CN112953298A - 一种扁平化超声电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种扁平化超声电机，涉及超声电机领域，其特征在于，包括轴，定子，转子，碟簧和螺母；所述定子为中空结构，所述定子包括定子金属基体和多个分立的压电陶瓷，所述压电陶瓷在所述定子金属基体上对称设置；所述转子为锥形结构并设置在所述定子的上端面上；所述螺母通过所述碟簧与所述转子相连；所述轴贯穿于所述定子。本发明具体通过将原来的单片压电陶瓷替换为多片分立的压电陶瓷使得面内振动型超声电机实现扁平化设计，改进后的超声电机实现简单、操作方便，有助于超声电机的进一步微型化和提高电机的输出位移、增加电机的激励方式、拓宽电机的性能调节范围、简化电机的驱动控制电路。

Description

一种扁平化超声电机
技术领域
本发明涉及超声电机领域，尤其涉及一种扁平化超声电机。
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。基于面内振动的超声电机由于其驱动能力强更是受到了广泛关注，面内振动型超声电机是利用定子体的面内振动，因此，理论上该类型的超声电机定子可以设计成薄片状。但在实际的加工过程中往往存在着各种制约因素，如：对于压电陶瓷而言，其长宽比在接近甚至超过4的时候性能较好且易于加工，该特性使得即使是面内振动型超声电机其长宽比仍需满足一定的条件，无法进一步实现扁平化结构，限制了面内振动型超声电机的进一步微型化。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种扁平化超声电机，通过将原来的单片压电陶瓷替换为多片压电陶瓷使得面内振动型超声电机实现扁平化设计。本发明提出的一种扁平化超声电机，实现简单，操作方便，有助于超声电机的进一步微型化。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是研制一种扁平化超声电机，以克服压电陶瓷长宽比限制造成的电机长度约束，并使得各压电陶瓷的长宽比接近4，从而在进一步减小面内振动型超声电机的长度的基础上，进一步提高电机的输出性能及模态激励方式，拓宽电机的性能调节范围，降低电机的输出电压，简化其驱动控制电路。
为实现上述目的，本发明提供了一种扁平化超声电机，其特征在于，包括轴，定子，转子，碟簧和螺母；所述定子为中空结构，所述定子包括定子金属基体和多个分立的压电陶瓷，所述压电陶瓷在所述定子金属基体上对称设置；所述转子为锥形结构并设置在所述定子的上端面上；所述碟簧与所述螺母和所述转子相连；所述轴贯穿于所述定子。
进一步地，所述定子金属基体为正八棱柱，所述压电陶瓷对称粘贴在所述定子金属基体的四个外表面上。
进一步地，所述定子金属基体为正八棱柱，所述定子金属基体的四个外表面上对称开有多个凹槽，所述压电陶瓷粘贴在所述凹槽内。
进一步地，所述压电陶瓷沿厚度方向极化，所述压电陶瓷设置在靠近所述定子两相面内振动模态的振动方向上。
进一步地，所述压电陶瓷沿厚度方向极化，所述压电陶瓷设置在靠近所述定子的竖直方向和45°方向上。
进一步地，所述压电陶瓷是压电陶瓷片或多层堆叠式压电陶瓷。
进一步地，所述定子金属基体的一个所述外表面上设置的所述压电陶瓷个数在2个到5个之间。
进一步地，所述转子上附有摩擦材料，所述摩擦材料位于所述转子的底部，所述转子和所述轴之间为过盈配合。
进一步地，所述压电陶瓷的长宽比在3到4之间。
进一步地，所述超声电机的工作模态为两相二阶面内振动模态。
本发明提出一种扁平化超声电机，具体通过将原来的单片压电陶瓷替换为多片分立的压电陶瓷使得面内振动型超声电机实现扁平化设计。本发明提出的扁平化的超声电机，实现简单，操作方便，有助于超声电机的进一步微型化，提高电机的输出位移，增加电机的激励方式，拓宽电机的性能调节范围，降低电机工作所需的激励电压，简化其驱动控制电路。
本发明使得改进后超声电机的尺寸更小，电机的输出性能更大，性能的可调范围更宽。因此，本发明的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。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的扁平化超声电机结构简图；
图2是本发明的一个较佳实施例的扁平化超声电机定子的俯视图；
图3是本发明的一个较佳实施例的扁平化超声电机定子的三维结构图；
图4是本发明的一个较佳实施例的扁平化超声电机的一相二阶面内工作模态图；
图5是本发明的一个较佳实施例的扁平化超声电机的另一相二阶面内工作模态图。
其中，11-轴，12-定子，13-转子，14-碟簧，15-螺母，21-定子金属基体，22-压电陶瓷片，23-压电陶瓷片，24-压电陶瓷片，25-压电陶瓷片，26-压电陶瓷片，27-压电陶瓷片，28-压电陶瓷片，29-压电陶瓷片。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1所示，超声电机的结构简图中，11为轴，12为定子，13为转子，14为碟簧，15为螺母；转子13为锥形结构，并且在转子13的下表面上敷有摩擦材料；轴11贯穿于中空的定子12；碟簧14和螺母15用以提供定子12和转子13之间的预压力，所述转子13和轴11之间为过盈配合。
图2为定子12的俯视图，包括定子金属基体21和多片压电陶瓷22到29。其中，定子金属基体21的材料为黄铜，并对称地开有8个凹槽；压电陶瓷片22到29沿厚度方向极化，具体如图2中箭头所示，并通过环氧树脂胶粘贴在定子基体21的凹槽内。图3为定子12的三维结构图。当超声电机工作时，需要在定子12包含的压电陶瓷片22到29的外表面上施加单相或双相交变激励电压，并且激励电压的频率在定子12的两相面内振动模态的共振频率之间时，会激励出定子12的两相面内振动模态，其模态图如图4和图5所示。
图2中的定子12上粘贴的压电陶瓷片26和27(22和23；24和25；28和29)所处的位置贴近定子12两相面内振动模态(如图4和图5所示)的振动方向。根据超声电机的设计要求，通常需要定子12的两相面内振动模态频率差小于1kHz。当图2中的定子12其内半径为4mm，定子金属基体21沿x轴方向的厚度为0.7mm，压电陶瓷片22到29中每片的厚度为0.5mm，宽度为1mm，长度为7mm时(此时，压电陶瓷片的长宽比为7)，经有限元仿真分析得到定子12的两相面内振动模态其共振频率分别为18.505kHz和18.758kHz，能够满足实际的应用需求。由于本发明中超声电机的工作模态为两相二阶面内振动模态，因此，定子12的长度并不影响其共振频率，即图2中定子12的长度可以减小到3mm。
当图2中的定子12其内半径为4mm，定子金属基体21沿x轴方向的厚度为0.7mm，压电陶瓷片22到29中每片的厚度为0.5mm，宽度为1.5mm，长度为7mm时(此时，压电陶瓷片的长宽比为4.7)，经有限元仿真分析得到定子12的两相面内振动模态其共振频率分别为18.646kHz和19.134kHz，表明压电陶瓷片22到29的宽度对定子12两相面内振动模态的影响较小，同样能够满足实际的应用需求。当在定子12中的压电陶瓷片26和27上施加峰值为50V的正弦交流电压激励时，测得定子12驱动点上在x和y方向的振动位移分别为12μm和10μm。
当未进行扁平化设计时，为尽量增加电机的输出位移，通常需要在定子基体的整个面上粘贴压电陶瓷。此时，压电陶瓷片26和27(22和23；24和25；28和29)所附着的定子金属基体21的平面上需要整个粘贴压电陶瓷片，在不改变上述定子金属基体21的内半径和厚度的参数前提下，定子12的长度需要在20mm左右。因此，本发明大大缩减了定子的长度，实现了电机的扁平化设计，有益于超声电机的进一步微型化。同时，上述测量位移值相比压电陶瓷片26和27(22和23；24和25；28和29)所附着的定子金属基体21的平面上整个粘贴压电陶瓷片时的输出位移放大5倍。另外，多个分立的压电陶瓷片还有益于扩大超声电机定子12的激励方式，实现阶梯状增加电机输出性能，具体的激励方式不再进一步陈述。因此，本发明不仅可以大大降低面内振动型超声电机的长度，进一步实现超声电机的微型化，而且有助于提高超声电机定子的响应位移，改进电机的激励方式及振动特性，使其更加适用于体内医疗仪器的驱动控制。同时，本发明进一步降低了超声电机所需的激励电压值，有益于简化电机所需的驱动控制电路。
上述实施例中的压电陶瓷片22到29还可替换为多层堆叠式压电陶瓷。
此外，还可将该实施例图2中的定子12粘贴的压电陶瓷片26和27所处的位置贴近y轴，并依次调节压电陶瓷片22和23(贴近y轴)；24和25(贴近45°方向上)；28和29(贴近45°方向上)所粘贴的位置。
实施例2：
在实施例1中的定子金属基体21上不开有凹槽，此时，压电陶瓷片22到29通过环氧树脂胶粘贴在定子基体21的外表面上，定子12粘贴的压电陶瓷片26和27(22和23；24和25；28和29)所处的位置贴近定子12两相面内振动模态(如图4和图5所示)的振动方向。
同样地，实施例2中的压电陶瓷片22到29也可替换为多层堆叠式压电陶瓷。
此外，还可将该实施例图2中的定子12粘贴的压电陶瓷片26和27所处的位置调整到贴近y轴，并依次调节压电陶瓷片22和23(贴近y轴)；24和25(贴近45°方向上)；28和29(贴近45°方向上)所粘贴的位置。
实施例3：
在实施例1中的定子基体21的每个面上增加分立的压电陶瓷片个数，从而进一步降低定子12的长度，实现电机的扁平化设计。每个面上的分立压电陶瓷片的个数可以在2个到5个之间。通常，每个面上的分立压电陶瓷片个数越多，电机的长度就越小，电机的模态激励方式成指数增加，电机的输出性能及性能调节范围也成指数增大，但是所需的压电陶瓷片的个数也越多。
为方便说明，本发明以图2所示的定子基体为例进行阐述，但本发明所提出的扁平化设计同样适用于工作在其它面内振动模态的面内振动型超声电机。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种扁平化超声电机，其特征在于，包括轴，定子，转子，碟簧和螺母；所述定子为中空结构，所述定子包括定子金属基体和多个分立的压电陶瓷，所述压电陶瓷在所述定子金属基体上对称设置；所述转子为锥形结构并设置在所述定子的上端面上；所述碟簧与所述螺母和所述转子相连；所述轴贯穿于所述定子。
2.如权利要求1所述的一种扁平化超声电机，其特征在于，所述定子金属基体为正八棱柱，所述压电陶瓷对称粘贴在所述定子金属基体的四个外表面上。
3.如权利要求1所述的一种扁平化超声电机，其特征在于，所述定子金属基体为正八棱柱，所述定子金属基体的四个外表面上对称开有多个凹槽，所述压电陶瓷粘贴在所述凹槽内。
4.如权利要求2或3所述的一种扁平化超声电机，其特征在于，所述压电陶瓷沿厚度方向极化，所述压电陶瓷设置在靠近所述定子两相面内振动模态的振动方向上。
5.如权利要求2或3所述的一种扁平化超声电机，其特征在于，所述压电陶瓷沿厚度方向极化，所述压电陶瓷设置在靠近所述定子的竖直方向和45°方向上。
6.如权利要求1所述所述的一种扁平化超声电机，其特征在于，所述压电陶瓷是压电陶瓷片或多层堆叠式压电陶瓷。
7.如权利要求2或3所述的一种扁平化超声电机，其特征在于，所述定子金属基体的一个所述外表面上设置的所述压电陶瓷个数在2个到5个之间。
8.如权利要求1所述的一种扁平化超声电机，其特征在于，所述转子上附有摩擦材料，所述摩擦材料位于所述转子的底部，所述转子和所述轴之间为过盈配合。
9.如权利要求1所述的一种扁平化超声电机，其特征在于，所述压电陶瓷的长宽比在3到4之间。
10.如权利要求1所述的一种扁平化超声电机，其特征在于，所述超声电机的工作模态为两相二阶面内振动模态。
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