微型杆式行波型超聲電機的製作方法

2023-06-17 15:26:16

專利名稱：微型杆式行波型超聲電機的製作方法
技術領域：
本發明的微型杆式行波型超聲電機屬微電機領域中的超聲電機。
背景技術：
超聲電機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應和超聲振動的新型微電機。其中杆式行波型超聲電機屬於行波型超聲電機的一種。因為在尺寸較小時超聲電機比傳統電機具有更獨特的優勢，所以微型化是超聲電機發展的趨勢。現有的杆式行波型電機設計體積較大，安裝固定不方便，大大限制了這種電機的應用。

發明內容
本發明的目的就在於研製一種體積更小，更易於加工、裝配和使用，效率更高，應用範圍更廣的微型杆式行波型超聲電機。
為實現上述目的，本微型杆式行波型超聲電機的定子設計採用一端固支另一端自由的邊界條件，採用轉子軸直接輸出動力。具體組成是定子包括與外殼下端膠粘相連的底座，上配重塊與底座通過底座實心軸螺紋相連接，中間夾裝有電極片組的壓電陶瓷組置於內端面與上配重塊下端面之間的外殼內；轉子下端面與上配重塊上端面接觸，碟形彈簧置於轉子上端面上，轉子軸通過軸承與置於外殼上端面的壓塊相連並定位。
本發明與現有技術相比，結構更加緊湊，加工和裝配都易於實現較高的精度，同時更便於安裝和應用，特別適合於微型、精密機械的驅動裝置。


圖1是微型杆式行波超聲電機的結構示意圖。
圖1中的標號名稱1、底座，2、電極片組，3、壓電陶瓷片組，4、上配重塊，5、外殼，6、轉子，7、蝶形彈簧，8、軸承，9、壓塊。
圖2是電機定子有限元模型及工作模態示意圖。
具體實施例方式本發明是基於利用壓電陶瓷片的壓電效應激出一端固支和一端自由的彈性梁的二階彎曲振動模態而研製成的新型超聲電機。它主要由定子、轉子、殼體等三部分組成。圖1是本發明的具體結構示意圖，由圖可知，電機的定子由底座1和上配重塊4將壓電陶瓷組3(共5片)/電極片組2(共6片)，通過底座軸上的螺杆壓緊形成彈性梁。底座與外殼膠接，形成振子一端固支另一端自由的邊界條件。這樣電機安裝更加方便、可靠，不會對因為安裝位置而影響電機的工作模態。上配重塊4成帶外圓環凹槽。凹槽尺寸和位置經有限元優化設計計算確定，以獲得最佳共振頻率及最大的定子端面振幅。上端部設有喇叭口，目的是加大振幅和減小電機本身重量。壓塊9與外殼5是滑動配合，對轉子6進行定位，保證轉子6與上配重塊4的接觸位置，同時壓緊蝶形彈簧7，提供定、轉子之間的預壓力。蝶形彈簧7具有非線性的特點，在給定、轉子間提供恆定的預壓力的同時也縮小了電機的空間尺寸。壓塊9上有四個螺紋孔，用於安裝固定電機。壓塊9與轉子軸之間是滾動軸承8，起到對轉子的徑向支撐和定位作用。轉子6與上配重4端面的接觸部分採用內凹槽的柔性轉子，其良好的彈性可以減小徑向滑移，提高摩擦傳動的效率。當電機預壓力調節合適時，將壓塊9和外殼5膠粘為一體。這種結構保證了在電機尺寸較小時良好的裝配精度。同時由於定子部分位於外殼5內部，這樣電機工作更加安全和穩定。
每片壓電陶瓷片表面鍍銀，下面不分區，上面二分區，其中一分區進行正向極化，另一分區反向極化。極化後的壓電陶瓷片受電場作用會產生變形。極化方向與電場方向相同的分區產生伸長變形，極化方向與電場方向相反的分區產生壓縮變形。於是，一片壓電陶瓷片在交變電場作用下，就可使定子產生橫向彎曲振動。附圖2(a)是電機定子部分的有限元模型。取4片壓電陶瓷片，分成二組，分別稱為A相和B相。當A相通以sinωt(其頻率等於定子二階彎曲振動模態頻率)交變電壓時，定子將產生左右彎曲共振，如附圖2(b)的A相工作模態所示；當B相通以和A相同頻、同幅的cosωt交變電壓時，定子產生前後彎曲共振，如附圖2(c)的B相工作模態所示。如果將這兩個電壓同時分別加到A相和B相，那麼，這兩個相互垂直的彎曲振動的合成，定子就呈現二階旋轉彎曲模態，定子上端面形成B01行波，從而使定子上端面上任一質點產生橢圓運動。正是這個橢圓運動，加上定、轉子間的預壓力，使定、轉子間產生摩擦力，推動轉子沿定子端面行波方向相反的方向轉動。附圖1中第五片壓電陶瓷片作為反饋相，它是利用壓電陶瓷片的正壓電效應，產生交變電壓，用以作為反饋電壓對電機進行自動頻率跟蹤，從而保證電機的轉速穩定。
本發明的轉子採用新型帶內凹槽柔性轉子，更易於加工，如附圖1中件6所示。經過優化設計的轉子尺寸，保證了定、轉子良好的接觸，大大減少了定、轉子之間的相對滑動，從而減少了能量損失，提高了電機的效率。
權利要求
1.一種微型杆式行波超聲電機，包括定子、轉子和外殼，其特徵在於，所述定子包括與外殼(5)下端相連的底座(1)，上配重塊(4)與底座(1)通過底座(1)實心軸螺紋連接，中間夾有電極片組(2)的壓電陶瓷組(3)置於底座(1)內端面與上配重塊(4)下端面之間的外殼(5)內；所述轉子(6)下端面與上配重塊(4)上端面接觸，碟形彈簧(7)置於轉子(6)上端面上，轉子軸通過軸承(8)與置於外殼(5)上端面的壓塊(9)相連並定位。
2.根據權利要求1所述的微型杆式行波超聲電機，其特徵在於，轉子(6)為內凹槽柔性轉子。
3.根據專利要求1、2所述的微型杆式行波超聲電機，其特徵在於，上配重塊(4)有一外圓環凹槽，端部呈喇叭口。
全文摘要
一種微型杆式行波型超聲電機，屬於微電機領域。其組成是定子部分由底座(1)和上配重塊(4)將壓電陶瓷組(3)和電極片組(2)通過底座(1)的螺杆旋緊而構成；轉子部分由轉子(6)、軸承(8)、蝶形彈簧(7)等構成；殼體部分由壓塊(9)和外殼(5)構成。通過壓塊(9)壓緊蝶形彈簧(7)來施加電機定、轉子的預壓力。當電機通入超聲頻域內一定的交流電壓時，定子部分上配重塊(4)的上端表面質點形成橢圓運動。由於定、轉子之間存在預壓力，定、轉子間即可產生摩擦力，這種摩擦力將推動轉子轉動。動力由轉子軸輸出。該超聲電機具有行波型超聲電機的優點外，還具有結構簡單、成本低、效率高、不涉及陶瓷片的膠粘問題、易於加工和裝配等優點。
文檔編號H02N2/10GK1606227SQ20041006570
公開日2005年4月13日 申請日期2004年11月12日 優先權日2004年11月12日
發明者趙淳生, 朱華 申請人:南京航空航天大學