雙轉子柱體行波型單相驅動超聲電機的製作方法
2023-05-23 21:23:06 1
專利名稱：雙轉子柱體行波型單相驅動超聲電機的製作方法
技術領域：
本發明的雙轉子柱體行波型單相驅動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。其中柱體行波型超聲電機屬於行波型超聲電機的一種。現有技術的杆式行波型電機大多採用一端驅動的蘭傑文振子結構，涉及到壓電陶瓷片的預緊力問題，所以結構複雜。同時由於電機需要兩相激勵信號，驅動電路較為複雜，給小型化帶來很大的困難，從而一定程度上限制了行波型電機的微型化和產業化。
發明內容
本發明的目的在於研製一種可以單相驅動、結構更為簡單、扭矩/體積大、效率高、穩定性好、易於加工、應用範圍更廣的行波型超聲電機。
為實現上述目的，本雙轉子柱體行波型單相驅動超聲電機採用了金屬柱體為定子和雙轉子驅動方式。主要由定子、轉子和預壓力調節機構等三個部分組成，其特點是定子的組成是將四片壓電陶瓷片相互垂直的粘結在空心金屬柱體的四個扁平表面上，金屬柱體的扁平面處於柱體一階彎曲振動的波腹處；輸出軸的一端為半球面轉子，輸出軸另一端裝有另一個半球面轉子，兩個半球面轉子分別與金屬柱體兩端的內錐面接觸，既起到轉子的作用，同時又可以對輸出軸實現徑向支撐和定位，輸出軸的輸出端設有螺紋，用於調節置於半球面轉子平面上的蝶形彈簧；通過扁形孔將扭矩傳遞給輸出軸；裝在輸出軸輸出端上的壓緊螺母調節蝶形彈簧將半球面轉子壓於定子端面。金屬柱體的兩端內孔均為錐面，錐面角度根據金屬柱體的形狀尺寸計算得到，與其所接觸的轉子呈球面。電機採用中空結構和雙轉子結構，金屬柱體的兩端同時起到驅動轉子轉動的作用。
本發明與現有技術相比，具有結構更為簡單、體積小、散熱快、效率高、速度穩定性好等特點，更易於加工，應用範圍更廣，同時可以實現單相驅動，從而大大降低了驅動電源的複雜性，特別適合於微型、精密機械的驅動裝置。
圖1是雙轉子柱體行波型單相驅動超聲電機結構示意圖。
圖1中的標號名稱1、轉子，2、壓電陶瓷片，3、金屬柱體，4、轉子，5、蝶形彈簧，6、螺母，7、輸出軸。
圖2是彎曲振動的激勵原理圖和壓電陶瓷片極化及布局示意圖。
圖3是電機定子有限元模型及工作示意圖。
具體實施例方式本發明是基於利用壓電陶瓷片壓電效應激出金屬柱體的一階彎曲振動而研製成的新型超聲電機。它主要由定子、轉子和預壓力調節部分組成。圖1是本發明的具體結構示意圖，由圖可知，電機的定子是將四片壓電陶瓷片2相互垂直的粘結於金屬柱體3的表面而構成的，壓電陶瓷片2的粘結位置位於金屬柱體3的一階彎曲振型的波腹處，在這一位置激振可以有效的提高壓電陶瓷片的工作效率。利用中空結構的金屬體導熱快的特點解決壓電陶瓷片的散熱問題，保證電機長時間工作時性能的穩定。金屬柱體的兩端面設計成錐形孔，目的是為了將定子端面質點的橢圓運動的平面與轉子的球面相垂直，從而減小徑向滑移，提高摩擦傳動的效率。輸出軸7的一端為半球面轉子，一方面可以起到轉子的作用，同時轉子1球面與定子內錐面的接觸又可以起到徑向支撐和定位的作用，從而省去使用軸承，使得結構進一步得以簡化。輸出軸7另一端裝有另一個半球面轉子4。為了將轉子的扭矩傳遞給輸出軸7，在半球面轉子4上設計了一個扁形孔(如附圖1截面所示)，從而降低小零件加工的難度。採用具有非線性特性的蝶形彈簧5來調節定、轉子之間的預壓力、以保證恆定的預壓力。雙轉子驅動的結構使得電機的輸出性能和效率得以進一步提高。
每片壓電陶瓷片表面鍍銀，不分區。極化後的壓電陶瓷片在厚度方向受到正電場作用，由於壓電效應，在其長度方向(即金屬柱體的母線方向)產生伸長變形。反之，受到與極化方向相反的電場作用時就會產生收縮變形。陶瓷片伸長和收縮變形產生的剪切力可以使金屬柱體產生橫向彎曲，如附圖2(a)。取4片壓電陶瓷片，分成二組，分別稱為A相和B相，如附圖2(b)。定子的有限元模型如附圖3(a)所示。當A相單獨以某一頻率激振時，可以分別激起x和y方向的彎振，這兩個相互垂直的彎振的合成，定子就呈現一階旋轉彎曲模態，定子兩個端面形成B01行波，從而使定子兩個端面上的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，推動轉子轉動。同樣的原理，當B相單獨激振時，可以在定子兩個端面形成方向相反的B01行波，從而推動轉子沿著相反的方向轉動。單相驅動下電機的工作原理如附圖3(b)所示。
權利要求
1.一種雙轉子柱體行波型單相驅動超聲電機，包括定子、轉子、預壓力調節機構，其特徵在於，所述定子由壓電陶瓷片(2)相互垂直的粘結在空心金屬柱體(3)的外扁平面表面上，扁平面處於金屬柱體一階彎曲振動的波腹處；所述轉子為雙轉子結構，其中半球面轉子(1)與輸出軸(7)成一整體，置於金屬柱體(3)下端的內錐面內，半球面轉子(4)套入輸出軸(7)另一端，置於金屬柱體(3)上端的內錐面內；所述預壓力調節機構的碟形彈簧(5)置於半球面轉子(4)與套裝在輸出軸(7)的螺母(6)之間。
全文摘要
一種雙轉子柱體行波型單相驅動超聲電機，屬於微電機領域。主要由金屬柱體(3)、壓電陶瓷片(2)、轉子(1)和(4)、輸出軸(7)、蝶形彈簧(5)和壓緊螺母(6)構成，將壓電陶瓷片(2)相互垂直的粘結在金屬柱體(3)中部的扁平表面上。輸出軸(7)的一端為半球面轉子(1)結構，直接壓於金屬柱體(3)的一端內錐面上，同時通過蝶形彈簧(5)將另一半球面轉子(4)壓於金屬柱體(3)另一端的內錐面上。定、轉子之間的預壓力通過調節壓緊螺母(6)改變碟形彈簧(5)的變形來獲得。當通入交流電壓時，金屬柱體(3)兩端面上的質點做橢圓運動，定、轉子間即可產生摩擦力，推動轉子轉動，通過軸(7)輸出。該電機具有行波型超聲電機的優點外，還具有單相驅動、結構簡單、成本低、散熱快、穩定性好、效率高、易於微型化等特點。
文檔編號H02N2/10GK1610238SQ200410065700
公開日2005年4月27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