CN106059378A - 一种薄片式扭转型超声电机 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种薄片式扭转型超声电机，能够将压电陶瓷片产生的纵向与径向振动转化成定子内部波导结构的扭振模态，该扭振模态可使转子获得高转速。本发明包括：一种薄片式扭转型超声电机，包括转轴(1)，所述转轴(1)穿过卡槽垫片(2)、弹簧(3)、转子(5)与定子(6)，卡槽垫片(2)通过转轴(1)上的键槽锁紧在转轴(1)上，定子(6)上下表面贴有压电陶瓷片(4)，定子(6)通过摩擦驱动转子(5)旋转，定子(6)内部连接波导结构，所述波导结构由均匀分布的辐条状梁与中心圆筒相切构成。本发明适用于精密驱动与传动技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及精密驱动与传动技术领域，尤其涉及一种薄片式扭转型超声电机。
背景技术
超声电机是一种压电电机，其利用材料的逆压电效应，将电能转化为超声电机定子的振动能，再通过摩擦作用把振动转化为动子的平面或空间运动。在微型飞行机器人中，主要采用直流电机作为驱动马达，研究表明，随着尺寸的微型化直流电机的焦耳热损耗急剧增加，直流电机的绩效与质量之间的矛盾使其已经不再适用于更微小的飞行器。与传统电磁电机相比，超声电机结构紧凑，能量密度大，易于微型化；电机响应速度快，位置和速度控制性好可实现直接驱动；超声电机在工作时不产生磁场，不受外磁场干扰，抗电磁干扰能力强，易于与微控电路匹配。
纵扭型超声电机最为常见的工作模态是纵振和扭振的复合振动模态，因此电机的纵向振动和扭转振动的模态频率要设计为相同。扭转型电机可分为两大类，模态转换型与非模态转换型；其中，非模态转换型纵扭电机的压电陶瓷片结构复杂，易损坏且成本过高。而模态转换型纵扭电机，存在问题如斜槽式纵扭超声电机则存在旋转方向不可调节，陶瓷叠堆发热严重，能量转化效率低。
发明内容
本发明的实施例提供一种扭转型超速电机，基于波导转换原理，在电机定子内部设计有波导结构，可将环形压电陶瓷片所产生的纵向与径向振动高效的转化成定子内部波导结构的扭振模态，该扭振模态可使转子获得高转速，并且可以使得压电系统的尺寸可小型化到迷你尺寸。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
第一方面，本发明的实施例提供一种薄片式扭转型超声电机，包括转轴(1)，所述转轴(1)穿过卡槽垫片(2)、弹簧(3)、转子(5)与定子(6)，卡槽垫片(2)通过转轴(1)上的键槽锁紧在转轴(1)上，定子(6)上下表面贴有压电陶瓷片(4)，定子(6)通过摩擦驱动转子(5)旋转，其特征在于：定子(6)内部连接波导结构，所述波导结构由8根均匀分布的辐条状梁与中心圆筒相切构成。
结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述转子(5)通过弹簧(3)压紧在定子(6)的驱动端面上，所述弹簧(3)通过锁紧在转轴上的卡槽垫片(2)调节所述薄片式扭转型超声电机的预压力系统的预压力。
结合第一方面，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述定子(6)驱动面是波导结构中圆筒的上底面和下底面，所述转子(5)与所述波导结构驱动面通过弹簧(3)压紧。
结合第一方面，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述压电陶瓷片(4)为环形陶瓷薄片，沿厚度方向极化，上下两片压电陶瓷片极化方向相反。
结合第一方面，在第一方面的第三种可能的实现方式中，定子(6)上下胶结压电陶瓷片的表面经过研磨处理。
结合第一方面，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述定子(6)材料为钛合金或铍青铜。
结合第一方面，在第一方面的第四种可能的实现方式中，其特征在于，所述定子(6)形状为圆环形薄片。
本发明的实施例提供的薄片式扭转型超声电机，基于波导转换原理，在定子6内部连接波导结构，可将环形压电陶瓷片所产生的纵向与径向振动高效的转化成定子内部波导结构的扭振模态，该扭振模态可使转子获得高转速；同时，运用该结构的薄片式扭转型超声电机结构紧凑，尺寸小，空间占有率低，输出转速高，可应用于微型直升机马达，进一步地，可开发为微型高速马达。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种薄片式扭转型超声电机的结构示意图(对称型)；
图2为本发明实施例提供的一种薄片式扭转型超声电机的直线型定子结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种薄片式扭转型超声电机的双曲线型定子结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种薄片式扭转型超声电机的结构示意图(非对称型)；
图5为本发明实施例提供的超声电机一种对称型定子结构纵剖面示意图；
图6为本发明实施例提供的超声电机一种非对称型定子结构纵剖面示意图；其中，图中其他数字标识表示：1.转轴、2.卡槽垫片、3.弹簧、4.压电陶瓷、5.转子、6.定子、7.波导梁、9.驱动圆环、10.固定圆环、11.定子环、12.波导结构、13.驱动圆筒。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本发明的实施例提供一种扭转型超速电机，基于波导转换原理，在电机定子内部设计有波导结构，可将环形压电陶瓷片所产生的纵向与径向振动高效的转化成定子内部波导结构的扭振模态，该扭振模态可使转子获得高转速，并且可以使得压电系统的尺寸可小型化到迷你尺寸。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
第一方面，本发明的实施例提供一种薄片式扭转型超声电机，如图1所示，包括转轴1，所述转轴1穿过卡槽垫片2、弹簧3、转子5与定子6，卡槽垫片2通过转轴1上的键槽锁紧在转轴1上，转轴1在上下两端开有浅槽使卡槽垫片嵌入，定子6上下表面贴有压电陶瓷片4，定子6通过摩擦驱动转子5旋转；
定子6内部连接波导结构，所述波导结构由偶数个均匀分布的辐条状梁与中心圆筒相切构成，比如：波导结构可以由8根均匀分布的辐条状梁与中心圆筒相切构成。
结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述转子5通过弹簧3压紧在定子6的驱动端面上，所述弹簧3通过锁紧在转轴上的卡槽垫片2调节所述薄片式扭转型超声电机的预压力系统的预压力。
如图2所示，定子6的驱动面为驱动环9的上下两表面，转子5与驱动环9经弹簧3施加预压力后紧密接触，弹簧3经卡槽垫片2调节预压力，正常工况下定子6在驱动环端面处呈现高速扭转运动，经摩擦驱动上下两对称转子5转动。
如图2所示，电机采用定子一阶径向振动模态作为工作模态，波导结构采用8根直梁7相互成45°均布连接定子环11与驱动环9。其中固定圆环10连接在定子外侧，对定子起到支撑与振动能量保持作用。
结合图1和图2，当电机处于共振模态时梁结构处于λ/4共振模态时，如图1所示，上下两压电陶瓷片施加相同相位的激励，所述激励信号采用方波或锯齿波，定子6会出现径向收缩和舒张的振动模式，当定子6径向收缩时内部梁构7朝驱动圆环9切向收缩，驱动圆环9缩紧并沿外部梁结构7收缩方向旋转，驱动圆环9倒内圆角，转子5(圆柱形)倒外圆角，驱动圆环锁紧时与转子紧密接触依靠摩擦带动转子5旋转，定子6驱动圆环9上的点会产生空间上的椭圆运动。
如图3所示，当采用定子6一阶径向振动模态和圆柱体13一阶扭转振动模态作为工作模态，波导结构中的连接梁结构同图2所示采用八根直梁相互成45°均布连接定子，驱动环连接圆柱体13。
优选地，图3中，所述定子采用一阶径向振动模态作为工作模态，波导结构12采用十根双曲线梁均布连接定子6。
图4所示电机结构为本发明基于相同原理下的另一种形式(非对称型)。
结合第一方面，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述定子6驱动面是波导结构中圆筒的上底面和下底面，所述转子5与所述波导结构驱动面通过弹簧3压紧。
结合第一方面，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述压电陶瓷片为环形陶瓷薄片，沿厚度方向极化，上下两片压电陶瓷片极化方向相反。
结合第一方面，在第一方面的第三种可能的实现方式中，定子上下胶结压电陶瓷片的表面经过研磨处理。经研磨处理使压电陶瓷片4与定子表面充分胶合。
结合第一方面，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述定子6材料为钛合金或铍青铜。优选地，在本发明实施例中定子的制作材料使用钛合金，因为钛合金密度小，可有效降低超声电机的质量。
结合第一方面，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述定子6形状为圆环形薄片。
进一步地，本实施例中，所述电机定子梁单元也可设计为变截面梁：如图5(对称型)、图6(非对称性)。
如图5所示，变截面梁设计可使梁结构沿其轴线方向的伸长量大于等截面梁，起到振幅放大效果。如图6所示，非对称梁结构可使驱动圆环旋转的工作角速度增大，即增大转速。
本发明的实施例提供的薄片式扭转型超声电机，基于波导转换原理，在定子6内部连接波导结构，可将环形压电陶瓷片所产生的纵向与径向振动高效的转化成定子内部波导结构的扭振模态，该扭振模态可使转子获得高转速；同时，运用该结构的薄片式扭转型超声电机结构紧凑，尺寸小，空间占有率低，输出转速高，可应用于微型直升机马达，进一步地，可开发为微型高速马达。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种薄片式扭转型超声电机，其特征在于，包括：转轴(1)，转轴(1)穿过卡槽垫片(2)、弹簧(3)、转子(5)和定子(6)；
卡槽垫片(2)通过转轴(1)上的键槽锁紧在转轴(1)上，转轴(1)在上下两端开有浅槽使卡槽垫片(2)嵌入；
定子(6)上下表面贴有压电陶瓷片(4)，定子(6)通过摩擦驱动转子(5)旋转；
定子(6)内部连接波导结构，所述波导结构由偶数个均匀分布的辐条状梁与中心圆筒相切构成。
2.根据权利要求1所述的薄片式扭转型超声电机，其特征在于，转子(5)通过弹簧(3)压紧在定子(6)的驱动端面上，弹簧(3)通过锁紧在转轴上的卡槽垫片(2)调节所述薄片式扭转型超声电机的预压力。
3.根据权利要求1所述的薄片式扭转型超声电机，其特征在于，定子(6)驱动面是波导结构中圆筒的上底面和下底面，转子(5)与所述波导结构驱动面通过弹簧(3)压紧。
4.根据权利要求1所述的薄片式扭转型超声电机，其特征在于，压电陶瓷片(4)为环形陶瓷薄片，沿厚度方向极化，且上下两片压电陶瓷片极化方向相反。
5.根据权利要求4所述的薄片式扭转型超声电机，其特征在于，定子(6)上下胶结压电陶瓷片的表面经过研磨处理。
6.根据权利要求1所述的薄片式扭转型超声电机，其特征在于，定子(6)形状为圆环形薄片；定子(6)材料为钛合金或铍青铜。
7.根据权利要求1所述的薄片式扭转型超声电机，其特征在于，所述波导结构由8根均匀分布的辐条状梁与中心圆筒相切构成。
8.根据权利要求1所述的薄片式扭转型超声电机，其特征在于，所述波导结构由8根直梁(7)相互成45°均布连接定子环(11)与驱动环(9)，驱动环(9)连接圆柱体(13)。
9.根据权利要求1或8所述的薄片式扭转型超声电机，其特征在于，所述波导结构12采用10根双曲线梁均布连接定子(6)。
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| CN106059378B (zh) | 2019-04-19 |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |