CN1773832A - 交叉组合激励方式的定子及使用该定子的微超声电机 - Google Patents

Abstract

交叉组合激励方式的定子及使用该定子的微超声电机，它属于超声振动应用领域，它是为了克服现有微超声电机工作效率低、微细化时输出转矩小的问题。本发明的交叉组合激励方式的定子，它由压电陶瓷元件和定子匹配块构成，所述压电陶瓷元件的外表面均匀分布有八个径向极化的供激励振动用的外电极；本发明的微超声电机是一种采用八个外电极的压电陶瓷元件作为定子的弯曲振动模态微超声电机。本发明显著提高了电机的工作效率，改善了电机的机械特性，促进了弯曲振动超声电机的实用化和微细化。本发明的微超声电机相比于传统的使用具有四个外电极定子的超声波电机，其性能有明显的改善，空载转速提高了约23％，堵转力矩提高了约45％。

Description

交叉组合激励方式的定子及使用该定子的微超声电机

技术领域

本发明属于超声振动应用领域，具体涉及一种利用弯曲振动模态采用全新分区激励方式的超声波振动激励定子和使用这种定子的微超声电机。

背景技术

弯曲振动模态超声电机是超声电机的一种，它相对别的超声电机结构比较简单。根据定子形状的不同，弯曲振动模态超声电机可分为压电片夹心式超声电机、压电柱式超声电机和压电管式超声电机，其中超声电机的工作效率是标志其能否实用化的一个重要衡量参数。影响此类电机效率的主要因素有：电机的设计结构和定子的分区激励方式。如图1所示，已有的压电管式超声电机定子(压电陶瓷管)的分区激励方式为：将压电陶瓷管1外侧的银膜均匀分为四份银极1-1、1-2、1-3和1-4，并将其分别通以sin、cos、-sin和-cos四路交流电信号进行激励；如图2所示，已有的压电柱式超声电机定子(压电陶瓷柱)的分区激励方式为将压电陶瓷柱2外侧的银膜也均匀分为四份银极2-1、2-2、2-3和2-4并分别通有sin、cos、-sin和-cos四路交流电信号进行激励，例如公开号为1440115A的专利。上述弯曲振动模态超声电机的主要优势在于定子的分区激励方式较简单，但其电机的工作效率低、输出转矩小，在电机进一步微细化时这一问题显得尤为突出。

发明内容

为了克服现有微超声电机工作效率低、微细化时输出转矩小的问题，本发明提供了一种交叉组合激励方式的定子及使用该定子的微超声电机。本发明提供的交叉组合激励方式的定子，它由压电陶瓷元件和定子匹配块构成，所述压电陶瓷元件的外表面均匀分布有八个径向极化的供激励振动用的外电极。本发明中使用交叉组合激励方式定子的微超声电机，它含有由压电陶瓷元件和定子匹配块构成的定子、转子及预压力机构，它是一种弯曲振动模态的微超声电机，所述压电陶瓷元件的外表面均匀分布有八个径向极化的供激励振动用的外电极。

由于本发明的超声电机使用了全新分区激励方式的定子——采用交叉组合激励方式的定子，显著提高了电机的工作效率，改善了电机的机械特性，促进了弯曲振动超声电机的实用化和微细化，因此本发明在航空航天、医疗器械、智能机器人、国防科技等方面有着广阔的应用前景。在同样的激励电压峰峰值下，本发明的微超声电机相比于传统的使用具有四个外电极定子的超声波电机，其性能有明显的改善，空载转速提高了约23％，堵转力矩提高了约45％。

附图说明

图1为已有的压电管式超声电机定子(压电陶瓷管)的分区方式示意图；图2为已有的压电柱式超声电机定子(压电陶瓷柱)的分区方式示意图；图3为本发明设计的超声电机定子中压电陶瓷管3的分区方式示意图；图4为图3中压电陶瓷管3的后视图；图5为具体实施方式三中压电陶瓷元件的结构示意图；图6为具体实施方式七中套筒4的结构示意图；图7为具体实施方式八中套筒4的结构示意图；图8为具体实施方式九中套筒4的结构示意图；图9为本发明提出的交叉组合激励方式的管状微超声电机的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图3至图5，本具体实施方式提供的交叉组合激励方式的定子，它由压电陶瓷元件和定子匹配块构成，所述压电陶瓷元件的外表面均匀分布有八个径向极化的供激励振动用的外电极。

所述压电陶瓷元件是压电陶瓷管、压电陶瓷柱、带导电轴的压电柱(外表面贴有带电极的压电陶瓷片的金属柱)或带导电管的压电管(外表面贴有带电极的压电陶瓷片的金属管)。当所述压电陶瓷元件为压电陶瓷管时，极化方向是从压电陶瓷管的外表面到压电陶瓷管的内表面或从压电陶瓷管的内表面到压电陶瓷管的外表面；其它情况的压电陶瓷元件的极化方向与上述类似，本发明的径向极化采用常规方法。

具体实施方式二：参见图3和图4，本具体实施方式采用以下方法获得所述具有八个外电极的压电陶瓷元件：一、选择已经极化后的内外表面都镀有一层银膜的压电陶瓷管3(从中科院北京声学所购买)，它采用从外表面到内表面的径向极化方式；二、用胶布条将上述压电陶瓷管3的表面银膜均匀分为八份，然后将上述压电陶瓷管3的内外表面都涂上防腐漆并晾干，所述防腐漆不溶于硝酸，如DY-ZB-288防护漆；三、撕下压电陶瓷管3外表面的胶布条并将压电陶瓷管3放入到硝酸溶液中，停留片刻后取出，原先贴有胶布条的位置银膜被硝酸腐蚀掉了，而原先没有贴胶布条的位置由于防腐漆的保护银膜被保留了下来；四、利用丙酮溶液除去压电陶瓷管3内外表面的防腐漆，即可获得外表面具有八个银电极的压电陶瓷管3，这八个银电极分别是：第一银电极3-1-1、第二银电极3-1-2、第三银电极3-1-3、第四银电极3-1-4、第五银电极3-1-5、第六银电极3-1-6、第七银电极3-1-7和第八银电极3-1-8。本具体实施方式提供了一种采用化学方法获得所述具有八个外电极的压电陶瓷元件的方法，该方法简单、易操作。在本具体实施方式中，压电陶瓷管3可以替换为压电陶瓷柱、带导电轴的压电柱、带导电管的压电管中的任意一种。

具体实施方式三：参见图5，在本具体实施方式中，所述具有八个外电极的压电陶瓷元件由法兰盘11、第一压电管3-1和第二压电管3-2构成，所述第一压电管3-1和第二压电管3-2的外表面都均匀分布有四个极化方向相同的供激励振动用的外电极，法兰盘11固定连接在第一压电管3-1和第二压电管3-2之间且第一压电管3-1和第二压电管3-2的中心轴线重合，第一压电管3-1和第二压电管3-2的外表面电极对应连接。采用本具体实施方式时，第一压电管3-1和第二压电管3-2可以购买得到；与具体实施方式二相比，利用法兰盘将两个压电管固定在一起而获得的一个外表面具有八个电极的压电管的方法，操作更简单、更快捷；而且法兰盘11还可以用于固定微超声电机的其它结构部件。在本具体实施方式中，第一压电管3-1和第二压电管3-2可以是压电陶瓷管3或带导电管的压电管，它们还可以是压电陶瓷柱或带导电轴的压电柱。

具体实施方式四：参见图9，在本具体实施方式中，使用交叉组合激励方式定子的微超声电机，它含有由压电陶瓷元件和定子匹配块构成的定子、转子5及预压力机构，它是一种弯曲振动模态的微超声电机，所述压电陶瓷元件的外表面均匀分布有八个径向极化的供激励振动用的外电极。

具体实施方式五：参见图9，本具体实施方式与具体实施方式四的不同点是：所述定子匹配块与压电陶瓷元件同轴，而且所述定子匹配块的一端与所述压电陶瓷元件粘接为一体，所述定子匹配块的另一端与转子5的内端面摩擦连接，所述转子5与力矩输出轴6同轴且转子5与力矩输出轴6径向固定连接，所述预压力机构是由同轴地套在力矩输出轴6上且依次紧压着转子5外端面的第一垫圈7-1、弹簧9、第二垫圈7-2和螺母8构成的。其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。压电陶瓷元件与匹配块的粘接可以采用神力铃胶或环氧树脂一类的胶。

具体实施方式六：参见图6和图9，本具体实施方式与具体实施方式五的不同点在于：所述压电陶瓷元件采用具体实施方式二所制备的具有八个外电极的压电陶瓷管3，压电陶瓷管3的第一银电极3-1-1、第二银电极3-1-2、第三银电极3-1-3、第四银电极3-1-4、第五银电极3-1-5、第六银电极3-1-6、第七银电极3-1-7和第八银电极3-1-8依次连接sin、cos、-sin、-cos、-sin、-cos、sin、cos交流电信号的输出端。上述激励方法使定子产生所需的弯曲摇头振动。其它组成和连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：参见图6和图9，本具体实施方式与具体实施方式六的不同点在于：所述定子匹配块由两个套筒4构成，每个套筒4的一端都开有一个凸台肩，所述套筒4的凸台肩与压电陶瓷管3粘接为一体，所述套筒4、压电陶瓷管3及转子5同轴地套在力矩输出轴6上，所述力矩输出轴6与转子5相连接部分的外表面上设有一沟槽12，销钉10沿转子5的径向插入到沟槽12中。其它组成和连接关系与具体实施方式六相同。沟槽12与销钉10的配合是为了使力矩输出轴6与转子5同轴转动，并且转子5可以沿轴向对定子施加预压力。本具体实施方式提供的是一种压电管式的微超声电机的结构；公开号为1440115A的专利提供了一种压电柱式的微超声电机的结构，如果用本发明所设计的交叉组合激励方式的定子(具有八个外电极的压电柱式定子)代替它的压电柱即可获得一种使用交叉组合激励方式的压电柱式定子的微超声电机。

具体实施方式八：参见图7和图9，本具体实施方式与具体实施方式七的不同点在于：所述套筒4的另一端为内圆锥面，所述转子5的内端面为外圆锥面，所述套筒4的内圆锥面与转子5的内端面的外圆锥面摩擦连接。其它组成和连接关系与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：参见图8和图9，本具体实施方式与具体实施方式七的不同点在于：所述套筒4的另一端为内半球面，所述转子5的内端面为外半球面，所述套筒4的内半球面与转子5的内端面的外半球面摩擦连接。其它组成和连接关系与具体实施方式七相同。

Claims (9)

1、交叉组合激励方式的定子，它由压电陶瓷元件和定子匹配块构成，其特征在于所述压电陶瓷元件的外表面均匀分布有八个径向极化的供激励振动用的外电极。

2、根据权利要求1所述的交叉组合激励方式的定子，其特征在于所述压电陶瓷元件是压电陶瓷管、压电陶瓷柱、带导电轴的压电柱、带导电管的压电管。

3、根据权利要求1所述的交叉组合激励方式的定子，其特征在于所述具有八个外电极的压电陶瓷元件由法兰盘(11)、第一压电管(3-1)和第二压电管(3-2)构成，所述第一压电管(3-1)和第二压电管(3-2)的外表面都均匀分布有四个极化方向相同的供激励振动用的外电极，法兰盘(11)固定连接在第一压电管(3-1)和第二压电管(3-2)之间且第一压电管(3-1)和第二压电管(3-2)的中心轴线重合，第一压电管(3-1)和第二压电管(3-2)的外表面电极对应连接。

4、使用交叉组合激励方式定子的微超声电机，它含有由压电陶瓷元件和定子匹配块构成的定子、转子(5)及预压力机构，其特征在于它是一种弯曲振动模态的微超声电机，所述压电陶瓷元件的外表面均匀分布有八个径向极化的供激励振动用的外电极。

5、根据权利要求4所述的使用交叉组合激励方式定子的微超声电机，其特征在于所述定子匹配块与压电陶瓷元件同轴，而且所述定子匹配块的一端与所述压电陶瓷元件粘接为一体，所述定子匹配块的另一端与转子(5)的内端面摩擦连接，所述转子(5)与力矩输出轴(6)同轴且转子(5)与力矩输出轴(6)径向固定连接，所述预压力机构是由同轴地套在力矩输出轴(6)上且依次紧压着转子(5)外端面的第一垫圈(7-1)、弹簧(9)、第二垫圈(7-2)和螺母(8)构成的。

6、根据权利要求4所述的使用交叉组合激励方式定子的微超声电机，其特征在于所述压电陶瓷元件为具有八个外电极的压电陶瓷管(3)，压电陶瓷管(3)的第一银电极(3-1-1)、第二银电极(3-1-2)、第三银电极(3-1-3)、第四银电极(3-1-4)、第五银电极(3-1-5)、第六银电极(3-1-6)、第七银电极(3-1-7)和第八银电极(3-1-8)依次连接sin、cos、-sin、-cos、-sin、-cos、sin、cos交流电信号的输出端。

7、根据权利要求4或5所述的使用交叉组合激励方式定子的微超声电机，其特征在于所述定子匹配块由两个套筒(4)构成，每个套筒(4)的一端都开有一个凸台肩，所述套筒(4)的凸台肩与压电陶瓷管(3)粘接为一体，所述套筒(4)、压电陶瓷管(3)及转子(5)同轴地套在力矩输出轴(6)上，所述力矩输出轴(6)与转子(5)相连接部分的外表面上设有一沟槽(12)，销钉(10)沿转子(5)的径向插入到沟槽(12)中。

8、根据权利要求7所述的使用交叉组合激励方式定子的微超声电机，其特征在于所述套筒(4)的另一端为内圆锥面，所述转子(5)的内端面为外圆锥面，所述套筒(4)的内圆锥面与转子(5)的内端面的外圆锥面摩擦连接。

9、根据权利要求7所述的使用交叉组合激励方式定子的微超声电机，其特征在于所述套筒(4)的另一端为内半球面，所述转子(5)的内端面为外半球面，所述套筒(4)的内半球面与转子(5)的内端面的外半球面摩擦连接。

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