CN203039613U - 一种小型一体式并联旋转超声电机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种小型一体式并联旋转超声电机，属于超声电机技术领域。包括定子(1)和作为轴承的动子(2)，所述定子(1)由N（N≥3）个复合振子并联组成，所述复合振子通过柔性支持元件相连接，且复合振子围绕动子沿周向对称放置；所述每个复合振子由两个兰杰文振子成一定角度互相交叉构成；同时该两个兰杰文振子头部联为一体形成复合振子的驱动足(13)，且所述兰杰文振子均在同一个平面上；每个兰杰文振子由弹性体(11)以及压电陶瓷片(12)组成，所述压电陶瓷片的正极朝外，负极指向弹性体(11)的基体表面。本实用新型不仅能量密度高、结构紧凑，而且在纵向尺寸上很薄的情况下，仍可以提供较大的输出力矩。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种由多个复合振子一体式周向对称并联而成的旋转超声电机，属超声电机领域。
背景技术
直线超声电机是20世纪80年代迅速发展和应用的一种新型微电机，它利用压电元件的逆压电效应和弹性体的超声振动，并通过定子和动子之间的摩擦作用，把弹性体的微幅振动转换成动子的宏观直线（旋转）运动，直接推动负载。目前国内直线超声电机的发展很快。在中国专利网上，有多项关于直线超声电机的专利。这其中，杆结构直线超声电机备受关注，这是因为该电机的定子是由兰杰文振子构成的。兰杰文振子利用纵振，有明确的节点。它具有很高的能量传输效率，并有利于夹持。专利【200810124426.2】提出基于连续变幅杆原理的K形直线超声电机，该电机的定子有2个对称的兰杰文振子构成。专利【201010556088.7】提出基于直线超声电机的柔性夹持技术，它是通过柔性圆弧片段将所有压电振子连接起来，并通过柔性圆弧片段将振子与带有圆形通孔的固定端相连接，从而简化了的夹持结构。随着近年来直线超声电机在机器人、航空航天领域等领域的应用研究，直线超声电机的问题也慢慢暴露出来，其中之一就是单个电机的输出力不足，在某些需要大输出力的应用场合不能满足要求，这就促使了对大推力直线超声电机的研究。目前对于大推力直线超声电机的研究主要集中在两个方面：
一是增大直线超声电机的体积。但根据直线超声电机的特性，在小体积的情况下电机才能有较大的优势，电机体积变大之后输出力并没有提高很多，而且超声电机应用的场合一般对体积都有所限制，所以仅仅增加电机的体积并不能解决问题。
二是将直线超声电机并联使用。在保持单个电机体积不变的情况下，增加驱动电机的数目来提高整体输出力能比增加电机体积获得的效果要好。目前直线超声电机并联方式多采用由多个电机小平台组装成并联平台，装夹繁琐，推重比低。
直线超声电机的并联性能研究对直线超声电机的要求较高，国内由于超声电机的研究起步较晚，所以目前这类研究以国外为主。1998年，Kurosawa提出的一种直线型超声电机并联方案，该方案利用三个直线超声电机同时驱动一个大圆盘，应用于大型天文望远镜的精密驱动系统中；德国Mracek等人对直线超声电机如何协调一致的运行也做了一些初步的研究，主要利用改变并联直线超声电机的驱动方式，研究直线超声电机在并联条件下的整体 输出新能。
国内对于超声电机的并联研究利用了目前比较成熟的60行波电机，该方案将电机由单定子、单转子改为双定子、双转子并联输出，通过实验得出与相同尺寸的单定子旋转型行波超声电机性能相比，扭矩和空转速度都提高了一倍多。
尽管目前对于超声电机并联有了一定的研究和应用，但均不够系统和深入，特别是目前还没有系统的理论解决多个直线超声电机分体式并联效率不够理想的问题。
发明内容
本发明针对上述问题的不足，提出一种高能量密度、多振子一体式并联旋转超声电机，在纵向尺寸上很薄的情况下，仍可以提供较大的输出力矩的小型一体式并联旋转超声电机。
本实用新型为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种小型一体式并联旋转超声电机，包括定子（1）和作为轴承的动子（2），所述定子由N个复合振子并联组成，其中N≥3，所述复合振子通过柔性支持元件（3）相连接，且复合振子围绕动子（2）沿周向对称放置；所述每个复合振子由两个兰杰文振子成一定角度互相交叉构成；同时该两个兰杰文振子头部联为一体形成复合振子的驱动足(13)，且所述兰杰文振子均在同一个平面上；每个兰杰文振子由弹性体(11)以及压电陶瓷片(12)组成，所述压电陶瓷片的正极朝外，负极指向弹性体(11)的基体表面。
优选的：所述定子采用同频激励的并联激励方式。
优选的：所述各复合振子的同一侧的兰杰文振子为一组，两组陶瓷片分别施加同频率，等电压，π/2相位差的正弦激励信号，同时激发出电机的纵振模态与弯振模态。
优选的：所述柔性支持元件由用于固定定子及施加预压力的柔性铰链(31)和用于固定整个电机的固定端（32）构成；所述柔性铰链（31）设计在弹性体（11）纵振节面处，而所述固定端设置于所述柔性铰链的外侧上，同时所述固定端之间相间有一个复合振子。
优选的：所述N个驱动足在以动子运动方向的平面内形成一个圆，且所述动子的直径大于该圆的直径。
优选的：所述每个复合振子的两个兰杰文振子的交叉角度在0°-180°之间。
本实用新型的一种小型一体式并联旋转超声电机，相比现有技术，具有以下有益效果：由于本实用新型包括定子（1）和作为轴承的动子（2），所述定子由N（N≥3）个复合振子并联组成，所述复合振子通过柔性支持元件（3）相连接，且复合振子围绕动子（2）沿周向对称放置，同时对直线超声电机来说，主要有板结构和杆结构两种形式。板结构直线超 声电机为扁平形式，结构简单，在特定场合能发挥作用。杆结构直线超声电机利用兰杰文振子可以产生大的输出力和高的输出效率。重要的是，兰杰文振子有明确的纵振节点，有利于电机的夹持和预压力加载。因此本实用新型结合这两种直线超声电机的特点，提出利用多个兰杰文振子设计直线超声电机。一方面该电机的主体结构为杆结构的兰杰文振子，另一方面其外观结构为环面形板结构，因而本实用新型具有以下特点：（1）多个复合振子周向并联，横向结构紧凑，空间利用率高；（2）一体式并联结构保证了并联电机具有相近激励频率，提高并联效率,具有更优的输出特性；（3）周向对称排布保证了结构的稳定性及所施加的预压力的均匀性，纵向尺寸与单个复合振子相同。综上所述本实用新型具有结构紧凑，空间利用率高；并联效率优，力矩输出大；性能稳定，纵向尺寸薄的突出优点。
附图说明
图1是小型一体式并联旋转超声电机结构示意图。
图2是单个定子压电陶瓷片的极化以及信号加载示意图.图2（b）是图2（a）的k-k剖视图。
图3是椭圆抛物面形直线超声电机系统工作模态的示意图。其中，图3（a）是定子对称工作模态的示意图，图3（b）定子反对称工作模态的示意图。
图中标号名称：1为定子，2为动子，3为柔性支持元件，11为弹性体，12为陶瓷片，13为驱动足，31为柔性铰链，32为固定端。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本实用新型一个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。
实施例
本实施例的一种小型一体式并联旋转超声电机如图1-3所示，包括定子1和作为轴承的动子2，所述定子由N个复合振子并联组成，其中N≥3，所述复合振子通过柔性支持元件3相连接，且复合振子围绕动子2沿周向对称放置。因此所述N个复合振子对动子的力自然平衡，整个定子可通过线切割方式一体化加工，保证对各复合振子实现夹持且又不干扰其振动模态频率，还可使定子对动子有一定的预压力。所述每个复合振子由两个兰杰文振子成一定角度互相交叉构成，所述每个复合振子的两个兰杰文振子的交叉角度在0°-180°之间；同时该两个兰杰文振子头部联为一体形成复合振子的驱动足13，且所述兰杰文振子均在同一个平面上；每个兰杰文振子由弹性体11以及压电陶瓷片12组成，所述压电陶瓷片的正极朝外，负极指向弹性体11的基体表面。
所述定子采用同频激励的并联激励方式。即所述各复合振子的同一侧的兰杰文振子为一组，也就是说由于所述复合振子由两个兰杰文振子构成，因此可将这两个兰杰文振子沿定子的顺时针方向分为第一兰杰文振子和第二兰杰文振子，所有的第一兰杰文振子构成一组，而剩余的第二兰杰文振子构成一组，两组陶瓷片分别施加同频率，等电压，π/2相位差的正弦激励信号，同时激发出电机的纵振模态与弯振模态。
所述柔性支持元件由用于固定定子及施加预压力的柔性铰链31和用于固定整个电机的固定端32构成；所述柔性铰链31设计在弹性体11纵振节面处，而所述固定端设置于所述柔性铰链的外侧上，同时所述固定端之间相间有一个复合振子；固定端为带有通孔的矩形夹持件，通过螺钉将电机装配在外部装置上。
所述N个驱动足在以动子运动方向的平面内形成一个圆，且所述动子的直径大于该圆的直径，这样就可以通过柔性铰链的微小变形施加预压力。因此此电机并没有专门的施加预压力的装置，结构较为简单。
图2为压电陶瓷片的极化及信号加载示意图。每个复合振子由两个兰杰文振子以一定角度交叉组成，施加相位差π/2的同频正弦信号，利用压电陶瓷片d31效应同时激励两个压电振子来分别激发定子的两个振动模态，这两个振动模态的叠加使得驱动足端面上各质点产生椭圆运动来推动动子作连续旋转运动。当激励信号相反时，即可实现动子的反方向直线运动。N个复合振子采用相同的驱动方式（同频、同相），驱动动子向同一方向运动，提高了输出力和输出功率，并提高了空间利用率。
上述所述小型一体式并联旋转超声电机的工作模态：每个复合振子的两个工作模态如图3所示。复合振子的两个兰杰文振子做同相的纵向振动时，激发复合振子的对称模态；两个兰杰文振子做互为反相的纵向振动时，激发复合振子的反对称模态。采用两个相位差为π/2的正弦信号同时激励复合振子的两个兰杰文振子，激发复合振子两个同频相位差π/2的振动，使复合振子上驱动足质点做椭圆运动。在电机工作时，N个复合振子采用相同的驱动方式（同频、同相），驱动动子向同一方向运动。动子为圆柱形结构，在驱动足处与复合振子相接触。n个驱动足在以动子运动方向的平面内形成一个圆，圆柱形动子的直径大于该圆的直径。由于圆柱形动子的直径大于该圆的直径，所以在定子和动子之间产生预压力。图3a说明复合振子的两个压电振子做同向的纵向伸缩振动，在驱动足处合成为上下运动。图3b说明复合振子的两个压电振子做反向的纵向伸缩振动，在驱动足处合成为左右运动。
上面结合附图所描述的本实用新型优选具体实施例仅用于说明本实用新型的实施方式，而不是作为对前述实用新型目的和所附权利要求内容和范围的限制，凡是依据本实用新 型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本实用新型技术和权利保护范畴。
Claims (6)
1.一种小型一体式并联旋转超声电机，包括定子（1）和作为轴承的动子（2），其特征在于：所述定子由N个复合振子并联组成，其中N≥3，所述复合振子通过柔性支持元件（3）相连接，同时复合振子围绕动子（2）沿周向对称放置；所述每个复合振子由两个兰杰文振子成一定角度互相交叉构成；同时该两个兰杰文振子头部联为一体形成复合振子的驱动足(13)，且所述兰杰文振子均在同一个平面上；每个兰杰文振子由弹性体(11)以及压电陶瓷片(12)组成，所述压电陶瓷片的正极朝外，负极指向弹性体(11)的基体表面。
2.根据权利要求1所述小型一体式并联旋转超声电机，其特征在于：所述定子采用同频激励的并联激励方式。
3.根据权利要求2所述小型一体式并联旋转超声电机，其特征在于：所述各复合振子的同一侧的兰杰文振子为一组，两组陶瓷片分别施加同频率，等电压，π/2相位差的正弦激励信号，同时激发出电机的纵振模态与弯振模态。
4.根据权利要求2所述小型一体式并联旋转超声电机，其特征在于：所述柔性支持元件由用于固定定子及施加预压力的柔性铰链(31)和用于固定整个电机的固定端（32）构成；所述柔性铰链（31）设计在弹性体（11）纵振节面处，而所述固定端设置于所述柔性铰链的外侧上，同时所述固定端之间相间有一个复合振子。
5.根据权利要求4所述小型一体式并联旋转超声电机，其特征在于：所述N个驱动足在以动子运动方向的平面内形成一个圆，且所述动子的直径大于该圆的直径。
6.根据权利要求4所述小型一体式并联旋转超声电机，其特征在于：所述每个复合振子的两个兰杰文振子的交叉角度在0°-180°之间。
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