CN109004859A - 基于纵振的辐条式转子超声电机及其工作方式 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纵振的辐条式转子超声电机及其工作方式，包含定子、第一转子、第二转子、转动轴、弹簧、调节环和限位环；定子包含金属基体和四片压电陶瓷片；第一转子、第二转子均包含圆台、圆盘和若干金属辐条；金属基体两端分别和第一转子、第二转子中圆台的锥面自定心配合，通过弹簧、调节环、限位环对对定子和两个转子之间施加预压力。本发明将定子纵振时的伸长运动转换成第一转子、第二转子中金属辐条的弯曲，使第一转子、第二转子产生扭转，在定子与转子分离时使转子产生对定子的微幅转动，惯性作用下转子整体转动，使用灵活、控制简单。

Description

基于纵振的辐条式转子超声电机及其工作方式

技术领域

本发明涉及超声电机领域，尤其涉及一种基于纵振的辐条式转子超声电机及其工作方式。

背景技术

超声电机是一种利用压电材料的逆压电效应实现电能到机械能转换的新型作动器，其中单模态超声电机是一种针对大力矩、单一旋向等特殊需求的超声电机，利用单一振动模态通过摩擦力驱动转子，克服一般超声电机设计时多个模态谐振频率匹配的问题，具有广阔的应用前景。

模态转换型超声电机是一种典型的单模态超声电机，依靠模态转换机构来产生驱动转子所需的振动模态。这种振动模态需要对定子上的模态转换机构进行特殊设计，使基体的共振频率与局部的共振频率相接近，当对定子施加单相正弦信号时，就可以得到局部的复合振动，使接触点上质点形成驻波椭圆运动。理论上，这两个模态的频率越靠近，复合振动就越强，驱动效果也就越好。但实际上，通过研究发现，对于一些基于纵振的模态转换型电机，如ZL201010017668.9、ZL200910086400.8，存在两个模态难以调近的问题，最终会形成两个振型相似、频率相差1kHz~3kHz的复合模态，难以达到最佳驱动状态，同时两个模态的频率不匹配可能会加剧定子内摩擦，引起发热、功率散耗等问题。

模态转换的最终目的是为了在单一激励下使接触点处产生切向和法向的分运动，从而合成椭圆运动，一般情况下由基体纵振提供法向的运动，由模态转换得到的局部模态提供切向的运动。之前的大多数研究者将关注的重点放在了定子的设计上，而忽视了转子的设计。实际上转子在特定的条件下也可以产生合成椭圆运动所需的切向运动。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于纵振的辐条式转子超声电机及其工作方式。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于纵振的辐条式转子超声电机，包含定子、第一转子、第二转子、转动轴、弹簧、调节环和限位环；

所述定子包含金属基体和四片压电陶瓷片；

所述金属基体为两端开口的中空圆柱，其中部设有台阶，台阶的壁面上铣有四个平面，且所述金属基体关于其中心对称；

所述四片压电陶瓷片一一对应设置在所述金属基体台阶的四个平面上，用于接收外部激励信号产生振动；

所述第一转子、第二转子均包含圆台、圆盘和若干金属辐条；

所述圆台、圆盘同轴设置，圆台的半径小于圆盘，圆台远离圆盘的一面为锥面，且圆台、圆盘的轴线上均设有供所述转动轴穿过的通孔；

所述圆盘靠近圆台的端面上均匀设有和所述金属辐条一一对应的限位槽，所述圆台的侧壁上均匀设有和所述金属辐条一一对应的限位槽；所述金属辐条一端设置在圆盘上其对应的限位槽内、和所述圆盘固连，金属辐条的另一端设置在圆台上其对应的限位槽内、和所述圆台固连；所述金属辐条在圆盘上的投影均和所述圆台在圆盘上的投影相切；

所述转动轴依次穿过第一转子圆盘上的通孔、第一转子圆台上的通孔、金属基体、第二转子圆台上的通孔、第二转子圆盘上的通孔，其中，转动轴和第一转子圆盘上的通孔、第一转子圆台上的通孔、第二转子圆台上的通孔、第二转子圆盘上的通孔均间隙配合，金属基体的两端分别和第一转子圆台的锥面、第二转子圆台的锥面自定心配合；

所述限位环设置在所述转动轴靠近第二转子圆盘的一端、和所述转动轴固连，用于抵住所述第二转子转盘远离第一转子的端面、防止第二转子向外滑动；

所述调节环和所述转动轴靠近第一转子圆盘的一端螺纹连接；所述弹簧套在所述转动轴上，一端和所述调节环相抵、另一端和所述第一转子圆盘远离第二转子的端面相抵；所述调节环用于调节所述弹簧的预紧力；

所述第一转子、第二转子呈镜面对称。

作为本发明基于纵振的辐条式转子超声电机进一步的优化方案，所述第一转子、第二转子中圆盘远离圆台一侧的中心均设有限位凹槽，其中，第一转子圆盘的限位凹槽用于放置弹簧，第二转子圆盘的限位凹槽用于放置限位环。

作为本发明基于纵振的辐条式转子超声电机进一步的优化方案，所述第一转子、第二转子中金属辐条的个数均为4个。

本发明还公开了一种该基于纵振的辐条式转子超声电机的工作方式，其中，所述第一转子的工作过程如下：

对压电陶瓷片施加正弦信号时，定子处于一阶纵振状态，在一个振动周期内：

定子伸长前，第一转子的金属辐条由于定子和第一转子间的预压力产生弯曲，使第一转子的圆盘相对于其圆台产生预扭转；

当定子伸长时，第一转子金属辐条的弯曲加剧，带动其圆盘相对于圆台微幅转动；

当定子缩短后，定子与第一转子分离，第一转子的圆盘在惯性下继续扭转，第一转子的金属辐条弯曲产生的弹性势能被释放出来转换成其圆台的转动动能，使得第一转子的圆台发生相对于定子的微幅转动；

第一转子在高频往复作用之下，表现为相对于定子的持续宏观转动。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明中超声电机采用贴片式结构，压电陶瓷片工作在d31模式下，相比于夹心式结构，省去了预紧螺栓等结构，装配方便，易于微型化；定子在设计时只需考虑纵振频率，不用对多个模态进行模态一致性调节，简化了定子设计；辐条式转子的金属辐条具有放大位移的作用，金属辐条越长，放大效果越强。此外，本发明中的超声电机结构具有非常好的对称性，这种结构控制特性和阻抗特性上的对称性有利于电机的控制器设计。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的结构剖面示意图；

图3是本发明定子的结构示意图；

图4（a）、图4（b）分别是本发明第一转子和第二转子中金属辐条呈逆时针、正时针分布时的结构示意图；

图5是本发明第一转子和第二转子的工作示意图。

图中，1-转动轴，2-调节环，3-弹簧，4-第一辐条式转子，5-金属基体，6-压电陶瓷片，7-第二辐条式转子，8-限位凹槽，9-限位环，10-圆盘，11-圆台，12-金属辐条。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本发明提出一种基于纵振的辐条式转子超声电机基于纵振的辐条式转子超声电机，包含定子、第一转子、第二转子、转动轴、弹簧、调节环和限位环。

所述定子包含金属基体和四片压电陶瓷片；如图3所示，所述金属基体为两端开口的中空圆柱，其中部设有台阶，台阶的壁面上铣有四个平面，且所述金属基体关于其中心对称；所述四片压电陶瓷片一一对应设置在所述金属基体台阶的四个平面上，用于接收外部激励信号产生振动。

所述第一转子、第二转子均包含圆台、圆盘和若干金属辐条；所述圆台、圆盘同轴设置，圆台的半径小于圆盘，圆台远离圆盘的一面为锥面，且圆台、圆盘的轴线上均设有供所述转动轴穿过的通孔；所述圆盘靠近圆台的端面上均匀设有和所述金属辐条一一对应的限位槽，所述圆台的侧壁上均匀设有和所述金属辐条一一对应的限位槽；所述金属辐条一端设置在圆盘上其对应的限位槽内、和所述圆盘固连，金属辐条的另一端设置在圆台上其对应的限位槽内、和所述圆台固连；所述金属辐条在圆盘上的投影均和所述圆台在圆盘上的投影相切。

可以通过向圆盘和圆台上的限位孔注入环氧树脂胶的方式，使得金属辐条和圆盘、圆台固连。

图4（a）、图4（b）分别是本发明第一转子和第二转子中金属辐条呈逆时针、正时针分布时的结构示意图，这里金属辐条的个数均为4个。

如图2所示，所述转动轴依次穿过第一转子圆盘上的通孔、第一转子圆台上的通孔、金属基体、第二转子圆台上的通孔、第二转子圆盘上的通孔，其中，转动轴和第一转子圆盘上的通孔、第一转子圆台上的通孔、第二转子圆台上的通孔、第二转子圆盘上的通孔均间隙配合，金属基体的两端分别和第一转子圆台的锥面、第二转子圆台的锥面自定心配合；所述限位环设置在所述转动轴靠近第二转子圆盘的一端、和所述转动轴固连，用于抵住所述第二转子转盘远离第一转子的端面、防止第二转子向外滑动；所述调节环和所述转动轴靠近第一转子圆盘的一端螺纹连接；所述弹簧套在所述转动轴上，一端和所述调节环相抵、另一端和所述第一转子圆盘远离第二转子的端面相抵；所述调节环用于调节所述弹簧的预紧力；所述第一转子、第二转子呈镜面对称。

所述第一转子、第二转子中圆盘远离圆台一侧的中心均设有限位凹槽，其中，第一转子圆盘的限位凹槽用于放置弹簧，第二转子圆盘的限位凹槽用于放置限位环。

本发明还公开了一种该基于纵振的辐条式转子超声电机的工作方式，所述第一转子的工作过程如下：

对压电陶瓷片施加正弦信号时，定子处于一阶纵振状态，在一个振动周期内：

如图5所示，首先，第一转子处于未变形状态；

然后，定子伸长前，第一转子的金属辐条由于定子和第一转子间的预压力产生弯曲，使第一转子的圆盘相对于其圆台产生预扭转；当定子伸长时，第一转子金属辐条的弯曲加剧，带动其圆盘相对于圆台微幅转动；

接着,当定子缩短后，定子与第一转子分离，第一转子的圆盘在惯性下继续扭转，第一转子的金属辐条弯曲产生的弹性势能被释放出来转换成其圆台的转动动能，使得第一转子的圆台发生相对于定子的微幅转动。

第一转子在高频往复作用之下，表现为相对于定子的持续宏观转动。

第二转子的转动原理和第一转子类似，此处不再累述。

本技术领域技术人员可以理解的是，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。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于纵振的辐条式转子超声电机，其特征在于，包含定子、第一转子、第二转子、转动轴、弹簧、调节环和限位环；

所述定子包含金属基体和四片压电陶瓷片；

所述金属基体为两端开口的中空圆柱，其中部设有台阶，台阶的壁面上铣有四个平面，且所述金属基体关于其中心对称；

所述四片压电陶瓷片一一对应设置在所述金属基体台阶的四个平面上，用于接收外部激励信号产生振动；

所述第一转子、第二转子均包含圆台、圆盘和若干金属辐条；

所述圆台、圆盘同轴设置，圆台的半径小于圆盘，圆台远离圆盘的一面为锥面，且圆台、圆盘的轴线上均设有供所述转动轴穿过的通孔；

所述圆盘靠近圆台的端面上均匀设有和所述金属辐条一一对应的限位槽，所述圆台的侧壁上均匀设有和所述金属辐条一一对应的限位槽；所述金属辐条一端设置在圆盘上其对应的限位槽内、和所述圆盘固连，金属辐条的另一端设置在圆台上其对应的限位槽内、和所述圆台固连；所述金属辐条在圆盘上的投影均和所述圆台在圆盘上的投影相切；

所述转动轴依次穿过第一转子圆盘上的通孔、第一转子圆台上的通孔、金属基体、第二转子圆台上的通孔、第二转子圆盘上的通孔，其中，转动轴和第一转子圆盘上的通孔、第一转子圆台上的通孔、第二转子圆台上的通孔、第二转子圆盘上的通孔均间隙配合，金属基体的两端分别和第一转子圆台的锥面、第二转子圆台的锥面自定心配合；

所述限位环设置在所述转动轴靠近第二转子圆盘的一端、和所述转动轴固连，用于抵住所述第二转子转盘远离第一转子的端面、防止第二转子向外滑动；

所述调节环和所述转动轴靠近第一转子圆盘的一端螺纹连接；所述弹簧套在所述转动轴上，一端和所述调节环相抵、另一端和所述第一转子圆盘远离第二转子的端面相抵；所述调节环用于调节所述弹簧的预紧力；

所述第一转子、第二转子呈镜面对称。

2.根据权利要求1所述的基于纵振的辐条式转子超声电机，其特征在于，所述第一转子、第二转子中圆盘远离圆台一侧的中心均设有限位凹槽，其中，第一转子圆盘的限位凹槽用于放置弹簧，第二转子圆盘的限位凹槽用于放置限位环。

3.根据权利要求1所述的基于纵振的辐条式转子超声电机，其特征在于，所述第一转子、第二转子中金属辐条的个数均为4个。

4.基于权利要求1所述的基于纵振的辐条式转子超声电机的工作方式，其特征在于，所述第一转子的工作过程如下：

对压电陶瓷片施加正弦信号时，定子处于一阶纵振状态，在一个振动周期内：

定子伸长前，第一转子的金属辐条由于定子和第一转子间的预压力产生弯曲，使第一转子的圆盘相对于其圆台产生预扭转；

当定子伸长时，第一转子金属辐条的弯曲加剧，带动其圆盘相对于圆台微幅转动；

当定子缩短后，定子与第一转子分离，第一转子的圆盘在惯性下继续扭转，第一转子的金属辐条弯曲产生的弹性势能被释放出来转换成其圆台的转动动能，使得第一转子的圆台发生相对于定子的微幅转动；

第一转子在高频往复作用之下，表现为相对于定子的持续宏观转动。