CN202663321U - 弯振子激励的旋转超声电机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种弯振子激励的旋转超声电机，包括定子组件、转子组件以及沿定子组件轴向放置的转动轴，且定子组件与转子组件同轴设置；所述定子组件包括金属圆环体以及四个压电弯振子；所述金属圆环体包括上部圆环，上部圆环的外壁周向均布四个连接足，该四个连接足与四个压电弯振子一一对应连接，且该四个压电弯振子绕金属圆环体的中心轴呈90°旋转均布，同时各压电弯振子的长度方向与上部圆环的周向相切。因此，本实用新型具有性能稳定，输出功率大，结构紧凑，对陶瓷片的要求较单一，加工和装配要求较低的特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种弯振子激励的旋转超声电机，属超声电机领域。
背景技术
超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动，依靠摩擦力驱动的新型作动器。旋转型超声电机属于超声电机的一种。与传统电磁电机相比，超声电机具有大转矩质量比、快速响应、精密定位和无电磁干扰等优点，在生物医疗、精密驱动、光学器件以及航空航天等领域具有广泛的应用前景。
检索现有面内行波的旋转超声电机专利发现，实现面内行波的方式主要有两种：采用贴片式压电陶瓷激励和采用夹心振子方式激励。贴片式激励需要在金属环体表面铣出平面，这样不利于对称型面内行波的形成并且对粘贴工艺的要求较高；夹心振子式激励广泛采用纵振子激发定子的面内振动，振子的法向安装方式占用了较多空间，不利于结构的小型化。目前有采用纵振和弯振两种异型模态共同作用激发面内行波的新型旋转超声电机。申请号为200910212678.5公开的一种面内行波旋转超声电机采用一个耦合纵弯两种振型的振子激发圆环的面内弯曲行波运动，该电机结构的优点是结构简单，加工工艺性好，但振子的法向布局不利于电机的微型化且定子的安装和夹持方式对其振动模态有较大影响。申请号为200910072818.3公开的一种纵弯复合式圆筒形旋转超声电机同样采用一个具有纵弯复合模态的夹心式换能器激发圆筒的面内行波运动，其特点是夹心振子位于圆筒的切向位置，采用两个悬臂结构与圆筒相连，该电机的优点是结构紧凑， 但对悬臂部位的加工精度和装配要求较高。另外，单一振子耦合两种异型模态的设计较为复杂，要求采用不同类型的陶瓷片，且两种模态在相同激励情况下很难达到振幅一致。
实用新型内容
本实用新型针对现有技术的不足，目的在于提供一种能够实现正反向旋转运动并具有大功率输出特性的超声电机，电机本体具有性能稳定，输出功率大，结构紧凑，对陶瓷片的要求较单一，加工和装配要求较低的特点。
为实现以上的技术目的，本实用新型将采取以下的技术方案：
一种弯振子激励的旋转超声电机，包括定子组件、转子组件以及沿定子组件轴向放置的转动轴，且定子组件与转子组件同轴设置；所述定子组件包括金属圆环体以及四个压电弯振子；所述金属圆环体包括上部圆环，上部圆环的外壁周向均布四个连接足，该四个连接足与四个压电弯振子一一对应连接，且该四个压电弯振子绕金属圆环体的中心轴呈90°旋转均布，同时各压电弯振子的长度方向与上部圆环的周向相切。
所述上部圆环的内腔呈相背设置的双锥面结构，且该双锥面结构的两锥面均等距开设齿槽，所述转子组件包括分体设置的上转子和下转子，上转子、下转子分别与双锥面结构的两锥面相触，且上转子、下转子与双锥面结构的接触面均呈锥面设置；所述上转子通过预紧设置的弹性连接件安装在转动轴上，而下转子则与转动轴固定。
所述金属圆环体还包括下部固定圆环，该下部固定圆环通过中部支撑壁与上部圆环连接。
所述压电弯振子包括前端盖、弯振压电组件、尾部配重块以及螺纹紧固件；弯振压电组件通过螺纹紧固件与前端盖固紧，尾部配重块压设在弯振压电组件与螺纹紧固件的螺帽之间；弯振压电组件为两分区激励结构，包括弯振压电陶瓷片以及电极片；所述弯振压电陶瓷片以及电极片均为偶数片，且弯振压电陶瓷片与电极片相间设置，各弯振压电陶瓷片的极化边界同位设置，同时相邻的两弯振压电陶瓷片的正负极化区交替布置。
根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果：
1、本实用新型采用弯振子激发上部圆环的面内弯曲振动，且压电弯振子的长度方向与金属圆环的外圆周侧面相切，同时压电弯振子的数量为四个，绕上部圆环的中心轴呈90度旋转均布，这种布局结构紧凑，激发的模态振型相同，并且有助于提高输出功率；
2、金属圆环体的上部圆环和下部固定环之间具有一段中部支撑薄壁结构，这种设计有助于定子的安装和夹持，并且对其振动模态影响较小；
3、本实用新型将由纵振子激发的面内弯曲振动改为弯振子激发的面内弯曲振动，夹心振子的振动模态的转变主要是由于振子安装布局的转变所决定：经有限元计算，切向布局的振子其弯振模态更易激发定子金属圆环的面内弯曲振动，并且模态频率较低，谐波响应计算的振幅较高，有助于提高电机的输出转速和扭矩。与耦合两种模态的设计相比，夹心振子的单一模态设计使得定子的结构设计较为灵活，方便，并且有助于多振子在同一振动模态下激发金属圆环体的面内弯曲振动。
4、本实用新型的弯振子激励的旋转超声电机除具有超声电机的一般特点外，采用金属薄壁的支撑结构，有助于定子的安装和夹持，并且这种设计不需要另外安装轴承，金属圆环的内侧锥面结构和锥形双转子的设计起到自动对心的功能，因此电机可工作在极限低温和真空环境等对润滑有特殊要求的场合。
附图说明
图1.为弯振子的结构示意图：其中，图1-1为剖视图，图1-2为分解视图。
图2为定子的结构示意图：其中，图2-1为正视图，其中包含中部支撑薄壁的局部剖视，图2-2为立体图。
图3.为弯振子激励的旋转超声电机结构示意图：其中，图3-1为正视图，其中包含上转子、下转子和定子圆环的局部剖视，图3-2为立体图。
图4.为弯振子激励的旋转超声电机工作原理示意图：其中，图4-1为A型面内三阶弯曲振动模态振型图，图4-2为B型面内三阶弯曲振动模态振型图。
图中标号名称：1、金属圆环体；2-1、第一弯振子；2-2、第二弯振子；3-1、第三弯振子；3-2、第四弯振子；4、第一双锥面；5、第二双锥面；6、前端盖；7、弯振压电陶瓷片；8、尾部配重块；9、紧固螺栓；10、电极片；11、第一连接足；12、第二连接足；13、第三连接足；14、第四连接足；15、上部圆环；16、中部支撑壁；17、下部固定环；18、转轴；19、压紧螺母；20、弹簧片；21、上转子；22、下转子；23、第一弯振子的一阶弯曲振动模态；24、第二弯振子的一阶弯曲振动模态；25、上部圆环的A型面内三阶弯曲振动模态；26、27、28均为压电陶器驱动信号输入端；29、第三弯振子的一阶弯曲振动模态；30、第四弯振子的一阶弯曲振动模态；31、上部圆环的B型面内三阶弯曲振动模态；32、33、34 均为压电陶器驱动信号输入端。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本实用新型所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本实用新型的技术方案。
如图1至4所示，本实用新型所述弯振子激励的旋转超声电机，包括定子组件、转子组件以及沿定子组件轴向放置的转动轴，且定子组件与转子组件同轴设置；所述定子组件包括金属圆环体以及四个压电弯振子；所述金属圆环体包括上部圆环，上部圆环的外壁周向均布四个连接足：即第一连接足11、第二连接足12、第三连接足13以及第四连接足14，该四个连接足与四个压电弯振子一一对应连接，所述的四个压电弯振子即为：第一弯振子2-1、第二弯振子2-2、第三弯振子3-1、第四弯振子3-2；且该四个压电弯振子绕金属圆环体的中心轴呈90°旋转均布，同时各压电弯振子的长度方向与上部圆环的周向相切。
如图2-1、2-2所示，本实用新型所述上部圆环的内腔呈相背设置的双锥面结构，且该双锥面结构的两锥面均等距开设齿槽，所述转子组件包括分体设置的上转子和下转子，上转子、下转子分别与双锥面结构的两锥面相触，且上转子、下转子与双锥面结构的接触面均呈锥面设置，即本实用新型所述上转子21和下转子22的主体为圆锥台结构；所述上转子通过预紧设置的弹性连接件安装在转动轴上，促使上转子可以沿着转动轴上下移动，本实用新型所采用的弹性连接件为弹簧片，该弹簧片20安装在上转子21的上表面，在压紧螺母19 的作用下发生弹性变形，其在轴向上的分力为定转子的接触提供预紧力，预紧力的大小由压紧螺母19与转动轴18之间轴向上的相对位置进行调节；而下转子则与转动轴固定；本实用新型为了便于定子组件的安装和夹持，将所述上部圆环的下表面通过中部支撑壁与下部固定圆环连接。
如图1-1、1-2所示，本实用新型所述压电弯振子包括前端盖、弯振压电组件、尾部配重块以及螺纹紧固件；弯振压电组件通过螺纹紧固件与前端盖固紧，尾部配重块压设在弯振压电组件与螺纹紧固件的螺帽之间；弯振压电组件为两分区激励结构，包括四片弯振压电陶瓷片以及四片电极片；所述弯振压电陶瓷片与电极片相间设置，且各弯振压电陶瓷片的极化边界同位设置，同时相邻的两弯振压电陶瓷片的正负极化区交替布置。
本实用新型分别将四个压电弯振子划分为两相：其中两个相间设置的压电弯振子为一相，在一路激励电压信号的作用下被激发出A型面内弯曲振动模态，而余下两个相间设置的压电弯振子为另一相，在另一路激励电压信号的作用下被激发出B型面内弯曲振动模态；所施加的两路激励电压信号为π/2相位差的两路同频正弦信号，A型面内弯曲振动模态和B型面内弯曲振动模态具有相同或接近的共振频率，促使上部圆环的双锥面结构的锥面产生行波运动，导致该锥面上的质点具有椭圆形的运动轨迹，推动转子组件转动。
所述弯振子激励的旋转超声电机如图3所示，主要由转子21和22以及定子组成。其定子如图2所示。上转子21和下转子22主体为圆锥台结构，与定子接触面加工成锥面，下转子22与转动轴18固定，上转子21可在转动轴18 上相对滑动，弹簧片20安装在上转子21的上表面，在压紧螺母19 的作用下发生弹性变形，其在轴向上的分力为定转子的接触提供预紧力，预紧力的大小由压紧螺母19与转动轴18之间轴向上的相对位置进行调节。
图2所示的定子由金属圆环体1以及与金属圆环体1相连的四个弯振子2-1、2-2、3-1、3-2组成；金属圆环体1为一体化加工，包括上部圆环15、中部支撑壁16和下部固定环17，其中，上部圆环驱动面为双锥面4和5，并且开有齿槽，外侧面均布四个连接足12、14、11、13，分别与四个弯振子2-1、2-2、3-1、3-2的端部相连，四个弯振子绕金属圆环体的中心轴呈90度旋转均布，并且长度方向与上部圆环的周向相切，组成上、下、左、右四个驱动单元；中部支撑壁16的上表面与上部圆环15的下表面相连，薄壁在径向上的位置位于齿槽和连接足之间；下部固定环17的上表面与中部支撑壁16 的下表面相连，下部固定环17的下表面为电机的安装面。
以下详述本实用新型的工作原理：
该超声电机设计的定子有效工作模态为面内弯曲振动模态，因为四个弯振子均匀分布，且相邻两振子呈90度垂直，故适合的工作模态为B03，B05和B09三种，B表示弯曲振动，第一下标为振动的节圆数，第二下标为振动的节径数。下文控制方式以B03工作模态为例。如图4-1所示，在驱动信号输入端26接地，输入端27施加A+相信号 
，输入端28施加A-相信号
，可激发图示的弯振子2-1和2-2的局部弯曲振动B2模态，具有2个节点，带动上连接足12和下连接足14运动，激发上部圆环15的B03面内三阶弯曲振动模态25，将其定义为A型模态；如图4-2所示，在驱动信号输入端32接地，输入端33施加B+相信号
，输入端34施加B-相信号，可激发图示的弯振子3-1和3-2的局部弯曲振动B2模态，具有2个节点，带动左连接足11和右连接足13运动，激发上部圆环15的B03面内三阶弯曲振动模态31，将其定义为B型模态；由于结构上的对称性，理论上A型模态和B型模态为同型同频模态，但振型在周向上相差π/4弯曲波波长，即在空间相位上相差π/2。当四个信号
、、
和
同时施加时，两个模态25、31的叠加可使上部圆环15产生面内行波运动，内侧双锥面4和5的齿顶端质点随行波做椭圆运动，经摩擦作用推动转子21和22在x-y平面内转动。转子转动的正、反方向可由A、B两相正弦信号的相位差确定，即π/2相位差使电机动子正向运动、－π/2相位差使电机动子反向运动。
Claims (4)
1.一种弯振子激励的旋转超声电机，包括定子组件、转子组件以及沿定子组件轴向放置的转动轴，且定子组件与转子组件同轴设置；其特征在于：所述定子组件包括金属圆环体以及四个压电弯振子；所述金属圆环体包括上部圆环，上部圆环的外壁周向均布四个连接足，该四个连接足与四个压电弯振子一一对应连接，且该四个压电弯振子绕金属圆环体的中心轴呈90°旋转均布，同时各压电弯振子的长度方向与上部圆环的周向相切。
2.根据权利要求1所述弯振子激励的旋转超声电机，其特征在于：所述上部圆环的内腔呈相背设置的双锥面结构，且该双锥面结构的两锥面均等距开设齿槽，所述转子组件包括分体设置的上转子和下转子，上转子、下转子分别与双锥面结构的两锥面相触，且上转子、下转子与双锥面结构的接触面均呈锥面设置；所述上转子通过预紧设置的弹性连接件安装在转动轴上，而下转子则与转动轴固定。
3.根据权利要求1所述弯振子激励的旋转超声电机，其特征在于：所述金属圆环体还包括下部固定圆环，该下部固定圆环通过中部支撑壁与上部圆环连接。
4.根据权利要求1所述弯振子激励的旋转超声电机，其特征在于：所述压电弯振子包括前端盖、弯振压电组件、尾部配重块以及螺纹紧固件；弯振压电组件通过螺纹紧固件与前端盖固紧，尾部配重块压设在弯振压电组件与螺纹紧固件的螺帽之间；弯振压电组件为两分区激励结构，包括弯振压电陶瓷片以及电极片；所述弯振压电陶瓷片以及电极片均为偶数片，且弯振压电陶瓷片与电极片相间设置，各弯振压电陶瓷片的极化边界同位设置，同时相邻的两弯振压电陶瓷片的正负极化区交替布置。
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