CN109510507A - 并联无轴承双旋式驻波型直线超声波电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种并联无轴承双旋式驻波型直线超声波电机，包括定子和转子，转子包括内转子和外转子，定子设于内转子和外转子间，定子包括若干定子单元和鼠笼型固定结构，定子单元包括弹性体、左端压电陶瓷和右端压电陶瓷，弹性体采用弧形结构，弹性体通过鼠笼型固定结构定位且弹性体共同排列形成环形，弹性体的内表面设有两个内驱动足，内驱动足与内转子接触，弹性体的外表面设有两个外驱动足，外驱动足与外转子接触，内驱动足、外驱动足反向同弧度偏离定子单元驻波波节位置；本发明与目前流行的直线型超声波电机相比，该电机结构紧凑、无轴承，内外转子双向旋转。

Description

并联无轴承双旋式驻波型直线超声波电机

技术领域

本发明涉及一种并联无轴承双旋式驻波型直线超声波电机。

背景技术

驻波型直线超声波电机有两类，一类是复合模态电机，一类是单模态电机。前者工作时定子中有两个模态，因此其结构设计相对复杂，后者工作时只采用一个模态，故设计相对简单，但其驱动方向为单向。驻波型直线超声波电机定子结构一般是直线，其输出也一般是直线。

目前现有的驻波型直线超声波电机存在着或结构设计相对复杂，或难以实现双向旋转的问题。

上述问题是在驻波型直线超声波电机的设计过程中应当予以考虑并解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种并联无轴承双旋式驻波型直线超声波电机解决现有技术中存在的或结构设计相对复杂，或难以实现双向旋转的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种并联无轴承双旋式驻波型直线超声波电机，包括定子和转子，转子包括内转子和外转子，定子设于内转子和外转子间，定子包括若干定子单元和鼠笼型固定结构，定子单元包括弹性体、左端压电陶瓷和右端压电陶瓷，弹性体采用弧形结构，弹性体通过鼠笼型固定结构定位且弹性体共同排列形成环形，每个弹性体的两端分别设有左端压电陶瓷和右端压电陶瓷，左端压电陶瓷和右端压电陶瓷分别采用径向方向极化的压电陶瓷；当陶瓷施加圆周方向的交变电场时，利用陶瓷扭振模式激励定子弹性体产生面内一阶弯振，弹性体的内表面设有两个内驱动足，内驱动足与内转子接触，弹性体的外表面设有两个外驱动足，外驱动足与外转子接触，内驱动足、外驱动足反向同弧度偏离定子单元驻波波节位置，定子单元在波节位置弹性体振幅为零。

进一步地，定子单元的左端压电陶瓷和右端压电陶瓷采用如下三种布置方案中任一种：方案一，左端压电陶瓷和右端压电陶瓷极化方向均为径向方向的正方向，左端压电陶瓷和右端压电陶瓷在径向和轴向方向上具有相同大小和正负的参数，在周向上其大小相等，符号相反；方案二，左端压电陶瓷和右端压电陶瓷的极化方向一块为正径向方向，另一块为负径向方向，两块压电陶瓷在轴向方向具有相同大小和正负的参数，在径向和周向上其大小相等，符号相反；方案三，左端压电陶瓷和右端压电陶瓷两块压电陶瓷极化方向一块为正径向方向，另一块为负径向方向，两块压电陶瓷在周向方向具有相同大小和正负的参数，在径向和轴向上其大小相等，符号相反。

进一步地，鼠笼型固定结构包括绝缘套环和若干定位铜条，定位铜条分别垂直连接在绝缘套环上，同一个弹性体两端的左端压电陶瓷和右端压电陶瓷分别粘结在相邻的两根定位铜条上，定位铜条的共同外围环绕绝缘套环并固定形成稳定的鼠笼型固定结构。

进一步地，与左端压电陶瓷、右端压电陶瓷粘结在一起的定位铜条为定子单元供电，在左端压电陶瓷和右端压电陶瓷中产生周向方向电场；同一定子单元上的左端压电陶瓷和右端压电陶瓷的外端部侧面所接电源一个为电源正极，另外一个为电源负极。

进一步地，外转子在外驱动足的作用下正转，内转子在内驱动足的作用下反转。

进一步地，内转子与外转子通过定子单元进行固定，且无轴承。

进一步地，定子是由若干个定子单元在周向和轴向上并联而成。

本发明的有益效果是：

一、本发明在单模态驻波型直线超声波电机设计简单的优势上，将驻波型直线超声波电机定子弯曲，以在圆周的周向上获得输出，并借助弧形定子单元的特征，实现并联、无轴承、双旋等功能。

二、该种并联无轴承双旋式驻波型直线超声波电机，采用弧型定子弹性体，将单模态驻波型直线超声波电机的直线运动转换为旋转运动。采用弧型定子弹性体，因此多个定子弹性体共同并联驱动同一圆形转子，具有方便性，能够提高电机的输出。

三、该种并联无轴承双旋式驻波型直线超声波电机，内驱动足、外驱动足同时异向驱动内外转子，电机能够实现双向旋转。

四、本发明中，左端压电陶瓷、右端压电陶瓷位于定子弹性体端部，利用压电陶瓷的扭振模式激励弹性体振动；且由于压电陶瓷在周向上较短，故压电陶瓷可采用弧形结构，也可近似采用长方体结构。因此压电陶瓷的制备和安装具有优势。

五、虽然每个定子单元有两个压电陶瓷，但本发明设计的陶瓷布置方案，使每个定子单元只需接一个电源，即将两块压电陶瓷分别接电源的两极就可在陶瓷中形成需要的电场，电源简单，接线方便。定子单元的通电和固定均是通过定位铜条实现，电机结构紧凑、接线简单。

六、该种并联无轴承双旋式驻波型直线超声波电机，内转子与外转子依靠定子单元进行固定，无轴承。本发明与目前流行的直线型超声波电机相比，结构紧凑、无轴承，内转子、外转子双向旋转。

附图说明

图1是本发明实施例并联无轴承双旋式驻波型直线超声波电机的结构示意图。

其中：1-外转子，2-鼠笼型固定结构，3-定子单元，4-内转子。

图2是实施例中采用Z型弹性体的弯曲型定子单元的结构示意图。

其中：35-弹性体，36-左端压电陶瓷，37-右端压电陶瓷。

图3是实施例中采用T型弹性体的弯曲型定子单元的结构示意图。

其中：35-弹性体，36-左端压电陶瓷，37-右端压电陶瓷。

图4是实施例中采用U型弹性体的弯曲型定子单元的结构示意图。

其中：35-弹性体，36-左端压电陶瓷，37-右端压电陶瓷。

图5是实施例中采用十字型弹性体的弯曲型定子单元的结构示意图。

其中：35-弹性体，36-左端压电陶瓷，37-右端压电陶瓷。

图6是实施例中采用端部无凸出结构的弹性体的弯曲型定子单元的结构示意图。

其中：35-弹性体，36-左端压电陶瓷，37-右端压电陶瓷。

图7是实施例中定子单元压电陶瓷布置方案一的说明示意图。

其中：1L、2L、3L、4L、5L、6L-左端压电陶瓷六个自由度方向，1R、2R、3R、4R、5R、6R-右端压电陶瓷六个自由度方向。

图8是实施例中定子单元压电陶瓷布置方案二的说明示意图。

其中：1L、2L、3L、4L、5L、6L-左端压电陶瓷六个自由度方向，1R、2R、3R、4R、5R、6R-右端压电陶瓷六个自由度方向。

图9是实施例中定子单元压电陶瓷布置方案三的说明示意图。

其中：1L、2L、3L、4L、5L、6L-左端压电陶瓷六个自由度方向，1R、2R、3R、4R、5R、6R-右端压电陶瓷六个自由度方向。

图10是实施例中鼠笼型定位铜条固定结构的示意图。

其中：21-绝缘套环，22-定位铜条。

图11是实施例中驱动足运行机理图。

其中：1-外转子，4-内转子，31-左内驱动足，32-右内驱动足，33-左外驱动足，34-右外驱动足，35-弹性体，36-左端压电陶瓷，37-右端压电陶瓷，38-振幅为零时定子单元的中性线，39-振幅最大时定子单元的中性线，A-定子单元左侧驻波波节位置，B-定子单元右侧驻波波节位置。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例

一种并联无轴承双旋式驻波型直线超声波电机，如图1，包括定子和转子，转子包括内转子4和外转子1，定子设于内转子4和外转子1间，定子包括若干定子单元3和鼠笼型固定结构2，定子单元3包括弹性体35、左端压电陶瓷36和右端压电陶瓷37，弹性体35采用弧形结构，弹性体35通过鼠笼型固定结构2定位且弹性体35共同排列形成环形，每个弹性体35的两端分别设有左端压电陶瓷36和右端压电陶瓷37，左端压电陶瓷36和右端压电陶瓷37分别采用径向方向极化的压电陶瓷；当陶瓷施加圆周方向的交变电场时，利用陶瓷扭振模式激励定子弹性体35产生面内一阶弯振，弹性体35的内表面设有两个内驱动足，内驱动足与内转子4接触，弹性体35的外表面设有两个外驱动足，外驱动足与外转子1接触，内驱动足、外驱动足反向同弧度偏离定子单元驻波波节位置，定子单元3在波节位置弹性体振幅为零。

该种并联无轴承双旋式驻波型直线超声波电机，在单模态驻波型直线超声波电机设计简单的优势上，将驻波型直线超声波电机定子弯曲，以在圆周的周向上获得输出，并借助弧形定子单元3的特征，实现并联、无轴承、双旋等功能。该种并联无轴承双旋式驻波型直线超声波电机，采用弧型定子弹性体35，将单模态驻波型直线超声波电机的直线运动转换为旋转运动。采用弧型定子弹性体35，因此多个定子弹性体35共同并联驱动同一圆形转子，具有方便性，能够提高电机的输出。

实施例中，定子单元3为弧形结构，在内外表面各布有两个内驱动足、两个外驱动足，内驱动足、外驱动足反向同弧度偏离定子单元3驻波波节位置，并与内转子4、外转子1紧密接触，因此可省去轴承。通电时，定子单元3产生面内驻波，外转子1在外驱动足的作用下正转，内转子4在内驱动足的作用下反转。由于定子单元3为弧型结构，因此多个定子单元3可以共同作用于同一圆形转子，在周向和轴向上形成并联。

实施例中，鼠笼型固定结构2包括绝缘套环21和若干定位铜条22，定位铜条22分别垂直连接在绝缘套环21上，同一个弹性体35两端的左端压电陶瓷36和右端压电陶瓷37分别粘结在相邻的两根定位铜条22上，定位铜条22的共同外围环绕绝缘套环21并固定形成稳定的鼠笼型固定结构2。

实施例中，与左端压电陶瓷36、右端压电陶瓷37粘结在一起的定位铜条22为定子单元3供电，在左端压电陶瓷36和右端压电陶瓷37中产生周向方向电场；同一定子单元3上的左端压电陶瓷36和右端压电陶瓷37的外端部侧面所接电源一个为电源正极，另外一个为电源负极。

该种并联无轴承双旋式驻波型直线超声波电机，多个弧型定子单元3在周向和轴向上并联；定子单元3固定于定位铜条22上，同时定位铜条22给定子单元3供电，定位铜条22外围由绝缘套环21固定形成稳定的鼠笼型固定结构2，整体鼠笼结构在一端端部由绝缘套环21进行整体固定；定子单元3、鼠笼型定位铜条22固定结构2组合在一起一同插入内转子4和外转子1之间；内转子4和外转子1依靠定子单元3固定，外驱动足驱动外转子1正转，内驱动足驱动内转子4反转。内转子4与外转子1通过定子单元3进行固定，且无轴承。

如图2、图3、图4、图5和图6，实施例中弹性体35可采用多种形式，图2-6中五种结构均是实施例中优选使用的定子单元3的弹性体35结构。

图2中，Z 型弹性体35两端粘结有左端压电陶瓷36和右端压电陶瓷37，弹性体35内外表面各布有两个内驱动足、两个外驱动足，内驱动足、外驱动足反向同弧度偏离定子单元3驻波波节位置。

图3中，T型弹性体35两端粘结有左端压电陶瓷36和右端压电陶瓷37，弹性体35内外表面各布有两个内驱动足、两个外驱动足，内驱动足、外驱动足反向同弧度偏离定子单元3驻波波节位置。

图4中，U型弹性体35两端粘结有左端压电陶瓷36和右端压电陶瓷37，弹性体35内外表面各布有两个内驱动足、两个外驱动足，内驱动足、外驱动足反向同弧度偏离定子单元3驻波波节位置。

图5中，十字型弹性体35两端粘结有左端压电陶瓷36和右端压电陶瓷37，弹性体35内外表面各布有两个内驱动足、两个外驱动足，内驱动足、外驱动足反向同弧度偏离定子单元3驻波波节位置。

图6中，端部无凸出结构弹性体35两端粘结有左端压电陶瓷36和右端压电陶瓷37，弹性体35内外表面各布有两个内驱动足、两个外驱动足，内驱动足、外驱动足反向同弧度偏离定子单元3驻波波节位置。

左端压电陶瓷36的外端部侧面接电源正极，右端压电陶瓷37的外端部侧面接电源负极，从而在左端压电陶瓷36、右端压电陶瓷37中产生周向顺时针方向电场。

如图7，定子单元3两端的左端压电陶瓷36、右端压电陶瓷37的布置方案一，左端压电陶瓷36、右端压电陶瓷37两块压电陶瓷的参数大小相等，两块压电陶瓷具有相同的2、3、5、6自由度方向，具有相反的1、4自由度方向，极化方向为3自由度方向。即两块压电陶瓷的极化方向均为电机的径向正方向，两块压电陶瓷在径向和轴向方向具有相同大小和正负的参数，在周向方向参数的大小相等，符号相反。当压电陶瓷施加圆周方向的交变电场时，利用压电陶瓷扭振模式，各自在5L和5R方向进行交替形变，且时间相位相差180°，激励定子弹性体35产生一阶弯振。

如图8，定子单元3两端的左端压电陶瓷36、右端压电陶瓷37的布置方案二，两块压电陶瓷的参数大小相等，左端压电陶瓷36、右端压电陶瓷37两块压电陶瓷具有相同的2、5自由度方向，具有相反的1、3、4、6自由度方向，极化方向为3自由度方向。即两块压电陶瓷的极化方向相反，一块为正径向极化方向，一块为负径向极化方向。两块压电陶瓷在轴向方向具有相同大小和正负的参数，在周向和径向方向参数的大小相等，符号相反。当压电陶瓷施加圆周方向的交变电场时，利用压电陶瓷扭振模式，各自在5L和5R方向进行交替形变，且时间相位相差180°，激励定子弹性体35产生一阶弯振。

如图9，定子单元3两端的左端压电陶瓷36、右端压电陶瓷37的布置方案三，两块压电陶瓷的参数大小相等，左端压电陶瓷36、右端压电陶瓷37两块压电陶瓷具有相同的1、4自由度方向，具有相反的2、3、5、6自由度方向，极化方向为3自由度方向。即两块压电陶瓷的极化方向相反，一块为正径向极化方向，一块为负径向极化方向。两块压电陶瓷在周向方向具有相同大小和正负的参数，在轴向和径向方向参数的大小相等，符号相反。当压电陶瓷施加圆周方向的交变电场时，利用压电陶瓷扭振模式，各自在5L和5R方向进行交替形变，且时间相位相差180°，激励定子弹性体35产生一阶弯振。

如图10，鼠笼型固定结构2由绝缘套环21和定位铜条22构成。定位铜条22外围由绝缘套环21固定形成稳定的鼠笼型固定结构2，整体鼠笼结构在一端端部进行整体固定。

实施例中，内驱动足包括左内驱动足31和右内驱动足32，左内驱动足31和右内驱动足32分别设于弹性体35内表面的两端，外驱动足包括左外驱动足33和右外驱动足34，左外驱动足33和右外驱动足34分别设于弹性体35外表面的两端。

如图11，定子单元3的内驱动足、外驱动足驱动电机转动的运动机理如下：

A、B分别为振幅为零时定子单元的中性线38与振幅最大时定子单元的中性线39的左右交点，即定子单元左侧驻波波节位置与定子单元右侧驻波波节位置。内驱动足包括左内驱动足31和右内驱动足32，左内驱动足31偏离定子单元3左侧驻波波节位置和右内驱动足32偏离定子单元3右侧驻波波节位置同向同弧度。外驱动足包括左外驱动足33和右外驱动足34，左外驱动足33偏离定子单元3左侧驻波波节位置和右外驱动足34偏离定子单元3右侧驻波波节位置同向同弧度。左内驱动足31偏离定子单元3左侧驻波波节位置和左外驱动足33偏离定子单元3左侧驻波波节位置反向同弧度。

以一个定子单元3为例，左端压电陶瓷36和右端压电陶瓷37接电源正负极，弹性体35发生谐振；首先，定子单元3的左外驱动足33受到向左上方的推力，与外转子1接触，右外驱动足34受到向右下方的拉力，与外转子1逐渐脱离，左外驱动足33摩擦力大于右外驱动足34的摩擦力，则外转子1在驱动足的作用下正转；左内驱动足31受到向右下方的推力，与内转子4接触，右内驱动足32受到向左上方的拉力，与内转子4逐渐脱离，左内驱动足31摩擦力大于右内驱动足32的摩擦力，则内转子4在左内驱动足31的作用下反转。外转子1正转和内转子4反转同时进行，实现双旋运动。

随着时间推移，接下来右外驱动足34受到向左上方的推力，与外转子1接触，左外驱动足33受到向右下方的拉力，与外转子1逐渐脱离，右外驱动足34摩擦力大于左外驱动足33的摩擦力，则外转子1在右外驱动足34的作用下正转。右内驱动足32受到向右下方的推力，与内转子4接触，左内驱动足31受到向左上方的拉力，与内转子4逐渐脱离，右内驱动足32摩擦力大于左内驱动足31摩擦力，则内转子4在右内驱动足32的作用下反转。外转子1正转和内转子4反转同时进行，实现双旋运动。

随时时间推移，电机将重复上述两个步骤，连续旋转。

Claims (7)

1.一种并联无轴承双旋式驻波型直线超声波电机，包括定子和转子，其特征在于：转子包括内转子和外转子，定子设于内转子和外转子间，定子包括若干定子单元和鼠笼型固定结构，定子单元包括弹性体、左端压电陶瓷和右端压电陶瓷，弹性体采用弧形结构，弹性体通过鼠笼型固定结构定位且弹性体共同排列形成环形，每个弹性体的两端分别设有左端压电陶瓷和右端压电陶瓷，左端压电陶瓷和右端压电陶瓷分别采用径向方向极化的压电陶瓷；当陶瓷施加圆周方向的交变电场时，利用陶瓷扭振模式激励定子弹性体产生面内一阶弯振，弹性体的内表面设有两个内驱动足，内驱动足与内转子接触，弹性体的外表面设有两个外驱动足，外驱动足与外转子接触，内驱动足、外驱动足反向同弧度偏离定子单元驻波波节位置，定子单元在波节位置弹性体振幅为零。

2.如权利要求1所述的并联无轴承双旋式驻波型直线超声波电机，其特征在于：定子单元的左端压电陶瓷和右端压电陶瓷采用如下三种布置方案中任一种：方案一，左端压电陶瓷和右端压电陶瓷极化方向均为径向方向的正方向，左端压电陶瓷和右端压电陶瓷在径向和轴向方向上具有相同大小和正负的参数，在周向上其大小相等，符号相反；方案二，左端压电陶瓷和右端压电陶瓷的极化方向一块为正径向方向，另一块为负径向方向，两块压电陶瓷在轴向方向具有相同大小和正负的参数，在径向和周向上其大小相等，符号相反；方案三，左端压电陶瓷和右端压电陶瓷两块压电陶瓷极化方向一块为正径向方向，另一块为负径向方向，两块压电陶瓷在周向方向具有相同大小和正负的参数，在径向和轴向上其大小相等，符号相反。

3.如权利要求1所述的并联无轴承双旋式驻波型直线超声波电机，其特征在于：鼠笼型固定结构包括绝缘套环和若干定位铜条，定位铜条分别垂直连接在绝缘套环上，同一个弹性体两端的左端压电陶瓷和右端压电陶瓷分别粘结在相邻的两根定位铜条上，定位铜条的共同外围环绕绝缘套环并固定形成稳定的鼠笼型固定结构。

4.如权利要求1-3所述的并联无轴承双旋式驻波型直线超声波电机，其特征在于：与左端压电陶瓷、右端压电陶瓷粘结在一起的定位铜条为定子单元供电，在左端压电陶瓷和右端压电陶瓷中产生周向方向电场；同一定子单元上的左端压电陶瓷和右端压电陶瓷的外端部侧面所接电源一个为电源正极，另外一个为电源负极。

5.如权利要求4所述的并联无轴承双旋式驻波型直线超声波电机，其特征在于：外转子在外驱动足的作用下正转，内转子在内驱动足的作用下反转。

6.如权利要求5所述的并联无轴承双旋式驻波型直线超声波电机，其特征在于：内转子与外转子通过定子单元进行固定，且无轴承。

7.如权利要求6所述的并联无轴承双旋式驻波型直线超声波电机，其特征在于：定子是由若干个定子单元在周向和轴向上并联而成。