CN102055373B - 多转子圆筒形大力矩超声波电机 - Google Patents

Abstract

一种超声波应用技术领域的多转子圆筒形大力矩超声波电机，包括：压电陶瓷元件、定子、转子和定位机构，一个或多个转子依次垂直设置于定位机构上并与定子相接触，定位机构、转子和定子均为同轴设置，压电陶瓷元件设置于定子的外部且转子设置于定子的内部或压电陶瓷元件设置于定子的内部且转子设置于定子的外部。本发明利用细长的筒形定子可以粘贴较多的压电陶瓷的优点增加了定子振动的能量密度，提高了电机的输出力矩；同时利用定子上面内行波传播的角速度一致的特点，使得定子驱动多转子同步旋转，得到统一的输出速度，有利于电机稳定工作；细长结构也有利于在狭长空间里应用。

Description

多转子圆筒形大力矩超声波电机

技术领域

本发明涉及的是一种超声波应用技术领域的装置，具体是一种面内振动的多转子圆筒形大力矩超声波电机。

背景技术

超声波电机是利用压电材料的逆压电效应，把电能转化为超声波电机的定子的振动能，再通过摩擦作用把振动能转化为运动部件的旋转或者直线运动。它一般主要由定子、转子(动子)及预压力机构等组成。与传统电磁电机相比，超声波电机具有许多特点和优点，比如：

1、结构紧凑，能量密度(转矩/质量)大，易于微型化。

2、低速大力矩，无需齿轮减速机构，可以实现直接驱动。

3、电机响应速度快，并且能实现断电自锁。

4、位置和速度控制性好，位移分辨率高。

5、超声波电机是通过振动摩擦进行能量转换的，在转换过程中不产生磁场，亦不受外界磁场干扰，抗电磁干扰能力强。

6、安静无噪声。超声波电机工作在超声频段，由于不需要齿轮等减速机构，所以可以安静无噪声的运行。

7、设计灵活，结构形式多样化。

行波型超声波电机是一种常见的超声波电机，因为其紧凑的薄片形结构，工作稳定，功率较大而获得广泛应用。行波型超声波电机的工作原理如图1所示，其主要由输出轴、转子、端盖、定子、底座、压电片组成。压电片在定子上激励出沿周向传播的行波振动，定子、转子之间通过摩擦作用把定子基体的振动能量转化为转子的旋转运动。

为了获得更大的输出力矩，人们尝试采用改进行波型超声波电机的结构，提出了单定子双转子结构，结构示意图如图2所示，其主要由转子、压电陶瓷元件、摩擦材料、定子组成。由压电陶瓷在定子上激励出行波，利用定子正反两个驱动表面来驱动转子运转。由于定子两面的振动特性一致性好，所以单定子双转子结构行波型超声波电机的稳定性很好，力矩也得到显著提高。

为了进一步提高输出力矩，又出现了一种双定子单转子的尝试，其结构示意图如图3所示。其主要由定子、转子、压电陶瓷元件、摩擦材料组成。上下两个定子同时压紧转子，通过对上下定子同时激励使上下两个定子同时产生形变，两个定子共同作用于转子。但是，由于两个定子的工作频率、转速、振幅等均不一致，因此损耗严重，振动效率低，模态干扰严重，工程上很难实现。多个电机串联的方法同样存在上述问题无法克服，其不同的定子要分别激励，定子的激励变得困难，且很难保证同步，因此输出力矩也不是线性叠加，反而不稳定，甚至比单电机更小。

微型化也是超声波电机的一个发展趋势。如何获得稳定的更大力矩，特别是在有些空间狭小，不适合盘形行波电机安装的场合，如何获得大力矩就成为一个难题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种多转子圆筒形大力矩超声波电机，利用细长的筒形定子可以粘贴较多的压电陶瓷的优点增加了定子振动的能量密度，因而大大提高了电机的输出力矩；同时利用定子上面内行波传播的角速度一致的特点，使得定子驱动多转子同步旋转，得到统一的输出速度，有利于电机稳定工作；细长结构也有利于在狭长空间里应用。本发明提出的新型大力矩电机，将有利于拓展超声波电机的应用领域。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：压电陶瓷元件、定子、转子和定位机构，其中：一个或多个转子依次垂直设置于定位机构上并与定子相接触，定位机构、转子和定子均为同轴设置，压电陶瓷元件设置于定子的外部且转子设置于定子的内部或压电陶瓷元件设置于定子的内部且转子设置于定子的外部。

所有转子均以相同角速度同步转动；

所述的定子的内壁或外壁为中心对称结构，其截面为圆形或多边形，定子上设有若干个对应转子的驱动表面以驱动多个同轴的转子同步旋转。

所述的转子为圆盘状结构或圆环状结构，其中：

所述的圆盘状结构的转子之间设有弹性机构，转子与所述驱动表面的形状相匹配且弹性机构和驱动表面分别位于任一转子的两侧。

所述的弹性机构为压簧；

所述的圆环状结构的转子为开放式圆环，该开放式圆环的两端设有拉簧以实现转子卡紧于定子上。

所述的定位机构为定位轴或定位盖，当转子设置于定子的内部时，定位机构位于定子的内部且转子固定设置于定位机构上；当转子设置于定子的外部时，定位机构位于定子的两端且与转子相接触。

当定子的内壁的截面为圆形时，则压电陶瓷元件以定子轴向方式设置于定子的外壁；当定子的外壁的截面为圆形时，则压电陶瓷元件以定子轴向方式设置于定子的内壁。

压电陶瓷以定子轴向方式设置在定子上，能在定子上激励出如图5所示的振型，即定子上质点振动是二维振动，没有沿轴向的振动，即所述的定子上质点的振动轨迹总在其所在的垂直于轴线的平面内。

本发明的特点及效果：本发明增加了定子振动的能量密度，提高了电机的输出力矩；定子驱动多转子同步旋转，电机工作稳定；细长结构也有利于在狭长空间里应用。本发明提出的新型大力矩电机，将有利于拓展超声波电机的应用领域，在生物、医疗、微机械、国防科技等方面有着广阔的应用前景。

附图说明

图1普通行波型超声波电机结构原理图

其中：11为输出轴、12为转子、13为端盖、14为定子、15为底座、16为压电片。

图2单定子双转子行波型超声波电机结构原理图

其中：21为转子、22为压电陶瓷元件、23为摩擦材料、24为定子。

图3双定子单转子行波型超声波电机结构原理图

其中：31为定子、32为转子、33为陶瓷元件、34为摩擦材料。

图4为本发明结构示意图。

其中：41为压电陶瓷元件、42为定子、43为转子、44为定位机构、45为弹性机构、46为输出轴和47为定子驱动表面。

图5为实施例1面内振动模态振型示意图；

其中：n＝2表示第二阶面内振动模态，n＝3表示第3阶面内振动模态，n＝4表示第4阶面内振动模态。

图6多转子大力矩圆筒形超声波电机实施例1、2压电陶瓷的粘接方式示意图。

其中：61、62、63、64、65、66、67、68为压电陶瓷元件，69为定子弹性体，610为定子内部的梯形凸台。

图7为实施例2结构示意图。

其中：71为压电陶瓷元件、72为凹槽定子、73为转子、74为板簧、75为压紧弹簧、76为转轴。

图8多转子大力矩圆筒形超声波电机实施例3结构示意图。

其中：81为固定端、82为转子、83为定子上凸台、84为定子、85为压电陶瓷组件。

图9多转子大力矩圆筒形超声波电机实施例3压电陶瓷的粘接方式示意图。

其中：91、92、93、94、95、96、97、98压电陶瓷，99为转子，910为定子基体。

图10多转子大力矩圆筒形超声波电机实施例3转子结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图4所示，本实施例包括：压电陶瓷元件41、定子42、转子43和定位机构44。其中：一个或多个转子43依次垂直设置于定位机构44上并与定子42相接触，定位机构44、转子43和定子42均为同轴设置，压电陶瓷元件41设置于定子42的外部且转子43设置于定子42的内部。

所述的定子42的内壁为圆形，定子42的外壁为多边形，定子42上设有若干个对应转子43的驱动表面47以驱动多个同轴的转子43同步旋转。

所述的压电陶瓷元件41为长条形板状结构，沿厚度方向极化，压电陶瓷元件41以定子42轴向方式设置于定子42的外壁；

所述的定位机构44为定位轴，定位机构44位于定子42的内部且转子43通过键和弹性机构固定设置于定位轴上。

所述的转子43为圆盘状结构，其中：

所述的圆盘状结构的转子43之间设有弹性机构45，转子43与所述驱动表面47的形状相匹配且弹性机构45和驱动表面47分别位于任一转子43的两侧。

所述的弹性机构45为压簧；

如图5所示，为定子的第2、3、4阶面内振动模态振型示意图。n＝2表示为第2阶面内振动模态的振型。当在定子的压电陶瓷元件上施加两相同频率但是相位差为90度的驱动信号时，会在定子上同时激发出时间和空间上都相差90度的两个驻波，两个驻波合成一个沿着周向旋转的行波，从而使得定子上驱动表面上的质点的运动轨迹均为椭圆。正是质点的椭圆运动使得定子驱动与其相接触的转子旋转。由于定子上沿着周向旋转的行波的旋转角速度相同，因而即使多个转子的半径不同，定子对这些转子驱动的角速度仍然相同，这就使得多转子的输出力矩得以有效叠加。

为了在定子上得到某一阶的行波振动，需要设计陶瓷的粘贴和激励方法。如图6所示，为第2阶面内振动行波的激励方法。8片压电陶瓷片粘贴在定子外棱柱面上。粘贴时，若压电陶瓷片61、63、65、67的极化方向与粘贴平面的法方向相同，压电陶瓷片62、64、66、68的极化方向与粘贴平面的法方向相反时，则61、63、65、67加sinωt激励信号，而62、64、66、68加Acosωt激励信号，如果全部压电片同一方向粘贴，压电陶瓷片61、62、63、64、65、66、67、68依次加激励信号Asinωt，Acosωt，-Asinωt，-Acosωt，Asinωt，Acosωt，-Asinωt，-Acosωt。

采用第2阶面内振动行波时，上述定子上压电陶瓷组件粘贴侧面可以为6个侧面或其他数值，只是对应不同的激励方式。当采用6个侧面时，若压电陶瓷极化方向与粘贴面法方向相同的方式粘贴，6个压电陶瓷片应依次加激励信号Asinωt，Asin(ωt+2π/3)，Asin(ωt+4π/3)，Asinωt，Asin(ωt+2π/3)，Asin(ωt+4π/3)，此时，将在定子上激励出2阶面内行波。若其中有压电陶瓷按极化方向与粘贴表面法方向的关系，以与原来相反的方式粘贴时，其对应的激励信号也变为相反的信号。

采用第3阶面内振动行波时，上述定子上压电陶瓷组件粘贴侧面可以为9个侧面或12个侧面或其他数值，对应不同的激励方式。当采用9个侧面时，若压电陶瓷按极化方向与粘贴表面法方向相同的方式粘贴，9个压电陶瓷片依次加信号Asinωt，Asin(ωt+2π/3)，Asin(ωt+4π/3)，Asinωt，Asin(ωt+2π/3)，Asin(ωt+4π/3)，Asinωt，Asin(ωt+2π/3)，Asin(ωt+4π/3)，此时，将在定子上激励出3阶面内行波。当采用12侧面时，若压电陶瓷按极化方向与粘贴表面法方向相同的方式粘贴，12个压电陶瓷片依次加信号Asinωt，Acosωt，-Asinωt，-Acosωt，Asinωt，Acosωt，-Asinωt，-Acosωt，Asinωt，Acosωt，-Asinωt，-Acosωt。此时将在定子上激励出3阶面内行波。同样，若其中有压电陶瓷按极化方向与粘贴表面法方向的关系，以与原来相反的方式粘贴时，其对应的激励信号也变为相反的信号。高阶模态的激励方式与此类同。

实施例2

如图7所示，本实施例中：所述的带台阶定子内侧面接触的多转子超声波电机包括71压电陶瓷元件、72凹槽定子、73转子、74板簧、75压紧弹簧、76转轴。圆筒形定子的多棱柱外表面上带有凹槽，压电陶瓷元件分段粘贴。凹槽内的平面可以粘贴压电陶瓷元件，也可以不粘接压电陶瓷元件。圆筒形定子的多棱柱外表面上虽带有凹槽，使得压电陶瓷元件分段粘贴，但仍认为分段粘贴的陶瓷为一组。8组压电陶瓷片粘贴在定子外棱柱面上。

定子采用了图5所示的面内振动模态作为工作模态。压电陶瓷的粘贴和模态激励方法如同实施例1。

实施例3：

如图8所示，本实施例中：所述的定子84的外壁为圆形，定子84的内壁为多边形，转子82设置于定子84的外部。

所述的定位机构4为定位盖，定位机构4位于定子2的两端，用于支撑和固定定子。

所述的转子82为圆环状结构，其结构描述见图10，其中：所述的圆环状结构的转子101为开放式圆环，该开放式圆环的两端102设有拉簧103以实现转子101卡紧于定子84上。

所述的压电陶瓷元件85为长条形板状结构，压电陶瓷元件85以定子84轴向方式设置于定子2的内壁。

压电陶瓷的粘贴和模态的激励方式如同实施例1。

Claims (7)

1.一种多转子圆筒形大力矩超声波电机，包括：压电陶瓷元件、定子、转子和定位机构，其特征在于：一个或多个转子依次垂直设置于定位机构上并与定子相接触，定位机构、转子和定子均为同轴设置，压电陶瓷元件设置于定子的外部且转子设置于定子的内部或压电陶瓷元件设置于定子的内部且转子设置于定子的外部；

所述的转子为圆盘状结构或圆环状结构，其中：圆盘状结构的转子之间设有弹性机构，转子与所述驱动表面的形状相匹配且弹性机构和驱动表面分别位于任一转子的两侧；

当在定子的压电陶瓷元件上施加两相同频率但是有相位差的驱动信号时，会在定子上同时激发出时间和空间上都相差相同相位差的两个驻波，两个驻波合成一个沿着周向旋转的行波，从而使得定子上驱动表面上的质点的运动轨迹均为椭圆，使得定子驱动与其相接触的转子旋转；由于定子上沿着周向旋转的行波的旋转角速度相同，因而即使多个转子的半径不同，定子对这些转子驱动的角速度仍然相同，使得多转子的输出力矩得以有效叠加。

2.根据权利要求1所述的多转子圆筒形大力矩超声波电机，其特征是，所有转子均以相同角速度同步转动。

3.根据权利要求1或2所述的多转子圆筒形大力矩超声波电机，其特征是，所述的定子的内壁或外壁为中心对称结构，其截面为圆形或多边形，定子上设有若干个对应转子的驱动表面以驱动多个同轴的转子同步旋转。

4.根据权利要求1所述的多转子圆筒形大力矩超声波电机，其特征是，所述的弹性机构为压簧。

5.根据权利要求1所述的多转子圆筒形大力矩超声波电机，其特征是，所述的圆环状结构的转子为开放式圆环，该开放式圆环的两端设有拉簧以实现转子卡紧于定子上。

6.根据权利要求1所述的多转子圆筒形大力矩超声波电机，其特征是，所述的定位机构为定位轴或定位盖，当转子设置于定子的内部时，定位机构位于定子的内部且转子固定设置于定位机构上；当转子设置于定子的外部时，定位机构位于定子的两端。

7.根据权利要求1所述的多转子圆筒形大力矩超声波电机，其特征是，所述的压电陶瓷元件的具体位置为以下两种方式中的任意一种：

1)当定子的内壁的截面为圆形时，则压电陶瓷元件以定子轴向方式设置于定子的外壁；

2)当定子的外壁的截面为圆形时，则压电陶瓷元件以定子轴向方式设置于定子的内壁。

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