CN106160566B - 一种基于压电叠堆驱动方式的行波型超声电机 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种基于压电叠堆驱动方式的行波型超声电机，涉及压电精密致动技术领域，能够在保证结构简单紧凑，响应速度快，且易于实现的同时，拓宽行波型超声电机在精密控制领域的应用范畴。本发明包括：行波型超声电机由压电叠堆5驱动；定子2内侧面为锥面的驱动面，转子9的侧面为与定子2相切的锥面；定子2的锥面上均匀分布相互交错的斜槽，且各个斜槽的槽深相等；定子2底部设有圆环形凹槽，压电叠堆5布置于圆环形凹槽内，压电叠堆5一侧粘接于定子2上；压电叠堆5与定子2的粘接面加工为一平面；压电叠堆5均匀镶嵌在定子2内部。本发明适用于行波型超声电机。
Description
技术领域
本发明涉及压电精密致动技术领域，尤其涉及一种基于压电叠堆驱动方式的行波型超声电机。
背景技术
超声电机利用压电材料的逆压电效应将电能转换为机械能，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，且电机响应速度快等诸多优点，称为目前主流发展的电机形式。
在目前常用方案中，电机的定子是由压电陶瓷和金属弹性体组成的特定形状的弹性复合体。其中，压电陶瓷采用超声频率的交流信号进行激励，进而在定子弹性体中激励出同频率的机械振动。定子输出端面质点振幅可以达到几微米到十几微米甚至几十微米，通过振动模式叠加在定子输出端面上的质点产生需要的运动轨迹，比如椭圆轨迹。转子(或动子)通过预压力施加将转子压在定子上，通过摩擦耦合使得定子上的微观椭圆运动转化为转子(或动子)的宏观运动输出。但是，在目前的设计中，电机的压电叠堆一般应用于非共型压电促动器，鲜有应用由压电叠堆驱动的共振型行波超声电机，因此缺乏对于行波型超声电机的设计方案，限制了目前的超声电机应用范围。
发明内容
本发明的实施例提供一种基于压电叠堆驱动方式的行波型超声电机，能够在保证结构简单紧凑，响应速度快，且易于实现的同时，拓宽行波型超声电机在精密控制领域的应用范畴。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
包括：机壳(1)、定子(2)、底座(3)、转轴(4)、压电叠堆(5)、预紧机构(6)、垫片(7)、轴承(8)和转子(9)，其中，预紧机构(6)和垫片(7)共同设置并组成完整的压电叠堆(5)的预紧机构；所述行波型超声电机由压电叠堆(5)驱动；定子(2)为环形，定子(2)内侧面为锥面，所述锥面为定子(2)的驱动面，转子(9)的侧面为与定子(2)相切的锥面，转子(9)的侧面与定子(2)的驱动面接触；定子(2)的所述锥面上均匀分布相互交错的斜槽，且各个斜槽的槽深相等；定子(2)底部设有圆环形凹槽，压电叠堆(5)布置于所述圆环形凹槽内，压电叠堆(5)一侧粘接于定子(2)上；压电叠堆(5)与定子(2)的粘接面加工为一平面，该平面的几何尺寸大于压电叠堆(5)与定子(2)粘接面的面积；压电叠堆(5)均匀镶嵌在定子(2)内部，各个压电叠堆(5)的外表面与金属垫片粘接，且金属垫片由预紧螺钉压紧固定，且每个压电叠堆5的导线连接到导电膜上，各个导电膜贴于定子(2)的底面。
本发明实施例提供的基于压电叠堆驱动方式的行波型超声电机，基于压电叠堆大位移大推力低驱动电压的特性，设计并应用了一种适用于压电叠堆的定子结构，可由压电叠堆激励出所述定子的共振模态，并且振幅明显，能够有效地驱动电机转动，实现了超声电机的低电压驱动。相对于典型的旋转型行波超声电机(比如典型的Φ60旋转型行波超声电机)，最大程度的保留了原有电机的外形结构(比如图5所示)，只通过改变电机内部结构(比如图6所示)，即实现原有行波型电机的基本功能，便于利用原有的生产设备和零件快速投产、组装，降低了生产成本。并且与现有技术相比，在本实施例提供的电机结构由压电叠堆驱动的行波型超声电机，实现了在行波型超声电机中应用。并且本实施例中的电机结构简单紧凑，与传统行波型超声电机相比较，可实现低电压驱动，使得其驱动电压与传统超声电机相比可成倍下降。在保证结构简单紧凑，响应速度快，且易于实现的同时，拓宽行波型超声电机在精密控制领域的应用范畴。
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由压电叠堆驱动的行波型超声电机定子内叠堆排布方式、极化方向以及电激励相位示意图；
图2为本发明实施例提供的由压电叠堆驱动的行波型超声电机定子底面结构示意图；
图3为本发明实施例提供的由压电叠堆驱动的行波型超声电机定子侧视图；
图4为本发明实施例提供的由压电叠堆驱动的行波型超声电机剖面图；
图5为本发明实施例提供的由压电叠堆驱动的行波型超声电机侧视图；
图6为本发明实施例提供的由压电叠堆驱动的行波型超声电机拆解图；
附图中的各数字标号表示：1-机壳2-定子3-底座4-转轴5-压电叠堆6-紧固螺钉7-金属垫片8-轴承9-转子。
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。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明实施例提供一种基于压电叠堆驱动方式的行波型超声电机，如图4所示的由压电叠堆驱动的行波型超声电机剖面图、图5所示的由压电叠堆驱动的行波型超声电机侧视图和图6所示的由压电叠堆驱动的行波型超声电机拆解图，该基于压电叠堆驱动方式的行波型超声电机包括：机壳1、定子2、底座3、转轴4、压电叠堆5、预紧机构6、垫片7、轴承8和转子9，其中，预紧机构6和垫片7共同设置并组成完整的压电叠堆5的预紧机构。
所述行波型超声电机由压电叠堆5驱动。
定子2为环形，定子2内侧面为锥面，所述锥面为定子2的驱动面，转子9的侧面为与定子2相切的锥面，转子9的侧面与定子2的驱动面接触。斜槽的作用是增大定子2驱动面的变形，促进波导的行进。
定子2的所述锥面上均匀分布相互交错的斜槽，且各个斜槽的槽深相等。
定子2底部设有圆环形凹槽，压电叠堆5布置于所述圆环形凹槽内，压电叠堆5一侧粘接于定子2上。
为保证压电叠堆5只受与其厚度方向平行的正应力的作用，压电叠堆5与定子2的粘接面加工为一平面，该平面的几何尺寸大于压电叠堆5与定子2粘接面的面积。
压电叠堆5均匀镶嵌在定子2内部，各个压电叠堆5的外表面与金属垫片粘接，且金属垫片由预紧螺钉压紧固定，且每个压电叠堆5的导线连接到导电膜上，各个导电膜贴于定子2的底面。
在本实施例中，定子2底面开有一圆环形凹槽，所述圆环形凹槽内嵌入压电叠堆5，压电叠堆5由垫片7、紧固螺钉8锁紧在定子2上；定子2底面贴有导电膜。例如：如图2所示，定子2底部有一圆环形凹槽，压电叠堆5布置于所述凹槽内，压电叠堆5一侧粘接于定子2上，为保证压电叠堆5只受与其厚度方向平行的正应力的作用，压电叠堆5与定子2的粘接面加工为一平面，该平面的几何尺寸略大于压电叠堆5与定子2粘接面的面积，各个压电叠堆5的外表面与金属垫片粘接，金属垫片由预紧螺钉压紧。每个压电叠堆5的导线连接到导电膜上，导电膜贴于定子2底面9，导电膜与定子2粘接的粘接面喷涂有绝缘材料。槽口10用于引出导电膜。
再如图3所示的，定子2环的驱动面为内侧的锥面11，该锥面上有交错的斜槽，且各个斜槽的槽深相等。斜槽的作用是增大定子2驱动面的变形，促进波导的行进。且在本实施例的优选方案中，定子2由磷青铜制成。
在本实施例中，在定子2内部，压电叠堆5环绕定子2的几何中心均匀排布。
且在本实施例的优选方案中，压电叠堆5沿厚度方向极化，其中，两个压电叠堆5为一组，每组正反交替的均匀布置在定子2的圆环形凹槽中；共设置12个均布的压电叠堆5来激励定子2的工作模态，其中，相邻两叠堆之间相差30°。
在本实施例中，所述相邻两叠堆之间的电激励相位相差90°，12个压电叠堆5分为6组，且相邻两组之间的压电叠堆5的极化方向相反，其中，电激励信号为正弦波。例如：如图1所示，定子2内部压电叠堆5环绕定子2环几何中心均匀排布，采用12个压电叠堆5激励定子2工作模态，相邻两叠堆之间相差30°。并采用正弦波作为电激励信号，相邻两叠堆之间电激励相位相差90°。其中，压电叠堆5的极化方向如图1所示，图1中各个箭头的指向表示对应压电叠堆5的极化方向。
为了使转子9与定子2充分接触从而增大电机的输出扭矩，在本实施例中，转子9的侧面为与定子2相切的锥面。其中，转子9的侧面涂有摩擦材料，例如：如图4、5、6所示的转子9的侧面为与定子2相切的锥面上，转子9与定子2的接触面涂有摩擦材料。具体的，如图4、5、6所示，转子9与定子2的预压力通过转轴4施加，预压力通过调整机壳1与转轴4之间金属垫片的个数调整，转轴4与转子9通过螺钉连接。旋进螺钉9与垫片7相接处，改变其旋进量的大小可调节金属垫片施加给压电叠堆5的预紧力大小。定子2通过螺丝连接固定在底座3上。其中，垫片7具体为金属垫片。
在本实施例中，定子2的工作模态采用环内B03、B06、B09模态。在优选方案中，定子2工作模态为环内B03模态。且本实施例中，可以通过反向施加电压可实现电机反转。
在本实施例中，基于压电叠堆大位移大推力低驱动电压的特性，设计了一种适用于压电叠堆的定子结构，可由压电叠堆激励出所述定子的共振模态，并且振幅明显，能够有效地驱动电机转动，实现了超声电机的低电压驱动。相对于典型的旋转型行波超声电机(比如典型的Φ60旋转型行波超声电机)，最大程度的保留了原有电机的外形结构(比如图5所示)，只通过改变电机内部结构(比如图6所示)，即实现原有行波型电机的基本功能，便于利用原有的生产设备和零件快速投产、组装，降低了生产成本。并且与现有技术相比，在本实施例提供的电机结构由压电叠堆驱动的行波型超声电机，实现了在行波型超声电机中应用。并且本实施例中的电机结构简单紧凑，与传统行波型超声电机相比较，可实现低电压驱动，使得其驱动电压与传统超声电机相比可成倍下降。在保证结构简单紧凑，响应速度快，且易于实现的同时，拓宽行波型超声电机在精密控制领域的应用范畴。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。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 (4)
1.一种基于压电叠堆驱动方式的行波型超声电机，其特征在于，包括：机壳(1)、定子(2)、底座(3)、转轴(4)、压电叠堆(5)、预紧机构(6)、垫片(7)、轴承(8)和转子(9)，其中，预紧机构(6)和垫片(7)共同设置并组成完整的压电叠堆(5)的预紧结构；
所述行波型超声电机由压电叠堆(5)驱动；
定子(2)为环形，定子(2)内侧面为锥面，所述锥面为定子(2)的驱动面，转子(9)的侧面为与定子(2)相切的锥面，转子(9)的侧面与定子(2)的驱动面接触；
定子(2)的所述锥面上均匀分布相互交错的斜槽，且各个斜槽的槽深相等；
定子(2)底部设有圆环形凹槽，压电叠堆(5)布置于所述圆环形凹槽内，压电叠堆(5)一侧粘接于定子(2)上；
压电叠堆(5)与定子(2)的粘接面加工为一平面，该平面的几何尺寸大于压电叠堆(5)与定子(2)粘接面的面积；
压电叠堆(5)均匀镶嵌在定子(2)内部，各个压电叠堆(5)的外表面与金属垫片粘接，且金属垫片由预紧螺钉压紧固定，且每个压电叠堆5的导线连接到导电膜上，各个导电膜贴于定子(2)的底面；
在定子(2)内部，压电叠堆(5)环绕定子(2)的几何中心均匀排布；
压电叠堆(5)沿厚度方向极化，其中，两个压电叠堆(5)为一组，每组正反交替的均匀布置在定子(2)的圆环形凹槽中；
共设置12个均布的压电叠堆(5)激励定子(2)的工作模态，其中，相邻两叠堆之间相差30°。
2.根据权利要求1所述的基于压电叠堆驱动方式的行波型超声电机，其特征在于，所述相邻两叠堆之间的电激励相位相差90°，12个压电叠堆(5)分为6组，且相邻两组之间的压电叠堆(5)的极化方向相反，其中，电激励信号为正弦波。
3.根据权利要求2所述的基于压电叠堆驱动方式的行波型超声电机，其特征在于，定子(2)的工作模态采用环内B03、B06、B09模态。
4.根据权利要求1所述的基于压电叠堆驱动方式的行波型超声电机，其特征在于，转子(9)的侧面涂有摩擦材料。
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