一種杆狀彎曲行波型超聲電機的製作方法

2023-06-23 16:38:42

本發明涉及一種超聲電機，尤其涉及一種杆狀彎曲行波型超聲電機。

背景技術：

超聲電機(Ultrasonic Motor或簡稱為USM)是一種利用壓電材料的逆壓電效應，激發出彈性體(定子)在超聲頻域(大於20KHz)範圍的微觀振動，利用彈性體諧振放大，並通過定、轉子之間的摩擦作用轉換成轉子的旋轉或直線運動的新型電機。

與傳統的電磁型電機相比，超聲電機結構簡單、設計靈活，沒有線圈和磁極，響應速度快、控制精度高、單位體積能量密度大、扭矩密度大、耐高低溫/真空、良好的電磁兼容性等特點。超聲電機涉及到多學科、多領域的交叉，目前在工業控制系統、智慧機器人、汽車專用電氣設備、儀器儀表、核電、醫療設備、航空航天等領域有著十分廣闊的應用前景，近年來備受國內外科學界和工業界的重視，是當前微驅動控制領域的一個研究熱點。因此，研究和設計超聲電機，具有重要的科學意義。

然而目前的超聲電機裝配比較難，因為壓電陶瓷需要黏結，還得等膠幹透才能進行下一個工藝流程，因而組裝工藝變得複雜。

技術實現要素：

針對上述技術缺陷，本發明提供一種杆狀彎曲行波型超聲電機，其整體結構設計簡潔、裝配簡單，壓電陶瓷不需粘接，減少了組裝工藝的複雜性，裝配工藝容易實現自動化，本發明的杆狀彎曲行波型超聲電機特別適宜對電機的重量、體積、性能等方面有特殊要求的應用場合。

本發明的解決方案是：一種杆狀彎曲行波型超聲電機，其包括轉子、定子、輸出軸、若干壓電陶瓷片、若干電極片；該定子包括基座、定位軸、上配重塊、中間配重塊、下配重塊；定位軸一端的端面上固定基座，自遠離基座的方向下配重塊、電極片一、壓電陶瓷片一、電極片二、壓電陶瓷片二、電極片三、中間配重塊、電極片四、壓電陶瓷片三、電極片五、壓電陶瓷片四、電極片六、上配重塊依次套在且定位在定位軸的另一端上；轉子呈套筒狀，且一端開口而另一端封閉，輸出軸安裝在轉子的封閉端，轉子自該定子具有基座的一側套在該定子上，且轉子的內壁與中間配重塊直接接觸；

其中，電極片一、壓電陶瓷片一、電極片二、壓電陶瓷片二、電極片三為一組組件，電極片四、壓電陶瓷片三、電極片五、壓電陶瓷片四、電極片六為另一組組件，以組為單位對這兩組組件的壓電陶瓷片進行分別極化，且為相互反相極化：向兩組組件的電極片分別通入兩相相位相差90度的交變電壓，使這兩組組件的壓電陶瓷片激發出所需要的振動模態。

作為上述方案的進一步改進，轉子的側壁上均勻開始有與轉子的軸線平行的若干間隙；該杆狀彎曲行波型超聲電機還包括預緊裝置，預緊裝置固定在轉子的外側壁上，通過調節間隙的寬度來調節轉子和該定子之間的預緊力。

進一步地，預緊裝置為卡箍，通過若干緊固件調節該卡箍的直徑大小，該卡箍套在轉子的側壁上。

再進一步地，該緊固件為螺釘。

作為上述方案的進一步改進，上配重塊通過螺合的方式固定在定位軸上，以便與基座一起夾持定位下配重塊、電極片一、壓電陶瓷片一、電極片二、壓電陶瓷片二、電極片三、中間配重塊、電極片四、壓電陶瓷片三、電極片五、壓電陶瓷片四、電極片六。

作為上述方案的進一步改進，該杆狀彎曲行波型超聲電機還包括底座，定位軸一端的端面上固定基座，定位軸另一端依次套下配重塊、電極片一、壓電陶瓷片一、電極片二、壓電陶瓷片二、電極片三、中間配重塊、電極片四、壓電陶瓷片三、電極片五、壓電陶瓷片四、電極片六、上配重塊之後固定在底座上。

作為上述方案的進一步改進，所有壓電陶瓷片均呈環狀。

作為上述方案的進一步改進，每組組件通過接電線與電源相連。

作為上述方案的進一步改進，轉子的封閉端開設有安裝孔，輸出軸安裝固定在所述安裝孔上。

作為上述方案的進一步改進，基座面向輸出軸的一側上開設收容槽，輸出軸的一端通過一個深溝球軸承安裝在收容槽內，輸出軸的另一端穿過轉子的封閉端通過螺母安裝在轉子上。

與已有技術相比，本發明有益效果體現在：電機的定子由壓電陶瓷片的逆壓電效應產生超聲波振動，轉子和定子之間主要通過摩擦力傳遞運動，同時通過加一定的預緊力並在圓筒外加一個可通過螺釘調節直徑大小的卡箍，構成預緊裝置，通過調節螺釘，可控制預緊力的大小，調節輸出扭矩及速度。而且，本發明的電機結構能夠有效的消除傳統杆狀超聲電機的徑向線性滑動所帶來的效率低下問題，增大了定子中點與端點的振幅，提高了中點驅動模式電機的輸出性能。

附圖說明

圖1為本發明杆狀彎曲行波型超聲電機的立體結構示意圖。

圖2為圖1中轉子的結構示意圖。

圖3為圖2中轉子未剖視前的右視圖。

圖4為圖1中預緊裝置為剖視前的結構示意圖。

圖5為圖4中預緊裝置的局部剖視圖。

圖6為定子外圓面驅動轉子橢圓運動的特點示意圖。

圖7為利用ANSYS軟體的仿真定子振型圖。

圖8為圖1中所有壓電陶瓷加載電壓的極化布局示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

請一併參閱圖1至圖5，本發明的超聲電機設計為一種杆狀彎曲行波型超聲電機。超聲電機包括轉子9、定子、若干壓電陶瓷片、若干電極片、輸出軸1、預緊裝置10、底座14。

該定子包括基座15、定位軸4、上配重塊12、中間配重塊7、下配重塊8。定位軸4一端的端面上固定基座15，自遠離基座15的方向下配重塊8、電極片一23、壓電陶瓷片一5、電極片二24、壓電陶瓷片二16、電極片三25、中間配重塊7、電極片四26、壓電陶瓷片三17、電極片五18、壓電陶瓷片四19、電極片六27、上配重塊12依次套在且定位在定位軸4的另一端上。

其中，上配重塊12可通過螺合的方式固定在定位軸4上，以便與基座15一起夾持定位下配重塊8、電極片一23、壓電陶瓷片一5、電極片二24、壓電陶瓷片二16、電極片三25、中間配重塊7、電極片四26、壓電陶瓷片三17、電極片五18、壓電陶瓷片四19、電極片六27。

底座14可以設置，也可以不設置，如果不設置，就需要藉助外部設備進行安裝，以便間接得到其相同功能作用的底座。定位軸4一端的端面上固定基座15，定位軸4另一端依次套下配重塊8、電極片一23、壓電陶瓷片一5、電極片二24、壓電陶瓷片二16、電極片三25、中間配重塊7、電極片四26、壓電陶瓷片三17、電極片五18、壓電陶瓷片四19、電極片六27、上配重塊12之後固定在底座14上。

轉子9呈套筒狀，且一端開口而另一端封閉，輸出軸1安裝在轉子9的封閉端，轉子9自該定子具有基座15的一側套在該定子上，且轉子9的內壁與中間配重塊7直接接觸。

轉子9的封閉端可開設有安裝孔21，輸出軸1可通過螺母2安裝固定在所述安裝孔21上。基座15面向輸出軸1的一側上可開設收容槽22，輸出軸1的一端通過一個深溝球軸承3安裝在收容槽22內，輸出軸1的另一端穿過轉子9的封閉端通過螺母2安裝在轉子9上。

電極片一23、壓電陶瓷片一5、電極片二24、壓電陶瓷片二16、電極片三25為一組組件，電極片四26、壓電陶瓷片三17、電極片五18、壓電陶瓷片四19、電極片六27為另一組組件，以組為單位對這兩組組件的壓電陶瓷片進行分別極化，且為相互反相極化：向兩組組件的電極片分別通入兩相相位相差90度的交變電壓，使這兩組組件的壓電陶瓷片激發出所需要的振動模態。所有壓電陶瓷片均可呈環狀，每組組件可通過接電線11與電源相連。兩組組件可以分別定義A相與B相。

請結合參閱圖2及圖3為了調節轉子9和定子之間的預緊力，轉子9的側壁上均勻開始有與轉子9的軸線平行的若干間隙20。請結合參閱圖4及圖5優選設置預緊裝置10，預緊裝置10固定在轉子9的外側壁上，通過調節間隙20的寬度來調節轉子9和該定子之間的預緊力。預緊裝置10可為卡箍，通過若干緊固件(如螺釘6)調節該卡箍的直徑大小，該卡箍套在轉子9的側壁上。

本發明的杆狀彎曲型超聲電機，利用的是壓電陶瓷的逆壓電效應，激發轉子9的微幅振動，通過定子與轉子9之間的靜摩擦力，轉換為轉子9的旋轉運動，其中壓電陶瓷片、定子、轉子9和預緊裝置10，都是超聲電機的關鍵部件。下配重塊8、電極片一23、壓電陶瓷片一5、電極片二24、壓電陶瓷片二16、電極片三25、中間配重塊7、電極片四26、壓電陶瓷片三17、電極片五18、壓電陶瓷片四19、電極片六27、上配重塊12，這些零件中間打有圓孔套在軸定位軸4上，通過上配重塊12與定位軸4的螺紋聯接，將各個零件壓緊固定在定位軸4上。定位軸4的一端通過深溝球軸承3，連接輸出軸1，通過套筒式轉子9和螺母2固定，通過計算定位軸4的另一端伸出的長度，不會影響電機在工作時的共振模態，使整個電機通過螺母2固定，由於採用定子外圓面中點驅動，因此將轉子9設計成一個壁厚為1mm的套筒類零件，採用LF3材料衝壓製成。

轉子9內壁與定子直接接觸，通過預緊裝置10，調節轉子9與定子之間的預緊力，因此在轉子9的圓筒壁上開四道槽即間隙20，有利於預緊裝置10通過調節螺釘6控制卡箍內徑，易於調節轉子9與定子之間預緊力。為了便於控制所加預緊力的大小，可在螺釘6上設置彈簧28，可以通過測量彈簧28長度的變化，根據虎克定律計算。

本發明的杆狀彎曲型超聲電機，當兩個在空間上相差90°且在時間相差90°相位的兩個一階彎曲振動同時激發時，定子上除節點外任一質點都沿橢圓軌跡運動。從理論上說，振子的任一表面都可作為驅動面，根據運動的合成與分解原理，將質點的空間橢圓運動，分解為有效橢圓運動和線性滑動。空間橢圓運動在垂直於驅動面的平面上的投影仍是橢圓，定義這個分運動為有效橢圓運動，而在另一坐標軸上的分運動為一往返的直線運動，稱之為線性滑動，有效橢圓運動決定電機的輸出性能，當有效橢圓運動的振幅越大，電機的速度越快，電機的效率就越高，相反線性滑動的幅度越大，電機的能量損耗就越大，電機的效率就越低。因此，線性滑動幅度與有效橢圓運動振幅，是衡量杆狀彎曲型超聲電機設計性能的重要參數，繪製外圓面沿軸向各點處有效橢圓運動與線性滑動幅度分布圖，如圖6所示。從圖中可知：在外圓面驅動方式下，兩端有效橢圓運動振幅最大，中點有效橢圓振幅小於兩端有效橢圓運動振幅，但是中點無線性滑動，而兩端線性滑動幅度也最大，得到中點線性滑動為0的結論。

利用ANSYS軟體對圓柱體定子進行有限元諧響應分析，壓電陶瓷選PZT-8材料常數，加電壓VP-P為100V。沿定子Z軸方向在圓柱表面分別取若干個點，計算這些點在X，Y，Z三個方向的振幅，繪出軸向振幅曲線，如圖7所示。定子兩端的質點在X，Y方向的振幅最大，同時Z方向的振幅也最大即線性滑動最大，而定子中點在X，Y方向的振幅雖小於兩端，但Z軸方向的振幅接近於0，即線性滑動為0。以上分析有效的驗證了中點無線性滑動的理論分析結果。

如果採用外圓端面為驅動面，雖然有效橢圓運動的振幅較大，但是線性滑動也最大，電機的能量損耗也較大，電機的效率較低。而採用外面中點為驅動面，雖然有效橢圓運動的振幅略小於兩端振幅，但是中點沒有線性滑動，從根本上避免定子和轉子間的滑動，提高了電機的效率。

因此，採用外圓面中點驅動，是比較理想的驅動方式，能夠提高電機效率，進而提高電機的性能。

壓電陶瓷片的極化布局如圖8所示。當在A相壓電陶瓷片上施加交變電壓(sin)時，激發出左右方向的一階彎曲振動；當在B相壓電陶瓷片上施加相位相差90°的交變電壓(cos)時，激發出前後方向的一階彎曲振動。兩相電壓同時施加時，兩個在時間和空間上相差90°的彎曲振動模態合成為一個繞定子軸線旋轉的彎曲旋轉行波，定子表面質點沿橢圓軌跡運動，並藉助摩擦力驅動轉子9轉動。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。