CN112290828B - 一种具有轴向预加载的超声电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有轴向预加载的超声电机，该电机包括转子、定子、轴和挂钩弹簧；转子为中空锥形结构；定子为中空圆筒结构；轴贯穿在转子和定子中空部位，用于将转子和定子固定；其中，转子包括第一转子基体、压电致动器、第二转子基体和摩擦材料；第一转子基体窄于第二转子基体；压电致动器位于第一转子基体和第二转子基体之间；摩擦材料位于第一转子基体的底部；转子设有两个，并以其第一转子基体端对称分布在定子的上、下两侧；转子和轴之间为过盈配合；第二转子基体与轴的两端对称的设有开槽，挂钩弹簧的两端分别插入第二转子基体和轴上的开槽。本发明简化了电机的预压力机构，并解决了锁死现象，使得改进后的超声电机更易于微型化。
Description
技术领域
本发明属于超声电机领域，具体涉及一种具有轴向预加载的超声电机转子。
背景技术
由于超声电机具有结构紧凑、易于加工、成本低、模态激励简单、易于微型化和能量密度大等特点，在精密驱动和半导体工业领域已得到广泛应用。但超声电机是利用定转子之间接触面的摩擦力来驱动转子转动，因此需要设置预压力机构使得转子对定子上表面有一定的预压力。通常，在超声电机的设计中，为保证转子与定子之间的紧配合，采用在转子的上方施加碟簧，再使用卡簧和螺母等将转子位置固定，但这种设计会导致电机转子部位结构十分复杂，无法应用于空间位置有限的场合。同时，超声电机在工作中会带动转子和输出轴一起转动，因此，往往会使得上述预压力机构中的螺母发生滑动，进而会使得电机在转动过程中出现锁死的情况。
发明内容
为此解决上述问题，本发明提出一种具有轴向预加载的超声电机，使得电机转子在外加激励电压或磁场的作用下产生轴向位移，进而产生轴向应力，并施加到超声电机定子的上表面上。
本发明的技术方案如下：
一种具有轴向预加载的超声电机，该电机包括转子、定子、轴和挂钩弹簧；
所述转子为中空锥形结构；
所述定子为中空圆筒结构；
所述轴贯穿在转子和定子中空部位，用于将转子和定子固定；
其中，所述转子包括第一转子基体、压电致动器、第二转子基体和摩擦材料；所述第一转子基体窄于第二转子基体；
所述压电致动器位于第一转子基体和第二转子基体之间；
所述摩擦材料位于第一转子基体的底部；
所述转子设有两个，并以其第一转子基体端对称分布在定子的上、下两侧；
所述转子和轴之间为过盈配合；
所述第二转子基体与轴的两端对称的设有开槽，所述挂钩弹簧的两端分别插入第二转子基体和轴上的开槽。
优选的，所述压电致动器为多层堆叠式压电陶瓷，位于整个转子结构的中位线以上区域。
优选的，所述多层堆叠式压电陶瓷为偶数层，至少包含6层；其中，在上半层和下半层的压电陶瓷中，相邻两层压电陶瓷的极化方向相反，上半层和下半层相邻的压电陶瓷极化方向相同。
优选的，所述轴的两端，在保持高度方向一致的前提下等间距设有多对开槽，用以调整初始施加在定子上的预压力，所述第二转子基体上设置的开槽与轴上的开槽相对应，以便插入挂钩弹簧。
优选的，所述轴与第二转子基体开槽数设置为6个，槽与槽直接间隔60°。
优选的，所述摩擦材料、第一转子基体、多层堆叠式压电陶瓷和第二转子基体通过环氧树脂胶粘贴，所述摩擦材料为聚四氟乙烯。
优选的，所述超声电机工作时，在所述多层叠堆式压电陶瓷上施加低频交流电压，使产生施加在定子上的预压力。
优选的，所述施加在多层叠堆式压电陶瓷上的电压的幅值应当远远小于超声电机正常工作所需的激励电压值，用以减小对电机正常工作带来的干扰。
优选的，所述施加在多层叠堆式压电陶瓷上的交变电压的频率在1～50Hz之间，并设定施加在多层叠堆式压电陶瓷上的交变电压的幅值在10～50V之间。
优选的，所述多层堆叠式压电陶瓷可以替换为磁致伸缩材料或者磁铁。
本发明有益效果：
本发明提出一种具有轴向预加载的超声电机，通过调整挂钩弹簧在轴上的位置；或通过在转子中的多层叠堆压电陶瓷上施加低频交流电压，使其发生弯曲；从而形成施加在定子上表面上的压力。本发明简化了电机的预压力机构，其结构简单，操作方便，不仅简化了电机的预压力机构，并解决了锁死现象，使得改进后的超声电机更易于微型化。
附图说明
附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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他附图。
在附图中：
图1为本发明实施例提供的一种具有轴向预加载的超声电机的结构示意图；
图2为本发明实施例为6层叠堆压电陶瓷的极化示意图，箭头为各层陶瓷的极化方向；
其中，1为第二转子基体，2为多层叠堆式压电陶瓷，3为第一转子基体，4为摩擦材料，5为定子，6为轴，7为开槽；21-27为各层压电陶瓷上的电极。
需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明所提出的一种具有轴向预加载的超声电机，使得改进后电机的尺寸更小。因此，本发明所提出的方法其技术进步是显而易见的，并且特别适合于微型化的特殊使用场合，如：生物、医疗、自动控制、机器人和航空航天国防科技等领域。
实施例1：
图1为超声电机的结构示意图，该电机包括转子、定子5、轴6和挂钩弹簧；转子为中空锥形结构；定子5为中空圆筒结构；轴6贯穿在转子和定子5中空部位，用于将转子和定子5固定；其中，所述转子包括第一转子基体3、压电致动器、第二转子基体1和摩擦材料4；所述第一转子基体3窄于第二转子基体1；所述压电致动器位于第一转子基体3和第二转子基体1之间；所述摩擦材料4位于第一转子基体3的底部；转子设有两个，并以其第一转子基体3端对称分布在定子的上、下两侧；转子和轴6之间为过盈配合；第二转子基体1与轴6的两端对称的设有开槽7，挂钩弹簧的两端分别插入第二转子基体1和轴6上的开槽7。
进一步，压电致动器为多层堆叠式压电陶瓷2，位于整个转子结构的中位线以上区域。多层堆叠式压电陶瓷2为偶数层，至少包含6层，随着层数增加时，在相同的电压下，产生的压力大。当多层叠堆压电陶瓷2中包含6层压电陶瓷时，其中，在上半层和下半层的压电陶瓷中，相邻两层压电陶瓷的极化方向相反，上半层和下半层相邻的压电陶瓷极化方向相同。其极化示意图如图2所示，21-27为各层压电陶瓷上的电极，用以施加激励电压。图2中，当在多层叠堆压电陶瓷2中的电极21、电极23、电极25和电极27上施加零电压，在电极22、电极24和电极26上施加低频交流激励电压时，上面三层压电陶瓷在激励电压下伸长，而下面三层压电陶瓷在激励电压下缩短，使得多层叠堆压电陶瓷2发生弯曲，从而形成施加在定子5上表面上的压力。同时，为使得叠堆式压电陶瓷2上处于伸长或缩短状态的压电陶瓷数相等，采用的叠堆式压电陶瓷2中应当包含偶数层压电陶瓷，即2N层，其中，N≥3。
进一步，所述轴6的两端，在保持高度方向一致的前提下等间距设有多对开槽7，用以调整初始施加在定子5上的预压力。所述第二转子基体1上设置的开槽7与轴6上的开槽7相对应，以便插入挂钩弹簧。转子基体上的开槽7最好是对称的，否则会影响定子5和转子之间的接触状况。转子和轴6的材质采用的黄铜。
进一步，所述轴6与第二转子基体开槽数设置为6个，槽与槽直接间隔60°。
进一步，摩擦材料4、第一转子基体3、多层堆叠式压电陶瓷2和第二转子基体1通过环氧树脂胶粘贴。摩擦材料4为聚四氟乙烯。超声波电机对摩擦材料的选取有两个方面的要求：首先摩擦材料应具有较大的摩擦因数即摩擦力要大，但磨损要小；其次摩擦材料还应该有一定的变形能力以及适中的硬度和好的热稳定性。摩擦材料4为聚四氟乙烯可促进转子旋转。
进一步，超声电机工作时，通过在多层叠堆式压电陶瓷2上施加低频交流电压产生施加在定子基体上的预压力，并通过调节施加在多层叠堆式压电陶瓷2上的交变电压值或频率改变施加在电机定子上的预压力，从而改善超声电机的性能。
进一步，施加在多层叠堆式压电陶瓷2上的交变电压的频率应当远远小于超声电机的共振频率，施加在多层叠堆式压电陶瓷2上的交变电压的幅值也应当远远小于超声电机正常工作所需的激励电压值。通过施加预压力的激励频率和电压远离压电电机正常工作所需的频率和电压，以免干扰电机的正常工作。以尽量减小对电机正常工作带来的干扰。同时，频率值应该尽量在多层叠堆式压电陶瓷2结构的纵振模态的共振频率附近，此时，输出的预压力最大。
进一步，本发明设定施加在多层叠堆式压电陶瓷2上的交变电压的频率应当在1～50Hz之间，并设定施加在多层叠堆式压电陶瓷2上的交变电压的幅值应当在10～50V之间。
实施例2：
将实施例1中转子的组成替换为：
转子包含包括摩擦材料4、第一转子基体3、第二转子基体1和磁致伸缩材料，其它内容同实施例1。超声电机工作时，通过在磁致伸缩材料上施加磁场产生施加在定子基体上的预压力，并通过调节流过线圈的恒定电流值改变施加的磁场大小，从而调节施加在电机定子上的预压力，进而改善超声电机的性能。此外，还可在两对称的转子上同时施加磁场形成对称的压力，并最终施加到中空定子基体上。
另外，实施例2中的磁致伸缩材料也可以替换为磁铁，但是，此时靠近定子上、下部分的磁铁分别为两磁铁的N极和S极，以二者之间的引力形成施加在定子上的预压力。
为了进一步说明本发明的实现效果，通过带具体参数的电机进行了说明，当电机参数为：定子5包含定子基体和压电陶瓷板，定子基体的内半径为3mm，外圆筒壁被切割成8个两两角度成135°的正八边形，该八边形边长为3mm，定子基体上粘贴的压电陶瓷板长度为2.5mm，厚度为0.5mm，整个超声电机定子5的高度为15mm。在采用多层叠堆陶瓷施加预压力时，可以采用中间开孔的矩形、锥形或者环形压电陶瓷叠堆，在相同的驱动条件下，压电陶瓷叠堆的推力输出与压电陶瓷叠堆横截面积尺寸成正比，横截面积越大则出力越大，输出的推力就越大。内半径为1mm，外半径为4mm，高度为18mm的叠堆压电陶瓷，在10V的驱动电压下推力可达94N。因此，当在定子上、下两个面上均附有叠堆压电陶瓷时，其推力可达188N。
本发明提出的一种具有轴向预加载的超声电机能根据实际的应用需求调节施加在定子上表面的预压力，具体通过调整挂钩弹簧在轴上的位置；或通过改变在转子中的多层叠堆压电陶瓷上施加低频交流电压值或频率等；或通过在转子中的磁致伸缩材料上施加磁场，调整施加在定子体上表面上的预压力，进而改善电机性能。本发明所提出的一种具有轴向预加载的超声电机，简化了电机的预压力机构，并解决了锁死现象，使得改进后的超声电机更易于微型化。本发明特别适合于微型化的特殊使用场合，尤其是体内医疗器械。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包含的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合同样意味着处于本发明的保护范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的实施例中，本领域技术人员能够根据获知的技术方案和本申请所要解决的技术问题，以组合的方式来使用。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。
Claims (6)
1.一种具有轴向预加载的超声电机，其特征在于：
该电机包括转子、定子、轴和挂钩弹簧；
所述转子为中空锥形结构；
所述定子为中空圆筒结构；
所述轴贯穿在转子和定子中空部位，用于将转子和定子固定；
其中，所述转子包括第一转子基体、压电致动器、第二转子基体和摩擦材料；所述第一转子基体窄于第二转子基体；
所述压电致动器位于第一转子基体和第二转子基体之间；
所述摩擦材料位于第一转子基体的底部；
所述转子设有两个，并以其第一转子基体端对称分布在定子的上、下两侧；
所述转子和轴之间为过盈配合；
所述第二转子基体与轴的两端对称的设有开槽，所述挂钩弹簧的两端分别插入第二转子基体和轴上的开槽；
所述压电致动器为多层堆叠式压电陶瓷，位于整个转子结构的中位线以上区域；
所述多层堆叠式压电陶瓷为偶数层，至少包含6层；其中，在上半层和下半层的压电陶瓷中，相邻两层压电陶瓷的极化方向相反，上半层和下半层相邻的压电陶瓷极化方向相同；
在采用多层堆叠 陶瓷施加预压力时，能够采用中间开孔的矩形、锥形或者环形压电陶瓷堆叠 ；
所述轴的两端，在保持高度方向一致的前提下等间距设有多对开槽，用以调整初始施加在定子上的预压力，所述第二转子基体上设置的开槽与轴上的开槽相对应，以便插入挂钩弹簧；
所述轴与第二转子基体开槽数设置为6个，槽与槽直接间隔60°。
2.根据权利要求1所述的具有轴向预加载的超声电机，其特征在于：
所述摩擦材料、第一转子基体、多层堆叠式压电陶瓷和第二转子基体通过环氧树脂胶粘贴，所述摩擦材料为聚四氟乙烯。
3.根据权利要求2所述的具有轴向预加载的超声电机，其特征在于：
所述超声电机工作时，在所述多层堆叠 式压电陶瓷上施加低频交流电压，使产生施加在定子上的预压力。
4.根据权利要求3所述的具有轴向预加载的超声电机，其特征在于：
所述施加在多层堆叠 式压电陶瓷上的电压的幅值应当远远小于超声电机正常工作所需的激励电压值，用以减小对电机正常工作带来的干扰。
5.根据权利要求4所述具有轴向预加载的超声电机，其特征在于：
所述施加在多层堆叠 式压电陶瓷上的交变电压的频率在1～50Hz之间，并设定施加在多层堆叠 式压电陶瓷上的交变电压的幅值在10～50V之间。
6.根据权利要求5所述的一种具有轴向预加载的超声电机，其特征在于：
所述多层堆叠式压电陶瓷可以替换为磁致伸缩材料或者磁铁。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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