CN112383243A - 一种基于各向异性树脂的行波型超声电机 - Google Patents
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Abstract
本发明属于超声电机技术领域，具体涉及一种基于各向异性树脂的行波型超声电机。本发明定子包括定子振动器和胶粘连接在定子振动器底部的压电陶瓷片；定子振动器采用低密度的各向异性树脂材料，各向异性树脂材料为长碳纤维增强聚苯硫醚复合材料(即CLF/PPS)或编制碳纤维复合材料。本发明采用各向异性树脂作为超声电机的振动器材料，使用高频模态驱动电机，激发高频模态可在不增加电机重量的条件下，可实现超声电机输出功率的提高；并且此种各向异性树脂材料的密度低，使得整个超声电机的重量大大减小，能够适用于高端设备。本发明将振动器和压电陶瓷片胶粘连接，定子结构简单，有效的避免了繁琐的机械加工步骤，有效避免了人力、财力的浪费。
Description
技术领域
本发明属于超声电机技术领域，具体涉及一种基于各向异性树脂的行波型超声电机。
背景技术
超声电机是利用逆压电效应将电能转化为机械能的装置。和传统电磁电机相比，超声电机具有响应快、断电自锁、不受电磁干扰等优势。按照输出形式，超声电机分为旋转型和直线型两种。其中，旋转型超声电机由于具有结构简单、体积小等优势，有望在精密光学仪器、机器人、航空航天设备中得到应用。旋转型超声电机主要由定子和转子构成。定子主要由压电陶瓷和变幅杆机械连接而成。在两相交变电压的激励下，定子表面产生椭圆运动，进而驱动转子。
超声电机的驱动原理是通过粘接在振动器底部的压电陶瓷片带动振动器振动从而带动转子转动。目前，超声电机主要采用一些金属弹性体作为振动器，而金属振动器的低弹性模量导致驱动力不足，进而导致超声电机的输出转矩较低，不能满足高端设备的需求。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的金属振动器的重量大，高重量的超声电机在很多情况下不满足高端设备的需求缺陷，提供一种有助于减小超声电机的重量，从而更适合应用于高端设备的基于各向异性树脂的行波型超声电机。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于各向异性树脂的行波型超声电机，包括定子和转子，其特征在于：所述定子包括定子振动器和胶粘连接在所述定子振动器底部的压电陶瓷片；所述定子振动器采用各向异性树脂材料，所述各向异性树脂材料为长碳纤维增强聚苯硫醚复合材料或碳纤维复合材料。
进一步地，使用高频模态驱动，其使用频率为25.91kHz。
进一步地，所述定子振动器与压电陶瓷片通过环氧树脂粘贴固定。
进一步地，所述压电陶瓷片的内径与所述定子振动器的内径相等；所述压电陶瓷片的外径与所述定子振动器的外径相等。
进一步地，所述定子振动器为圆柱体，所述定子振动器的上端沿其径向开设有多个凹槽。
进一步地，两所述凹槽之间的夹角为10°。
进一步地，所述压电陶瓷片沿其周向均分为12等份；每两相邻等份中间设置有银电极断开间隔，且两相邻等份加设相反的电极信号。
更进一步地，所述压电陶瓷片相邻的四个等份分别加设+cos、+sin、-cos、-sin电极信号。
本发明的一种基于各向异性树脂的行波型超声电机的有益效果是：
1、本发明采用低密度的各向异性树脂作为超声电机的振动器材料，使用高频模态驱动电机，在电机结构相同的条件下，激发高频模态可在不增加电机重量的条件下，提高各向异性树脂材料的振动器对转子的驱动力，从而实现电机功率密度的提高，从而可实现超声电机输出功率的提高；并且此种各向异性树脂材料的密度低，使得整个超声电机的重量大大减小，能够适用于高端设备。
2、本发明将振动器和压电陶瓷片胶粘连接，定子结构简单，有效的避免了繁琐的机械加工步骤，有效避免了人力、财力的浪费。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例1的定子振动器与压电陶瓷片的安装结构图；
图2是本发明实施例1的定子振动器的俯视图；
图3是本发明实施例1的压电陶瓷片的电极划分图；
图4是本发明实施例2的压电陶瓷片的电极划分图；
图5是本发明实施例1的高频模态驱动的示意图。
图中:1、定子振动器，2、压电陶瓷片，3、凹槽。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
实施例1
如图1-图3所示的本发明的一种基于各向异性树脂的行波型超声电机的具体实施例，定子包括定子振动器1和胶粘连接在定子振动器1底部的压电陶瓷片2；定子振动器1采用低密度的各向异性树脂材料，各向异性树脂材料为长碳纤维增强聚苯硫醚复合材料(即CLF/PPS材料)或编制碳纤维复合材料。超声电机的定子主要由各向异性树脂振动器和压电陶瓷片2通过环氧胶粘接而成；这样设计不仅定子结构简单，零部件少；同时避免了繁琐的机械加工步骤。其中如图2所示，定子振动器1的材料为各向异性树脂材料，定子振动器1为圆柱体，定子振动器1的上端沿其径向开设有多个凹槽3，两凹槽3之间相隔10°。压电陶瓷片2粘接在定子振动器1的底部，压电陶瓷片2的内径与定子振动器1的内径、压电陶瓷片2的外径与定子振动器1的外径均相同。
本发明的电机利用存在相位差的交流信号驱动，粘连在定子振动器1底部的压电陶瓷片2均分为12等份；每两相邻等份中间设置有银电极断开间隔，即在压电陶瓷片在制作的过程中，银电极在此处断开，且两相邻等份加设相反的信号。如图3所示，相邻的四个等份分别加设+cos、+sin、-cos、-sin，其他依次相邻等份的压电陶瓷片2加设相反的电极信号，两相邻等份的压电陶瓷片2在交流电压的激励下产生相位相反的振动，从而定子整体呈现出弯曲振动，在振动模态合适时，振动器上表面产生椭圆运动，形成行波，通过摩擦片进而驱动转子。
实施例2
如图4所示所述压电陶瓷片2的电极均分为12等份；所述压电陶瓷片2上第Ⅰ份、第Ⅴ份、第Ⅸ份加载sin驱动电压，第Ⅱ份、第Ⅵ份、第Ⅹ份加载-sin驱动电压，第Ⅲ份、第Ⅶ份、第Ⅺ份加载cos驱动电压，第Ⅳ份、第Ⅷ份、第Ⅻ份加载-cos驱动电压。由于相邻区域施加的驱动电压相位差为90°，产生的两个驻波间差90°相位，因此定子振动器1表面产生行波，形成椭圆运动。在该电压加载方式下，定子振动器1表面产生行波推动转子，实现电机的转动。
在材料相同的条件下，对不同敏感结构参数的各向异性树脂超声电机的定子振动器1的振动特性进行测试，最终确定出超声电机定子振动器1的最佳尺寸参数。同时，制作形状相同，材料为铜合金、铝合金、不锈钢的超声电机的定子振动器1，测其机械常数如下表。不同材料的机械常数表：
其中各向异性树脂材料中的E1、E2、E3分别为1方向、2方向、3方向上的弹性模量，ν12、ν13、ν23分别为1方向、2方向、3方向上的泊松比，普通PPS的弹性模量为3.45GPa，CLF/PPS的模量是其4-5倍，由上表可以看出在电机结构相同的条件下，使用弹性模量为普通PPS的弹性模量的4-5倍的长碳纤维增强聚苯硫醚复合材料(即CLF/PPS材料)的定子振动器工作在高频模态下有助于提高定子对转子的驱动力，从而可实现超声电机输出功率的提高；并且此种各向异性树脂材料的密度低，使得整个超声电机的重量大大减小。
将各向异性树脂材料的定子振动器1粘贴在压电陶瓷片2表面，制成工作在低频模态的超声电机。各向异性树脂材料作为超声电机定子振动器有助于电机重量降低。然而，各向异性树脂材料相对于金属材料的弹性模量低，使得定子振动器1刚度不足。本发明实施例1或实施例2中通过激发高频模态提高定子振动器1的刚度，其使用频率为25.91kHz，进而增加超声电机的输出功率。同时，由于定子振动器1结构无变化，电机重量没有增加。因此，利用高频模态可提高基于各向异性树脂的行波型超声电机的功率密度。如下表所示，在驱动电压为250Vp-p的条件下，测试了工作在高频模态基于各向异性树脂的行波型超声电机的性能，并与工作在低频模态基于各向异性树脂的行波型超声电机的性能进行了对比。
振动模态不同的树脂材料的超声电机性能比较表
结果显示，工作在高频模态电机的功率密度是低频模态电机的4.8倍。如图5所示，工作在高频振动模态下，定子振动器1沿圆周方向产生6条周向节线，沿高度方向产生1条纵向节线，其周向节线实是水平方向的节线，纵向节线是竖直方向的节线。6条周向节线方便于电机装夹，有利于提高电机效率，1条纵向节线有利于提高电机的机电耦合系数，和低阶模态电机相比，高阶电机的输出转矩和输出功率高，易于装夹。
应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种基于各向异性树脂的行波型超声电机，其特征在于：包括定子和转子，其特征在于：所述定子包括定子振动器(1)和胶粘连接在所述定子振动器(1)底部的压电陶瓷片(2)；所述定子振动器(1)采用各向异性树脂材料，所述各向异性树脂材料为长碳纤维增强聚苯硫醚复合材料或碳纤维复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于各向异性树脂的行波型超声电机，其特征在于：使用高频模态驱动，其使用频率为25.91kHz。
3.根据权利要求1所述的一种基于各向异性树脂的行波型超声电机，其特征在于：所述定子振动器(1)与压电陶瓷片(2)通过环氧树脂粘贴固定。
4.根据权利要求3所述的一种基于各向异性树脂的行波型超声电机，其特征在于：所述压电陶瓷片(2)的内径与所述定子振动器(1)的内径相等；所述压电陶瓷片(2)的外径与所述定子振动器(1)的外径相等。
5.根据权利要求1所述的一种基于各向异性树脂的行波型超声电机，其特征在于：所述定子振动器(1)为圆柱体，所述定子振动器(1)的上端沿其径向开设有多个凹槽(3)。
6.根据权利要求5所述的一种基于各向异性树脂的行波型超声电机，其特征在于：两所述凹槽(3)之间的夹角为10°。
7.根据权利要求1所述的一种基于各向异性树脂的行波型超声电机，其特征在于：所述压电陶瓷片(2)沿其周向均分为12等份；每两相邻等份中间设置有银电极断开间隔，且两相邻等份加设相反的电极信号。
8.根据权利要求7所述的一种基于各向异性树脂的行波型超声电机，其特征在于：所述压电陶瓷片(2)相邻的四个等份分别加设+cos、+sin、-cos、-sin电极信号。
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