆柱状金属体圆周表面均匀设有4个肋板，所述圆柱状金属体的顶部与底部分别设有4个齿形凸块，所述齿形凸块与肋板的高度相同；
作为本发明的进一步优选，所述肋板的长度大于圆柱状金属体的高度。
通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明避免使用工艺复杂的扭转压电陶瓷片，用于激励定子基体的扭转振动的压电陶瓷成本低，加工工艺简单，且装配方便；通过弯振压电陶瓷片组和纵振压电陶瓷片组分别激励纵向振动模态和扭转振动模态，使电机具有良好的可控性，电机定子结构更简单，可操作性强，为其应用及产业化打下了良好的基础。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的肋板位移型纵扭复合超声电机的剖视图；
图2是本发明的定子组件结构示意图；
图3是本发明的圆柱状金属体的结构示意图；
图4是本发明的肋板位移型纵扭复合超声电机定子的工作模态，其中：①指的是定子的1阶纵振模态振型，②为定子的2阶扭振模态振型；
图5是本发明肋板位移型纵扭复合超声电机定子的第一种压电陶瓷极化布置方式及加电方法，图中定子肋片两侧的弯振压电陶瓷片组的极化方向相反，需加φ、φ+90°、φ+180°所示的相位差信号激励；
图6是本发明肋板位移型纵扭复合超声电机定子的第二种压电陶瓷极化布置方式及加电方法。图中定子肋片两侧的弯振陶瓷片的极化方向相同，需加φ、φ+90°、φ所示的相位差信号激励。
图中：1.转动轴；2.轴承；3.定子基体；4.摩擦材料；5.转子；6.硅橡胶弹簧；7.硅橡胶辅助压件；8.锁紧螺母；9. 纵振压电陶瓷片组；10、11弯振压电陶瓷片组；12.椭圆形槽。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1-图3所示，本发明提供一种肋板位移型纵扭复合超声电机，包括定子组件和转子组件，所述定子组件两端分别设有转子组件，且定子组件及转子组件同轴套接在转动轴1上，所述定子组件与转动轴1接触两侧分别设有轴承2，所述定子组件包括定子基体3、弯振压电陶瓷片组10和纵振压电陶瓷片组9，所述定子基体3为圆柱状金属体，所述圆柱状金属体圆周表面均匀设有多个肋板，所述肋板表面中间位置开设有椭圆形槽12，所述弯振压电陶瓷片组10固定在肋板两侧，所述纵振压电陶瓷片组9固定在两个肋板之间的定子基体3上；所述转子组件包括摩擦材料4、预压力装置和转子5，所述摩擦材料4设置在定子组件和转子5之间，所述设置在定子组件两端的转子5外侧分别设有预压力装置。
所述椭圆形槽12为足球场形状设置。
由肋板两侧粘贴的弯振压电陶瓷片激发肋板的2阶弯曲振动模态，从而诱发定子的2阶扭转振动模态。粘贴在定子中间圆柱体侧面的纵振压电陶瓷片激发出定子的1阶纵向振动模态；扭转振动和纵向振动的最大振幅都在定子的端面上。
作为本发明的进一步优选，所述预压力装置包括硅橡胶辅助压件7和硅橡胶弹簧6，所述硅橡胶辅助压件7和硅橡胶弹簧6由外至内依次设置在转子5外侧；
作为本发明的进一步优选，所述预压力装置通过锁紧螺母8紧固于转动轴1上；
作为本发明的进一步优选，所述圆柱状金属体圆周表面均匀设有4个肋板，所述圆柱状金属体的顶部与底部分别设有4个齿形凸块，所述齿形凸块与肋板的高度相同；此种设置能够及时排除定、转子5工作期间产生的摩擦碎屑，保持电机工作稳定。
作为本发明的进一步优选，所述肋板的长度大于圆柱状金属体的高度。
图4是本发明提出的肋板位移型纵扭复合超声电机定子的工作模态。在图，1指的是定子的1阶纵振模态振型，2为定子的2阶扭振模态振型。
图5-图6所示：本发明的肋板位移型纵扭复合超声电机的的激励方式为：当肋板两侧弯振陶瓷片的极化方向相同且分布所有肋板上的极化方向呈顺时针或逆时针，用两个相位分别为φ和φ±90°的正弦信号同时激励弯振压电陶瓷片组10和纵振压电陶瓷片组9。当肋板两侧弯振陶瓷片的极化方向相反时，利用三个正弦信号来激励，其中定子肋片两侧的弯振压电陶瓷片组10上分别施加相位为φ和φ+180°的正弦信号，定子中间圆柱体侧面所粘贴纵振压电陶瓷片组9上施加相位为φ±90°的正弦信号。其中定子肋板上的弯振压电陶瓷片组10激励出肋板的1阶弯曲振动模态，由于肋板与中间圆柱体为一刚性整体，该弯曲振动模态经过转换能激发出中间圆柱体的2阶扭转振动模态，从而使定子整体呈现出2阶扭转振动模态； 定子中间圆柱体侧面上的纵振压电陶瓷片组9激励出中间圆柱体的1阶纵向振动模态，使定子整体呈现出1阶纵向振动模态，该2阶扭转振动模态和1阶纵向振动模态的合成使得定子端面质点形成椭圆轨迹驱动转子5旋转。
为了使电机能稳定工作，必须保证定子中的2阶扭转振动模态和1阶纵向振动模态的频率一致性，即这两个模态的频率差要控制在一定范围内（该频率差在本电机设计中考虑为100Hz），为了实现这个目的，每个肋板外侧中间均设置有足球场型槽，该足球场型槽对定子纵振模态频率影响大，对定子扭转振动模态频率影响小，可通过改变该槽的尺寸来调整定子纵振模态与定子扭转模态的频率一致性。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (4)
1.一种肋板位移型纵扭复合超声电机，包括轴承、定子组件和转子组件，所述定子组件两端分别设有转子组件，且定子组件及转子组件同轴套接在转动轴上，所述定子组件与转动轴接触两侧分别设有轴承，其特征在于：所述定子组件包括定子基体、弯振压电陶瓷片组和纵振压电陶瓷片组，所述定子基体为圆柱状金属体，所述圆柱状金属体圆周表面均匀设有多个肋板，所述肋板表面中间位置开设有椭圆形槽，所述弯振压电陶瓷片组固定在肋板两侧，所述纵振压电陶瓷片组固定在两个肋板之间的定子基体上；所述转子组件包括摩擦材料、预压力装置和转子，所述摩擦材料设置在定子组件和转子之间，所述设置在定子组件两端的转子外侧分别设有预压力装置；所述圆柱状金属体圆周表面均匀设有 4个肋板，所述圆柱状金属体的顶部与底部分别设有 4个齿形凸块，所述齿形凸块与肋板的高度相同。
2.根据权利要求 1 所述的肋板位移型纵扭复合超声电机，其特征在于：所述预压力装置包括硅橡胶辅助压件和硅橡胶弹簧，所述硅橡胶辅助压件和硅橡胶弹簧由外至内依次设置在转子外侧。
3.根据权利要求 2 所述的肋板位移型纵扭复合超声电机，其特征在于：所述预压力装置通过锁紧螺母紧固于转动轴上。
4.根据权利要求 3 所述的肋板位移型纵扭复合超声电机，其特征在于：所述肋板的长度大于圆柱状金属体的高度。
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