CN109525143A - 一种径弯复合型片状超声电机及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种径弯复合型片状超声电机及其控制方法，涉及超声电机技术领域。径弯复合型片状超声电机，包括：定子、压电陶瓷、转子、内旋转轴、弹簧、外旋转轴、紧固套筒和紧固螺钉，所述定子、转子、弹簧、紧固套筒依次通过外旋转轴和内旋转轴连接；所述定子是内部含有空心凸圆柱并通过梁式波导结构与内径相连接的圆环形金属片；所述转子与定子在弹簧的预压力作用下紧密接触；所述压电陶瓷是平整的圆环形片，上、下各一片分别贴于定子上、下表面。本发明能够提升超声电机的输出功率，并且可实现上下转子相反方向旋转。
Description
技术领域
本发明涉及超声电机技术领域，尤其涉及一种径弯复合型片状超声电机。
背景技术
微型飞行器因体积小，重量轻，隐蔽性好，机动灵活，成本低和便于携带，受到各国重视。直流电机在微型旋翼飞行器中应用的最多，但是直流电机在复杂环境中容易受到电磁干扰，而超声电机的工作原理则是利用定子在超声频段内的振动，所以不惧怕电磁干扰。因此利用本发明提供的径弯复合型片状超声电机制作的微型飞行器将会大有可为。
本发明利用内部具有空心凸圆柱并通过梁式波导结构10与内径相连接的圆环形金属片构成定子1，经摩擦驱动球形或锥形转子3的工作方式，在降低零件加工要求的同时提升超声电机的机械性能，并且可以实现上下转子相反方向旋转。
发明内容
本发明的实施例提供一种径弯复合型片状超声电机，能够提升超声电机输出性能，低噪声，不受电磁干扰。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
本发明的实施例提供一种径弯复合型片状超声电机，所述电机包括定子1、压电陶瓷2、转子3、内旋转轴4、弹簧5、外旋转轴6、紧固套筒7和紧固螺钉8；其中，
所述定子1在外，转子3在内，定子1中设有孔，所述内旋转轴4贯穿所述孔，在所述定子1的一侧，所述转子3套装在内旋转轴4上，所述弹簧5和外旋转轴6自内而外依次套装在所述内旋转轴4上，所述弹簧5底部与所述转子3接触；
在所述定子1的另一侧，紧固套筒7套装在所述内旋转轴4上，其顶部与转子3接触，所述紧固螺钉8位于紧固套筒侧面中间，通过调节内旋转轴4穿过紧固套筒7的位移来调节弹簧的5预压力，并通过紧固螺钉8进行固定。
进一步的，所述内转轴4上设有凸台，所述弹簧5在凸台和转子3中间，通过紧固套筒7和紧固螺钉8的固定作用压在转子3表面；
所述外旋转轴6与转子3接触，通过与转子3摩擦带动其旋转；所述内旋转轴4则通过紧固套筒7与转子3的摩擦带动其旋转；
所述转子3是对称的半球形或锥形，为中间小两端大的结构，其上部与所述外旋转轴6下部接触，下部与所述紧固套筒7相接触。
进一步的，所述定子1是内部含有空心凸圆柱并通过梁式波导结构10与其内径相连接的圆环形金属片相连接；所述定子1的上表面和下表面均有凸出的空心圆柱与转子3的中间部分相接触，两者之间的预压力则通过弹簧5进行调节；
所述压电陶瓷2是平整的圆环形片，上、下两片分别粘贴于定子1的环形表面。
所述梁式波导结构10中的梁绕定子1中心旋转对称。
进一步的，所述压电陶瓷2的内径尺寸与定子1的内径尺寸相同，外径方面要求定子的外径大于等于压电陶瓷的外径，上、下两片压电陶瓷均沿厚度方向极化，极化方向相反。
所述定子1外部形状为圆形，在其边缘处设有若干处带孔固定结构11，均匀分布在定子1其边缘。
进一步的，定子1内部梁式波导结构10中梁为直梁或者变截面梁。
作为一种实施方式，所述定子1表面9经过研磨处理。
作为一种实施方式，所述转子3采用耐磨材料制作。
作为一种实施方式，所述压电陶瓷2的内径尺寸与定子1的内径尺寸相同，外径方面要求定子的外径大于等于压电陶瓷的外径，上、下两片压电陶瓷均沿厚度方向极化，极化方向相反。
本发明还提供上述径弯复合型片状超声电机的控制方法，超声电机在工作状态时，此时上下两片压电陶瓷极化方向相反，通过电极给上、下两片压电陶瓷2分别施加余弦Acos(wt+θ)和正弦A sin(wt+θ)电信号，激励定子1产生一阶径向振动和面外三阶弯振,即可实现上下转子相反方向旋转。
进一步的，无论上下两片压电陶瓷所加电压信号如何，只要上下两片压电陶瓷的电信号在任意时间段内存在电压差，足够激励定子1产生一阶径向振动和面外三阶弯振，即可实现上下转子相反方向旋转。
作为一种实施方式，超声电机在工作状态时，无论上下两片压电陶瓷所加电压信号如何，只要上下两片压电陶瓷的电信号在任意时间段内存在电压差，足够激励定子1产生一阶径向振动和面外三阶弯振，即可实现上下转子相反方向旋转。
本发明实施例提供的一种径弯复合型片状超声电机，在输出扭矩端与输出转速端均有较好的表现，而且体积小、重量轻、结构紧凑、响应快、低噪声、不受电磁干扰。可应用于微型直升机马达、微型电子设备的自动聚焦系统如照相机的光学镜头等。本发明的实施例在微机械、光学仪器、航空航天等领域有广阔的应用前景。
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径弯复合型片状超声电机结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种径弯复合型片状超声电机定子结构示意图；
图3是本发明实施例提供的另一种径弯复合型片状超声电机定子结构示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种径弯复合型片状超声电机定子示意图；
图5为本发明实施例提供的一种径弯复合型片状超声电机运转示意图；
图6为本发明实施例提供的一种径弯复合型片状超声电机定子的一阶径向振动模态示意图；
图7为本发明实施例提供的一种径弯复合型片状超声电机定子的面外三阶弯振模态示意图；
图8为本发明实例提供的一种径弯复合型片状超声电机定子在混合模态下的运动示意图。
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。
本发明的实施例提供一种径弯复合型片状超声电机，能够提升超声电机的输出性能，低噪声，不受电磁干扰。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
本发明的实施案例提供一种径弯复合型片状超声电机，如图1所示，包括：定子1、压电陶瓷2、转子3、内旋转轴4、弹簧5、外旋转轴6、紧固套筒7和紧固螺钉8，所述定子1、转子3、弹簧5、紧固套筒7依次通过外旋转轴6和内旋转轴4连接，其特征在于：所述紧固螺钉8位于紧固套筒侧面中间，通过调节内旋转轴4穿过紧固套筒7的位移，并通过紧固螺钉8进行固定，进而调节弹簧5的预压力；所述弹簧5在内旋转轴4和转子3中间，通过紧固套筒7和紧固螺钉8的固定作用压在转子3表面；所述外旋转轴6通过与弹簧5的摩擦作用固定在转子3表面上，进而通过与转子3摩擦带动其旋转；所述内旋转轴4则通过紧固套筒7与转子3的摩擦带动其旋转；所述转子3是半球形或锥形；所述定子1是内部含有空心凸圆柱并通过梁式波导结构10与内径相连接的圆环形金属片，所述定子1的上表面和下表面均有凸出的空心圆柱与转子3接触，转子3与定子1的空心凸圆柱在弹簧5预压力作用下紧密接触；所述压电陶瓷2是平整的圆环形片，上、下两片分别粘贴于定子1的环形表面。
作为一种实施方式，所述定子1内部梁式波导结构10中梁的数量和形状根据需要设计，所述内部梁式波导结构10中的梁绕定子中心旋转对称。
优选地，本发明实施例中定子1内部梁式波导结构10中梁的数量为6个，形状为直梁，如图2所示，均匀的分布在定子内环处。
作为一种实施方式，定子1内部梁式波导结构10中梁的数量可以为其他数量，但需要保证绕定子中心旋转对称。如图3所示，定子1内部梁式波导结构10中梁的数量为12个，不同数量的梁所带来的技术效果也不一样。若内部梁的数量为6个，则能够使电机获得较高的输出转速；若内部梁的数量为12个，则能够使电机获得较大的输出扭矩。
作为一种实施方式，定子1内部梁式波导结构10中梁的形状也可以为变截面梁，如图4所示。
因此该电机可以通过改变梁的形状和数量来改变电机的输出扭矩和转速。
本发明实施例中，所述压电陶瓷2的内径尺寸与定子1的内径尺寸相同，外径方面定子的外径尺寸大于陶瓷片的外径尺寸，上、下两片压电陶瓷均沿厚度方向极化，极化方向相反。
本发明实施例中，上下两片压电陶瓷极化方向相反下面的压电陶瓷极化方向向上，上面的压电陶瓷极化方向向下，通过电极给上、下两片压电陶瓷2分别施加余弦A cos(wt+θ)和正弦A sin(wt+θ)电信号，激励定子1产生一阶径向振动和面外三阶弯振，即可实现上下转子相反方向旋转。
本发明实施例中上下陶瓷片所加的电压信号也可以为其他任意电信号，只要能够在任意时间段内上下陶瓷所加电信号存在电压差，足够激励定子1产生一阶径向振动和面外三阶弯振。因此该电机具有适用的电信号范围广的优势。
本发明实施例中，电机在运转时，P是弹簧预压力，M是驱动扭矩，如图5所示。工作原理如下：当定子由于面外振动向上运动时，上表面的空心凸圆柱与上转子接触，下表面的空心凸圆柱与下转子脱离，与此同时，梁式波导结构10对该圆柱体施加径向力，产生顺时针扭矩，带动上表面的空心凸圆柱产生顺时针转动，通过摩擦作用带动上转子产生顺时针转动，进而带动外旋转轴4顺时针旋转；，同理，当定子1由于面外振动向下运动时，定子的上表面的空心凸圆柱与上转子脱离，下表面的空心凸圆柱与下转子接触，与此同时，梁式波导结构10对该圆柱体施加径向力，产生逆时针扭矩，使其产生逆时针旋转，通过摩擦作用带动下转子逆时针旋转，进而带动内旋转轴6逆时针旋转。因此在一个完整的运动周期T内，可以实现上下转子相反方向旋转，旋转周期各为T/2。
因此，当内旋转轴4和外旋转轴6分别装有旋翼时，依靠电机本身的特性就可以抵消反作用力扭矩产生的不良影响。所以，当该电机应用于微型直升机时，可以直接取消掉尾桨，降低微型直升机的重量，精简和优化直升机的内部结构。
本发明实施例中为了增大定子的一阶径向振动和面外三阶弯振的位移，需要调节定子的尺寸使一阶径向振动模态如图6和面外三阶弯振模态如图7的振动频率相接近，当上述两种模态的振动频率相接近时，在该频率下则会激发出定子1在混合模态下的运动，如图8所示。
本发明实施例中，定子1上下表面的空心凸圆柱带来的增益效果主要是提供其与上、下转子3的充分接触，与此同时，也可以对该空心凸圆柱进行适度倒角，增大其与转子的接触面积。
本发明实施例中，所述定子1外环有3处带孔固定结构11，平均分布在定子1外环，如图2所示。
本发明实施例中，所述定子1采用不锈钢SUS304制作，上下表面9经过研磨处理，当然制作定子1的材料也可以换成其他材料如氧化铝陶瓷，提高其与上下转子3之间的摩擦系数。
本发明实施例中，所述转子3采用氧化铝陶瓷制作，也可以采用其他耐磨材料制作。
本发明实施例提供的一种径弯复合型片状超声电机，在输出扭矩端与输出转速端均有较好的表现，而且体积小、重量轻、结构紧凑、响应快、低噪声、不受电磁干扰。可应用于微型直升机、微型电子设备的自动聚焦系统如照相机的光学镜头等。本发明的实施例在微机械、光学仪器、航空航天等领域有广阔的应用前景。
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 (10)
1.一种径弯复合型片状超声电机，其特征在于：包括定子（1）、压电陶瓷（2）、转子（3）、内旋转轴（4）、弹簧（5）、外旋转轴（6）、紧固套筒（7）和紧固螺钉（8）；其中，
所述定子（1）在外，转子（3）在内，定子（1）中设有孔，所述内旋转轴（4）贯穿所述孔，在所述定子（1）的一侧，所述转子（3）套装在内旋转轴（4）上，所述弹簧（5）和外旋转轴（6）自内而外依次套装在所述内旋转轴（4）上，所述弹簧（5）底部与所述转子（3）接触；
在所述定子（1）的另一侧，紧固套筒（7）套装在所述内旋转轴（4）上，其顶部与转子（3）接触，所述紧固螺钉（8）位于紧固套筒侧面中间，通过调节内旋转轴（4）穿过紧固套筒（7）的位移来调节弹簧的（5）预压力，并通过紧固螺钉（8）进行固定。
2.根据权利要求1所述的一种径弯复合型片状超声电机，其特征在于：所述内转轴（4）上设有凸台，所述弹簧（5）在凸台和转子（3）中间，通过紧固套筒（7）和紧固螺钉（8）的固定作用压在转子（3）表面；
所述外旋转轴（6）与转子（3）接触，通过与转子（3）摩擦带动其旋转；所述内旋转轴（4）则通过紧固套筒（7）与转子（3）的摩擦带动其旋转。
3.根据权利要求1所述的一种径弯复合型片状超声电机，其特征在于：所述转子（3）是对称的半球形或锥形，为中间小两端大的结构，其上部与所述外旋转轴（6）下部接触，下部与所述紧固套筒（7）相接触。
4.根据权利要求3所述的一种径弯复合型片状超声电机，其特征在于：所述定子（1）是内部含有空心凸圆柱并通过梁式波导结构（10）与其内径相连接的圆环形金属片相连接；所述定子（1）的上表面和下表面均有凸出的空心圆柱与转子（3）的中间部分相接触，两者之间的预压力则通过弹簧（5）进行调节；
所述压电陶瓷（2）是平整的圆环形片，上、下两片分别粘贴于定子（1）的环形表面。
5.根据权利要求4所述的一种径弯复合型片状超声电机，其特征在于：所述梁式波导结构（10）中的梁绕定子（1）中心旋转对称。
6.根据权利要求1所述的一种径弯复合型片状超声电机，其特征在于：所述压电陶瓷（2）的内径尺寸与定子（1）的内径尺寸相同，外径方面要求定子的外径大于等于压电陶瓷的外径，上、下两片压电陶瓷均沿厚度方向极化，极化方向相反。
7.根据权利要求1所述的一种径弯复合型片状超声电机，其特征在于：所述定子（1）外部形状为圆形，在其边缘处设有若干处带孔固定结构（11），均匀分布在定子（1）其边缘。
8.权利要求1所述的一种径弯复合型片状超声电机的控制方法，其特征在于：超声电机
在工作状态时，此时上下两片压电陶瓷极化方向相反，通过电极给上、下两片压电陶瓷（2）
分别施加余弦和正弦电信号，激励定子（1）产生一阶径向
振动和面外三阶弯振,即可实现上下转子相反方向旋转。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于：无论上下两片压电陶瓷所加电压信号如何，只要上下两片压电陶瓷的电信号在任意时间段内存在电压差，足够激励定子（1）产生一阶径向振动和面外三阶弯振，即可实现上下转子相反方向旋转。
10.根据权利要求1所述的一种径弯复合型片状超声电机，其特征在于：定子（1）内部梁式波导结构（10）中梁为直梁或者变截面梁。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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