CN1389974A - 大力矩摇头式压电超声波电机 - Google Patents
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Abstract
大力矩摇头式压电超声波电机属于压电超声波电机技术领域,其特征在于,定子的上匹配块采用超声变幅杆式阶梯结构,以简化结构,降低成本,提高输出力矩和保持力矩,而且上匹配块下端两侧铣成饼状以便于施加预紧力;转子和定子的接合部采用纯平面接触以增加定、转子间的承载能力,也简化了工艺;中心轴靠近转子一端有可在使用时对中心轴位置进行手动调整的螺钉,便于和外接件对中。它的最大力矩大于1.5kgfcm,提高近3倍;步进寿命大于108步,提高5倍以上;既可连续运动,也可步进运动,可在0～360区间以任意步进角完成圆周运动;而且保持力矩大于最大输出力矩,运动平稳。压电电机的外径可在2mm～40mm间调整。
Description
技术领域
大力矩摇头式压电超声波电机属于压电超声波电机技术领域。
背景技术
压电超声波电机由于自身响应速度快、断电自锁等特点，作为精密仪器的驱动元件有着十分广泛的应用。专利号为ZL97111805.1、名称为“基于弯曲振动模式的压电超声波微电动机”，其结构如图1所示：它包括中心轴12及套在轴上的定子10和转子11，定子10由上匹配块101、下匹配块103及紧压于其中的压电陶瓷环片102构成，定子10的内壁置有一对轴承131和132，中心轴置于两轴承131和132之中，通过压力机构14与转子11紧压配合，并输出转子11的力矩；转子11与定子10属于平间接触并开有若干齿槽1011来增大超声波振动。它的不足之处在于其最大力矩输出仅为550gfcm，输出力矩的不足限制了它在更宽领域的应用。
发明内容
本发明的目的在于改进上述专利不足之处，提出一种改进型大力矩压电超声波电机。主要是在定子结构上作了改进，把原来定子的波纹管外形去掉改成超声变幅式的阶梯结构，在增加声波振动变化幅度的同时，可以减小声波在原来波纹管定子中传播损耗，提高了电机的能量转换效率，使电机性能有了大幅度提高，尤其在输出力矩、保持力矩、使用寿命等主要电机参数上有明显提高。
本发明的特征在于：
所述定子的上匹配块具有超声变幅杆式的阶梯状结构且其下端两侧铣成饼状结构；所述定子和转子的接合部呈纯平面接触；在所述中心轴靠近压力机构的法兰盘上有一用于对中心轴的位置进行手动调整的螺钉；位于上匹配块内壁的轴承与中心轴是间隙配合，位于下匹配块内壁的轴承与中心轴是滑动配合。所述的压电陶瓷片共两组各两片，分别采取并联方式，各自加一对交流电压信号sinwt和coswt，或者一对用占空比的大小来调节超声波发生器给电机脉冲个数以实现步进运动的脉冲调制信号。在所述下匹配块下端定子振动节点处固定着一个四角设有固定用的螺钉孔的方形法兰盘式基座。在所述下匹配块底端面有几个固定用的螺钉孔。所述的压电陶瓷片是d33(压电常数)，高于450×10-12C/N、机械品质因数Qm低于100的压电陶瓷环片。所述定子的下匹配块的螺杆处的中心孔与中心轴之间是间隙配合。所述定子的下匹配块的螺杆处的中心孔与中心轴之间也可处于非接触状态，只依靠上述处于定子内壁的一对轴承定位。
使用证明：它达到了预期目的。
附图说明：
图1.ZL97111805.1提出的“基于弯曲振动模式的压电超声波微电动机”的结构示意图。
图2.本发明提出的大力矩摇头式压电超声波电机的纵剖视图。
图3.方形法兰盘式基座的附视图。
图4.本发明所述压力机构示意图。
图5.本发明所述压电陶瓷环片的加电示意图。
图6.本发明所述的压电超声波电机的电路原理框图。
图7.本发明所述的压电超声波电机的电路原理图。
图8.本发明提出的第2个实施例的纵剖视图。
具体实施方式
请见图2。本发明所述电机由定子21、转子20、中心轴22及压力机构23组成。其中，定子21由具有超声变幅杆式的阶梯状结构外形2111且下端两侧铣成饼状以便于施加预紧力的上匹配块211、带方形法兰盘式基座2134的下匹配块213以及通过上匹配块211的内螺纹和下匹配块213的螺杆结构2133紧紧夹持在中间的四片压电陶瓷环片212构成，压电陶瓷环片212用螺杆2133与螺孔之间的夹紧力把陶瓷片212固定(也可用环氧树脂胶粘接)。在中心轴22靠近转子20的一端有螺钉221，以便在压电超声波电机使用时用螺钉211对中心轴22的位置进行手动调整，为压电超声波电机使用前预置中心轴22的位置提供方便，螺钉221拧入中心轴22后用胶固定。定子21的下匹配块213的螺杆处的中心孔2132与压电超声波电机的中心轴22之间可以采用两种配合方式。其中，一种可以采用间隙配合，保证中心轴22在中心孔2132中可以沿圆周方向自由转动，该中心孔2132对中心轴22起到辅助支撑的作用。另一种可以采用非接触状态，只依靠轴承2112和2131定位。下匹配块213的螺杆2133与上匹配块211的下端螺孔间配合连接，把四片压电陶瓷环片212及薄铜片2123压紧。为防止压电陶瓷片212、薄铜片2123与下匹配块213上的螺杆2133有电连通，在螺杆2133与压电陶瓷环片212内孔之间有薄的绝缘套2124。
图3是本发明所述压电超声波电机与外界的固定方式。方形法兰盘式基座2134的位置在该电机振动的节点处，即振动位置为零的位置，该盘2134的厚度在2mm以下，选用1.0mm，以免由于固定而限制该电机的正常工作。在该盘2134上均匀分布四个光孔，用于穿螺钉进行固定。
图4是本发明所述压电超声波电机的压力机构23的示意图。它由中心轴22上端的法兰盘231、位于它下面薄的预紧力调整金属垫片232、碟形弹簧233、转子20上表面的环形防滑橡胶垫片234以及插入输出轴一侧卡槽222中的标准轴用卡环235组成。它使定子21、转子20之间保持恒定的预紧力。当转子20旋转时力矩通过预紧垫片232、橡胶垫片234、碟形弹簧233传递给中心轴22。在转子20上有一凹槽201，其作用是使转子20与定子21之间的接触具有微观弹性变形的能力，增强力矩从定子21到转子20上的传递效果。
在图5中，一对交流电压信号sinwt和coswt输入到两组压电陶瓷环片2121和2122中，它们分别采取并联方式，其激励频率是该压电超声波电机绕摆弯曲用谐振频率。压电陶瓷环片212使用d33高于450×10-12C/N、机械品质因数Qm低于100的压电陶瓷片，以便使压电超声波电机有宽的工作频带，简化了电路设计，降低了频率跟踪的难度。
图6的电路由主电路、斩波控制电路和频率自动跟踪电路组成。主电路包括超声波发生器、分频移相电路、阻抗匹配电路和压电超声波电机。斩波控制电路包括脉冲调制信号和正反转、起停控制电路；频率自动跟踪电路包括电流电压反馈、鉴相器和频率控制电路。图7是图6框图的电路原理图。芯片555作斩波控制电路用，4046是超声波发生器，L297和L298构成分频移相电路。可变电阻R19对脉冲调制信号的占空比进行连续调整，以改变压电超声波电机的步进角；切换开关K控制压电超声波电机的起停；可变电阻R18用于调整压电超声波电机的谐振频率，改变其步进速度。
上述实施例1的压电超声波电机显示了很好的连续转动和步进特性：外形为圆柱形，下端带方形固定法兰盘式基座，定子直径15mm，转子直径16mm，电机总长42mm；轴输出端长10mm，直径3mm；根据上匹配块211的材料不同，输入电压DC12V±15％，工作频率从30～45KHz间变化，连续运动最高转速大于300r/min，步进运动最低转速小于0.5r/min，最大力矩大于1.5kgfcm，保持力矩大于4kgfcm，最小角分辨率小于0.05，步进寿命大于108步(大于1000小时)。操作温度/存储温度分别是-20℃～60℃/-40℃～80℃，操作湿度小于90％RH，输入功率密度大于130W/Kg，可实现在0～360区间以任意步进角完成圆周进给运动，既可连续运动，也可步进运动。
图8采用的是在下匹配块303下端处的螺钉孔3032进行固定。它主要由定子30、转子31、中心轴32及压力机构34组成。定子30由具有超声变幅杆式的阶梯状结构3011的上匹配块301、下端部有螺钉孔3032的下匹配块303以及通过上匹配块301的内螺纹和下匹配块303的螺杆结构夹持在中间的四片压电陶瓷环片302组成，压电陶瓷环片间用环氧树脂胶粘在一起。通过轴承331、332对中心轴32限位，在定子下匹配块303侧面有一个凸台3031，其主要作用是对该压电超声波电机的外壳进行固定。转子31上也有一个凹槽311，它使转子31与定子30之间的接触具有微观弹性变形，增强力矩从定子30到转子31的传递效果。
本发明适用于外径尺寸为2mm～40mm的压电超声波电机。
由此可见，本发明有以下特点：
1.转子与定子纯平面接触，增加了定、转子间的承载能力，为大力矩输出提供可能，也简化了工艺；
2.上匹配块采用超声变幅杆式外形，提高了输出力矩和保持力矩，简化了结构；而且上匹配块下端两侧铣成饼形，以便于施加预紧力；
3.靠近转子的轴承与中心轴是大间隙配合，对中心轴只起辅助支撑的作用；而靠近输出轴一侧的轴承与中心轴滑动配合起空间限位作用；
4.中心轴靠近转子的一端有一个可在使用时手动调整中心轴位置的螺钉，为使用时便于中心轴与外接件的位置对中；
5.采用d33高于450×10-12C/N、机械品质因素Qm低于100的压电陶瓷环片，加宽了工作频带，简化了电路设计，降低了频率跟踪难度；
6.下匹配块处有四角带固定螺钉的方形法兰盘式基座，位置在定子振动节点处；也可在下匹配块底端面设置定位用螺孔，以便于使用；
7.既可连续转动，也可高精度步进运动。
Claims (7)
1.大力矩摇头式压电超声波电机，含有中心轴；套在中心轴上的转子和定子，其中定子由上匹配块，下匹配块，通过上匹配块的内螺纹和下匹配块的螺杆结构紧紧夹在中间且彼此间用薄铜片实现电连接的压电陶瓷环片组成；位于上匹配块、下匹配块内壁的一对用于中心轴定位的轴承以及由法兰盘、碟形弹簧和转子上表面的环形防滑橡胶垫片构成的压力机构，所述的两组压电陶瓷环片沿厚度极化，且上下两组陶瓷空间位置相差90度，其特征在于：所述定子的上匹配块具有超声变幅杆式的阶梯状结构且其下端两侧铣成饼状结构；所述定子和转子的接合部呈纯平面接触；在所述中心轴靠近压力机构的法兰盘上有一用于对中心轴的位置进行手动调整的螺钉；位于上匹配块内壁的轴承与中心轴是间隙配合，位于下匹配块内壁的轴承与中心轴是滑动配合。
2.根据权利要求1所述的大力矩摇头式压电超声波电机，其特征在于：所述的压电陶瓷片共两组各两片，分别采取并联方式，各自加一对交流电压信号sinwt和coswt，或者一对用占空比的大小来调节超声波发生器给电机脉冲个数以实现步进运动的脉冲调制信号。
3.根据权利要求1所述的大力矩摇头式压电超声波电机，其特征在于：在所述下匹配块下端定子振动节点处固定着一个四角设有固定用螺钉孔的方形法兰盘式基座。
4.根据权利要求1所述的大力矩摇头式压电超声波电机，其特征在于：在所述下匹配块底端面有固定用的螺钉孔。
5.根据权利要求1所述的大力矩摇头式压电超声波电机，其特征在于：所述的压电陶瓷片是d33(压电常数)高于450×10-12C/N、机械品质因数Qm低于100的压电陶瓷环片。
6.根据权利要求1所述的大力矩摇头式压电超声波电机，其特征在于：所述定子的下匹配块的螺杆处的中心孔与中心轴之间是间隙配合。
7.根据权利要求1所述的大力矩摇头式压电超声波电机，其特征在于：所述定子的下匹配块的螺杆处的中心孔与中心轴之间处于非接触状态，只依靠上述处于定子内壁的一对轴承定位。
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