CN201821287U - 一种行波型超声波电机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种行波型超声波电机。包括外壳，底座，定子和转子。底座内端面与板簧外圆的卡片连接，圆盘形转子安装在外壳内，转子的输出轴穿过定子并伸出底座外，圆盘形定子基体开齿槽端面与转子一个端面的摩擦材料接触，板簧内圆的定位片镶嵌在定子基体端面的定子定位槽内，转子另一个端面开有等间隔的2个以上齿槽，转子中心孔内底部向外依次设有弹簧和滚珠，外壳底面中心的螺钉压在滚珠上，外壳底面开槽，槽内对应转子另一端面的齿槽位置开有通孔，霍尔传感器一面与槽固定连接，另一面与磁钢片固定连接。本实用新型用于定子直径为5mm-15mm的行波形超声波电机，具有摩擦自锁功能；动态响应快；可直接驱动；用于航空航天领域可减轻系统重量。
Description
技术领域
本实用新型涉及超声波电机，具体涉及高输出转矩的一种小尺寸的行波型超声波电机。
背景技术
超声波电机(Ultrasonic Motor简称USM)是一种利用压电材料的逆压电效应转换能量的新原理电机。超声波电机的定子一般为压电材料-金属复合体，通过向压电材料施加超声频率的交流电压激励，使压电材料由于逆压电效应而产生周期形变。在该周期形变作用下，定子复合体产生受迫振动并通过接触摩擦耦合使定子复合体的振动能转换为转子的旋转运动能。超声波电机的设计、制造和应用涉及到机械学、振动学、摩擦学、力学、压电学、声学、材料学、电力电子和控制理论等多学科交叉领域。
在微电机领域，超声波电机与传统电磁型电机相比的显著优势是其效率较高。特别是当电机直径小降到10mm以下，电磁电机效率显著下降，而超声波电机效率则基本不变。同时微型超声波电机结构设计灵活，因此在微机电系统等领域中得到了广泛的关注。但行波型超声波电机的微型化容易遭遇加工困难，输出力矩较低等技术瓶颈。如1993年，日本松下电器股份有限公司尝试将行波型超声波电机微型化，并试制了直径为10mm的行波型微型超声波电机。但由于结构设计不合理，传统压电片极化模式有效利用率低等原因造成电机输出力矩及输出功率较小。
发明内容
为了克服背景技术中传统超声波电机的压电片极化模式有效利用率低等原因造成电机输出力矩及输出功率较小，本实用新型的目的在于提供一种行波型超声波电机。
为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
一种行波型超声波电机，包括外壳，底座，由定子基体和胶粘在定子基体一侧的环形压电片组成的定子，转子。底座内端面与板簧外圆的卡片连接，一端为转盘形的转子安装在外壳内，转盘形的转子的输出轴穿过定子中心及设有板簧的底座的中心并露出底座外，圆盘形的定子基体开齿槽端面与转子一个端面的摩擦材料相接触，板簧内圆的定位片镶嵌在定子基体端面的定子定位槽内，转子另一个端面开有等间隔的2个以上齿槽，转子中心孔内底部向外依次设有压紧弹簧和滚珠，外壳底面中心的螺钉压在滚珠上，外壳底面开槽，槽内对应转子另一端面的齿槽位置开有通孔，霍尔传感器一面与槽固定连接，另一面与磁钢片固定连接。
所述的环形压电片分为9块扇形极化区域。以中心角为3π/16的正极化区域为第1块极化区域，按逆时针方向，第2块至第4块极化区域中心角分别为π/4，第1块至第4块极化区域相邻两区域间极化方向相反；第5块极化区域中心角为π/8，正向或反向极化；第6块至第8块极化区域中心角分别为π/4，第9块极化区域中心角为3π/16，第6块至第9块极化区域相邻两区域间极化方向相反；其中第1块极化区域与第9块极化区域的极化方向相反；相邻极化区域间有等宽度的不极化的隔离区域。
本实用新型具有的有益效果是：
本实用新型行波型超声波电机预紧机构简单，体积小，对输出轴的摩擦阻尼很小；能量密度较电磁型电机高；改进的压电片极化模式使压电片有效利用率提高，输出力矩大；该结构电机能够实现定子直径15-5mm的小尺寸行波型超声波电机，如定子直径10mm的行波型超声波电机，空载转速达950r/min以上，堵转力矩达到9mNm以上。本实用新型的电机具有摩擦自锁功能；动态响应特性极高(机械时间常数在几ms以内)，易于实现高精度定位控制；可直接驱动；用于航空航天领域可减轻系统重量。
附图说明
图1是行波型超声波电机总体结构图。
图2是定子基体的主视图。
图3是图2定子基体的A-A剖面视图。
图4是图2定子基体的B向视图。
图5是底座主视图。
图6是图5底座的D-D剖视图。
图7是图5底座的E向视图。
图8是转子的主视图。
图9是图8转子的C-C剖视图。
图10是压电片极化模式图。
图11是板簧结构图。
图12是外壳的主视图。
图13是图12外壳的F-F剖视图。
图中：1、外壳，2、转子，3定子基体，4环形压电片，5、板簧，6、底座，7、摩擦材料，8压紧弹簧，9滚珠，10、螺钉，11霍尔传感器，12、磁钢片，13、定子定位槽，14、定子导线槽，15、底座导线孔，16、摩擦材料，17、卡片，18、定位片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，一种行波型超声波电机，包括外壳1，底座6，由定子基体3和胶粘在定子基体3一侧的环形压电片4组成的定子，转子2。底座6内端面与板簧5外圆的卡片17连接，如图11所示，一端为转盘形的转子2安装在外壳1内，转盘形的转子2的输出轴穿过定子中心及设有板簧5的底座6的中心并露出底座6外，圆盘形的定子基体3开齿槽端面与转子2一个端面的摩擦材料7相接触，板簧5内圆的定位片18镶嵌在定子基体3端面的定子定位槽13内，转子2另一个端面开有等间隔的2个以上齿槽，转子2中心孔内底部向外依次设有压紧弹簧8和滚珠9，外壳1底面中心的螺钉10压在滚珠9上，如图12、图13所示，外壳1底面开槽，槽内对应转子2另一端面的齿槽位置开有通孔，霍尔传感器11一面与槽固定连接，另一面与磁钢片12固定连接。
如图10所示，所述的环形压电片4分为9块扇形极化区域。以中心角为3π/16的正极化区域为第1块极化区域，按逆时针方向，第2块至第4块极化区域中心角分别为π/4，第1块至第4块极化区域相邻两区域间极化方向相反；第5块极化区域中心角为π/8，正向或反向极化；第6块至第8块极化区域中心角分别为π/4，第9块极化区域中心角为3π/16，第6块至第9块极化区域相邻两区域间极化方向相反；其中第1块极化区域与第9块极化区域的极化方向相反；相邻极化区域间有等宽度的不极化的隔离区域。图10中“+”、“-”符号表示极化方向相反。无符号表示未极化。
如图2、图3、图4所示，所述的圆盘形的定子基体3的齿槽为20-40个。
如图5、图6、图7所示，底座6中心开有通孔；通孔附近开有底座导线孔15，用于引出电线；底座6内端面开有定子定位槽，定子定位槽与板簧5外圆的卡片17连接。
如图8、图9所示，所述的转子2另一个端面的齿槽为2-16个。
所述的预紧机构由螺钉10，滚珠9及压紧弹簧8构成。压紧弹簧8位于转子2的转盘上的直槽内，滚珠9位于转子的转盘上的锥形孔内，螺钉10通过外 壳的螺孔与滚组接触，通过旋紧和放松螺钉增加和减少定子与转子间的预紧力。通过旋紧或放松螺母调节弹簧的预紧力，进而调节定转子间的预紧力。
位置检测机构由霍尔传感器11，磁钢片12及转子2的转盘上均匀分布的8个齿槽构成。磁钢片12粘接在霍尔传感器11一侧，霍尔传感器11另一侧粘接如图12、13所示的外壳的槽内，槽中开有孔。当齿或槽经过霍尔传感器11正下方时，霍尔传感器11输出不同电平信号。每两个相同电平信号的跳变表示转子2转过45°角度，通过检测霍尔传感器11相同电平信号跳变以确定转子2转过的角度。
板簧5具有弹性，用于消除定子基体3与转子2间的接触误差。
通过在环形压电片4上施加两相频率为定子谐振频率，相位相差π/2的正弦交流电压，激励定子表面形成行波振动，通过定子与转子间的摩擦耦合，推动转子旋转。
Claims (4)
1.一种行波型超声波电机，包括外壳(1)，底座(6)，由定子基体(3)和胶粘在定子基体(3)一侧的环形压电片(4)组成的定子，转子(2)；其特征在于：底座(6)内端面与板簧(5)外圆的卡片(17)连接，一端为转盘形的转子(2)安装在外壳(1)内，转盘形的转子(2)的输出轴穿过定子中心及设有板簧(5)的底座(6)的中心并露出底座(6)外，圆盘形的定子基体(3)开齿槽端面与转子(2)一个端面的摩擦材料(7)相接触，板簧(5)内圆的定位片(18)镶嵌在定子基体(3)端面的定子定位槽(13)内，转子(2)另一个端面开有等间隔的2个以上齿槽，转子(2)中心孔内底部向外依次设有压紧弹簧(8)和滚珠(9)，外壳(1)底面中心的螺钉(10)压在滚珠(9)上，外壳(1)底面开槽，槽内对应转子(2)另一端面的齿槽位置开有通孔，霍尔传感器(11)一面与槽固定连接，另一面与磁钢片(12)固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种行波型超声波电机，其特征在于：所述的环形压电片(4)分为9块扇形极化区域，以中心角为3π/16的正极化区域为第1块极化区域，按逆时针方向，第2块至第4块极化区域中心角分别为π/4，第1块至第4块极化区域相邻两区域间极化方向相反；第5块极化区域中心角为π/8，正向或反向极化；第6块至第8块极化区域中心角分别为π/4，第9块极化区域中心角为3π/16，第6块至第9块极化区域相邻两区域间极化方向相反；其中第1块极化区域与第9块极化区域的极化方向相反；相邻极化区域间有等宽度的不极化的隔离区域。
3.根据权利要求1所述的一种行波型超声波电机，其特征在于：所述的圆盘形的定子基体(3)的齿槽为20-40个。
4.根据权利要求1所述的一种行波型超声波电机，其特征在于：所述的转子(2)另一个端面的齿槽为2-16个。
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