CN102292908A - 有高力矩的压电电机 - Google Patents

Abstract

压电电机(100)包含定子(2)，该定子(2)有心轴(9)。该电机也包含环形压电单元(4)，该环形压电单元(4)有上和下表面及被夹持在该定子上的内和外边缘。该电机还包含在该压电单元的外边缘上的环形波壳(6)和与定子心轴偶联的转子，这里该转子有转子内圆周表面(20)。该电机另外包含弹性推板(8)，每一弹性推板有一端被偶联到波壳和另一端延伸到并与转子内圆周表面接触。在该电机中，外边缘半径至少是内边缘半径的两倍，且压电单元的环形宽度至少是它的厚度的两倍。

Description

有高力矩的压电电机

交叉参考相关申请

本申请属非临时专利申请，要求于2008年12月17日递交的美国专利申请No.61/138,442的权益，本文引用该申请的全部内容，供参考。

技术领域

本发明涉及压电电机工业并与有高力矩的旋转压电电机的设计有关，该有高力矩的旋转压电电机在各种不同工业的起止系统(start andstop system)中用作致动器。

背景技术

各种不同压电电机设计是众所周知的，其中的定子和转子借助摩擦通过推板相互作用。例如，在一些常用压电电机设计中，基于环形压电单元的转子和定子被提供，那里的外圆柱形表面被装入波壳中，一组推板被安装在波壳上。这种电机改进的可靠性已被实现，因为这些推板被装在分开的声波传导壳(波壳)上，该声波传导壳被安装在压电单元上，而不是被装配到直接切割进相对更易碎的环形压电单元的狭槽。还通过使波壳的径向谐振频率与环形压电单元的径向谐振频率匹配，获得系统的能量效率的改进。这样的装置是在环形压电单元的零阶振动模式上被激励的，这被认为就整个系统的振幅和品质因子(Q因子)而言，是最有效的。

发明内容

本发明的实施例是关于旋转压电电机的。在本发明的一个实施例中，一种压电电机被提供。该电机包含具有限定旋转轴的定子心轴的定子。该电机还包含环形压电单元，该环形压电单元具有相对的上和下表面及内和外边缘，这里该环形压电单元被夹持在定子上并围绕旋转轴，且这里该环形压电单元包括压电材料。该电机还包含被夹持在环形压电单元的外边缘上的环形波壳和可旋转地和机械地被偶联到定子心轴的转子，这里该转子具有转子内圆周表面。该电机此外还包含多个弹性推板，这里该多个弹性推板的每一个具有机械地被偶联到波壳的第一端和延伸到并与该转子内圆周表面接触的第二端。在该电机中，外边缘半径(R_p)至少是内边缘半径(r_p)的两倍，环形压电单元的环形宽度(R_p-r_p)至少是环形压电单元的厚度的两倍，且该波壳可用于沿径向把环形压电单元的振荡传递到多个推板，以引起转子围绕旋转轴的旋转运动。

附图说明

图1是按照本发明一个实施例配置的示例性压电电机的断面侧视图。

图2是包含压电单元、波壳和推板的图1的子配件的顶视图。

图3A是图1的压电单元未被激励状态中的断面侧视图。

图3B是图1的压电单元处于导致径向膨胀的被激励状态的断面侧视图。

图3C是图1的压电单元处于导致径向压缩的被激励状态的断面侧视图。

具体实施方式

本发明参照附图被描述，其中在全部图中用相似参考数字标记同样或等效单元。这些图不是按比例画的，它们仅仅为示出当前发明而被提供。为了说明，本发明的诸多方面下面参照应用例子被描述。应当理解，许多具体细节、关系和方法将被阐明，以提供本发明的充分理解。然而，相关领域的一般技术人员将容易认识到，不用一个或多个这些细节，或用其他方法，也能够实践本发明。在其他例子中，熟知的结构或操作没有详细出示，以免遮蔽本发明。本发明不受出示的作用或事件的顺序限制，因为一些作用可以按不同顺序和/或同时地与其他作用或事件出现。此外，不是所有出示的作用或事件都是实施按照本发明的方法所要求的。

本发明的实施例为包含圆环状或环形压电单元的旋转压电电机提供一种新的设计。一般地说，圆环状谐振器的径向模式的频率F_r ^R，由下面方程式描述：

${F_r}^R=\frac{1}{\mathrm{ad\π}}\sqrt{\frac{n^2+1}{\mathrm{\ρ}\×s_{\mathrm{jk}}}}---\left(1\right)$

这里d是圆环的平均直径(尤其是压电圆环的直径)，s_jk是材料(尤其是压电圆环的材料)的弹性系数，a是由实验确定的圆环的形式因子(尤其是压电圆环的形式因子)，ρ是材料密度(尤其是压电圆环的密度)，以及n是表示振动模式的阶的≥0的整数。在零阶径向振动模式的情形中，(1)能够被变换为如下方程式：

F_r ^R＝c_p/2×π[(R_p+r_p)/2]    (2)

这里c_p是材料中声波的传播速度，R_p是环形压电单元的外半径，而r_p是环形压电单元的内半径。

常用压电电机设计，包含环形压电单元的一个显著缺点是，这种电机一般在实践中不允许把电机力矩增加到超出某一限度。一般地说，电机力矩的增加常常与转子直径的增大关联，并且结果是，力矩常常通过圆环状谐振器直径的增大而被增加。然而，用该方案的显著缺点是，随着环形压电单元直径的增大，它的零阶径向振动模式的频率落入可听声频带的高频端。例如，对于包含具有参数R_p＝35mm，r_p＝20mm，及c_p＝3500m/s的环形压电单元的常用压电电机，径向振动的零阶模式的频率约为20,000Hz。该频率是在声学和超声频率的边界。环形压电单元直径的任何再增大，使激励频率移进可听声范围，这一般导致对用户有害的声学作用。所以，简单地用增大压电单元的直径使力矩增加，一般是不希望的。

在常用的压电电机中，频率的下降通常用缩减环形压电单元的内径，从而增大环形压电单元的环形宽度加以补偿。如在本文中所使用，术语“环形宽度”是指环形压电单元的内和外半径之间的差值。这样按照方程式(2)，将导致激励频率的增高，但在这种情形中，系统作为厚圆环谐振器操作(这里，厚圆环由环形压电单元的环形宽度定义)且Q因子快速下降。当更高阶径向激励模式被使用时，类似的情况出现。在这样的例子中，环形压电单元的Q因子也快速下降而电机变得低效率。

本发明的实施例为有高力矩的旋转压电电机提供一种新的设计。该新的压电电机具有：实际上瞬间的起动(它在数毫秒内达到最大力矩)、高的起动力矩(至少5N·m)、因它的本性的非电磁设计而无过驱动设计、高减速力矩、以及增强的操作能力。通过根据环形压电单元设计和跨越环形压电单元操作激励第一阶纵向振动模式的激励频率，使这样的压电电机有别于常用的压电电机。

新的压电电机的示例性实施例将就图1和2被描述。图1是按照本发明一个实施例配置的示例性压电电机100的断面侧视图。图2是包含压电单元4、波壳6和推板8的图1的子配件16的顶视图。如图1所示，压电电机100包含圆柱形转子1和有旋转轴15的凸缘或定子2。该电机100能够包含定子基座3，机械地被偶联于该凸缘定子2。子配件16能够被安装在定子2中。转子1和子配件16能够垂直于并围绕旋转轴15被安装，以便允许转子1绕轴15旋转。

如图2所示，子配件16能够包含环形压电单元4，该环形压电单元4有平的电极5并垂直于电极表面区域被极化。导电引线13能够电学地被耦合到环形压电单元4。子配件16还能够包含波壳6，该波壳有包含加强的环绕环形压电单元4的肋7的T形断面。就是说，波壳6被附着于压电单元的外边缘。该波壳6能够是弹性的或可形变的材料，诸如金属或塑料。子配件16还包含一系列附着于波壳6的薄板推板8，提供与转子1内表面20的摩擦接触。如上面所描述，推板8能够被分组。例如，它们能够按2、3、4等的组合件被组装。

如上面所描述，环状压电单元4被安装在声波传导圆环状壳(波壳)6内，压电单元4的外圆柱形表面或边缘A被牢固地顶压到波壳6的内表面。换句话说，波壳6被附着于并包围压电单元4的外边缘A。被固定于波壳6外表面的一组推板8产生与转子1的摩擦接触。环状压电单元4当被激励时，以跨越它的宽度(h)建立纵向模式的振动，起圆环状谐振器的作用。压电单元4的外圆柱形表面被精密地装配在波壳6内，如上面所描述。波壳6沿它的径向方向是弹性的，以便压电单元4的振动经由波壳6外表面上的推板8被传导到转子1。压电单元4垂直于它的平的端面被极化，施加激励电压的电极13被固定于该平的端面。

在本发明各个不同的实施例中，通过改进电机设计参数并同时消除任何降低Q因子的不希望的效应，提供有增大力矩的压电电机。这是通过增大转子和圆环状谐振器4的直径，同时变换到不同的激励频率达到的，该激励频率激励跨越环形压电单元4的环形宽度的第一阶纵向振动模式。就是说，施加的电压的操作频率，被选定以便沿径向跨越压电单元4的环形宽度激励第一阶纵向振动模式。尤其是，本发明人已经发现，激励电压的操作频率F_r ^R，能够由下面的方程式描述：

F_r ^R＝c_p/2h    (3)

这里c_p是环形压电单元材料中声波的传播速度和h是环形压电单元的环形宽度(h＝R_p-r_p)。

通过组合如下两个因素进一步在新的振动模式的性能中获得增大的效率：(1)使用用于激励压电单元4的第一阶振动模式，和(2)使用被形成为具有提供圆环状加强肋7的T形断面的薄壁圆柱体的波壳6，如图1和2所示。肋7起声学能量的机械放大器(聚集器)的作用。就是说，因为肋7的质量与波壳6其他部分的质量和压电单元4的质量相比相对地小，由压电单元4和波壳振动产生的声学能量被聚集到肋7上。在电机100的操作期间，肋7上的声学能量被转移到推板8，以便接触转子1的内表面20，并接着由于推板8和转子1的内表面20之间的摩擦力，引起转子1的运动。推板被安装在狭槽14中，这些狭槽是围绕肋7的圆周按一定间隔切割进肋7的。推板8能够或者作为每一狭槽14中的单块板或者小的板的组合件被形成。每一板或板的垛顶在转子1的内表面20上。在推板8被分组为组合件的实施例中，推板8和转子1的内表面20之间的摩擦力被增大，增加电机100的力矩。

在本发明各个不同的实施例中，通过配置压电单元4具有至少两倍于内半径(r_p)的外半径(R_p)(即R_p＞2r_p)和至少两倍于所述压电单元厚度的环形宽度(h)(即h＞2H)，能够获得第一阶振动纵向模式的激励。因此，当使用具有频率(F_r ^R)等于c_p/2(R_p-r_p)的交变电压激励时，波壳6可操作地沿所述径向方向有效地向推板8转移所述压电单元4的振荡，以使转子1以比在包含环形压电单元的常用压电电机中观察到的力矩量显著更高的力矩量，产生绕旋转轴15的旋转运动。此外，压电单元4能够垂直于它的平的端面被极化，而电极13能够被附加于这些平的端面。例如，如图1所示，电极13被偶联到环形压电单元4的平的上18和下19表面。

由此，根据压电单元4和压电材料(该材料规定c_p)的关系式R_p＞2r_p和h＞2H，对特定激励电压频率的环形压电单元4的尺寸能够被选定。例如，在压电单元4是由选自压电锆钛酸铅锶陶瓷(PZT)材料组的压电陶瓷构成的实施例中，当R_p＞20mm、r_p＞8mm和厚度H＝5-10mm时，跨越圆环壳宽度的第一阶振动纵向模式开始有效地形成。然而，本发明不限于使用PZT材料。在本发明的其他实施例中，其他类型的压电材料能够被使用。

如上面所描述，波壳6能够作为有T形断面和沿周边有高刚度圆环状加强肋7的薄壁圆柱体被形成，该肋7起声学能量的机械放大器的作用。此外，如在前面所描述，加强肋7能够有周期地隔开的狭槽14，在狭槽中，作为薄板被形成的推板8以推板8的相反端顶压着转子1的内表面20而被固定。在一些实施例中，被紧固在狭槽14中的推板8能够与波壳6的薄壁圆柱体没有直接的声学接触(即在波壳6和推板8之间没有刚性连接)。

在本发明各个不同的实施例中，使用穿过弹性圆环垫圈或衬垫12起作用的压力凸缘11，能够实现在电机100中环形压电单元4的安装或夹持。一般地说，当机械部件被放置与压电单元物理接触时，由于压电单元中振动的阻尼，Q因子被降低。因此，在本发明各个不同的实施例中，能够选择衬垫12的配置，使Q因子的显著降质受到限制。尤其是，衬垫12能够被配置成与环形压电单元4在最小振动速度的区域接触。例如，如图1所示，环形压电单元4能够在环形压电单元4的内和外边缘之间的中央被压力凸缘11和衬垫12接触。此外，因为最大机械张力一般出现在圆环状谐振器的中间区域(即最小振动速度发生处)，声学地被耦合到环形压电单元4的衬垫12也能够被配置成耐得住该机械张力。一般地说，橡胶或其他弹性体垫圈能够被选择，因为它一般不影响与压电单元厚度中初始形变关联的任何参数。

定子2能够包含用于支承子配件16的安装特征14(只在图2中出示)。如在上面和下面所描述，该安装特征17能够在环形压电单元4的内和外半径或边缘的中间点上与环形压电单元4接触，使对环形压电单元4的膨胀和收缩的干扰最小。定子2能够有定子心轴9，用于机械地和旋转地把转子1偶联到定子2。压力凸缘11能够被设置成向环形压电单元4提供机械压力以把它夹持在电机100内位置，如在上面所描述。在一些实施例中，用于安装压力凸缘11的螺纹夹具(threaded clip)10能够被提供。此外，如在上面所描述，圆环垫圈或衬垫12，诸如橡胶或其他弹性体圆环，能够被提供在凸缘11和压电单元4之间。

电机100的操作相对于压电单元4的激励被描述，如图3A-3C所示。图3A是图1的压电单元4未被激励状态中的断面侧视图。图3B是图1的压电单元处于导致径向膨胀的被激励状态的断面侧视图。图3C是图1的压电单元处于导致径向压缩的被激励状态的断面侧视图。

在图3A-3C中，压电单元4有尺寸R_p和r_p，这样使具有频率F_r ^R的激励电压，对应于跨越环形压电单元4的环形宽度(h)的第一纵向模式的频率。在施加激励电压之前，环形压电单元4的环形宽度h没有变化。如图3A所示。一旦激励电压被施加于接触端13，形变开始。如图3B所示，横向形变(-ΔH)能够沿环形压电单元4的厚度(H)出现。该初始横向形变的结果和由于弹性力，至少一些次级形变沿环形压电单元4的宽度被形成。该次级形变被变换为纵向驻波径向形变，在环形压电单元4的外边缘A和内边缘B的位置上有最大振动振幅，而在A和B之间的中点，即点C，有最小振动振幅。(如上面所描述，点C定义圆环的中间直径，并确定压电单元谐振器4与定子2的附着点。)压电单元的径向膨胀引起环形宽度h的增大，这又导致边缘A和B沿径向相反方向分别运动Δh₁和Δh₂的量值，如图3B所示。结果，推板8顶压着转子的内表面20。在许多情形中，边缘A和B是对称地运动的。就是说，Δh₁＝Δh₂。然而，在一些情形中，由于电机100的变化，Δh₁≠Δh₂。但是，Δh₁和Δh₂将一般地相互在5％到10％之内。

随着交变激励电压被进一步施加于压电单元4，环形压电单元4宽度的压缩能够接着出现，如图3C所示。与图3B相反，与中间半径点C对称的径向压缩，降低环形宽度h以便缩小。压电单元的径向压缩引起环形宽度h的缩小，这又导致边缘A和B分别沿径向相反方向运动-Δh₃和-Δh₄的量值，如图3C所示。结果，推板8从转子的内表面20被拉开。在许多情形中，边缘A和B对称地运动。就是说，-Δh₃＝-Δh₄。然而，在一些情形中，由于电机100的变化，-Δh₃≠-Δh₄。但是，-Δh₃和-Δh₄将一般地相互在5％到10％之内。此外，在许多情形中，对称的运动导致|-Δh₃|＝|-Δh₄|＝Δh₁＝Δh₂。但是，由于电机100的变化，|-Δh₃|、|-Δh₄|、Δh₁和Δh₂中的至少一个能够是不同的。

结果，推板8从转子的内表面20被拉开。

操作时，电机100按下面的描述工作。初始时，具有对应于跨越压电单元4的环形宽度(h)的第一纵向模式频率的频率F_r ^R的交变电压，被施加到接触端13。响应该电压，沿圆环的厚度(H)的横向形变初始被形成，如上面对图3所描述。作为该初始横向形变的结果，并由于弹性力，沿压电单元4的环形宽度(h)的次级形变出现，该次级形变被变换为纵向驻波形变，在压电单元4的外A和内B边缘上有最大振动振幅，而在中间半径点C有最小振动振幅。该振动引起压电单元5沿它的环形宽度(h)的伸长和压缩，导致至少外边缘A的位移，如上面对图3所描述。因为环形压电单元4的外边缘A被紧密地装配在波壳6内，外边缘A的位移(即振动)被转移到波壳6，而因为质量差别该振动被加强肋7放大，如上面所描述。然后，被放大的振动经由推板8转移到转子，该转子于是旋转。在振动时，推板8没有与波壳6的圆柱形部分声学耦合。这是因为波壳6的圆柱形部分与加强肋7的质量差别，该质量差别导致肋7从而推板8上更大的振动速度。

再有，与转子接触的构成纳米椭圆的推板端部的运动是两种运动的结果。沿推板的长度的第一种运动是起因于被激励的纵向驻波。第二种运动，垂直于推板，是起因于推板的弹性形变。推板与转子接触并只在半个纳米椭圆周期期间通过摩擦使转子运动。在第二个半个椭圆周期期间，它们由于弹性力退回并运动至初始位置，与转子没有摩擦。这些纳米椭圆的振幅通常为数十或数百纳米。

申请人在上面给出某些理论方面，这些理论方面相信是精确的，用于解释对有关本发明实施例所作观察。然而，不用该被给出的理论方面，本发明的实施例也可以被实地应用。此外，这些理论方面虽被给出，但应理解，申请人不希望受给出的理论的约束。

虽然本发明的各个不同实施例已经在上面描述，但应当理解，这些实施例的给出只作为例子，而不是限制。在不偏离本发明的精神或范围下，按照本文公开的内容，能够对公开的实施例作出许多改变。因此，本发明的广度和范围不应受上面所描述任何实施例的限制。相反，本发明的范围应当按照下面的权利要求书和它们的等价叙述被限定。

虽然本发明已经就一种或多种实施方式被示出和描述，但本领域熟练技术人员在阅读和理解本说明书以及附图后，会出现等价的变更和修改。此外，虽然本发明特定的特征可能已经就诸多实施方式的仅仅一个被公开，但对任何给定或特定的应用在需要和有利时，这种特征可以与其他实施方式的一个或多个其他特征组合。

本文使用的术语只为描述特定实施例的目的，并不企图限制本发明。如在本文中所使用的，单数形式“某一”、“某个”和“该”也意味着包含复数形式，除非文中明确地另外指出。再有，就术语方面而言，被使用的术语“包含”、“含”、“含有”“具有”、“带有”、或其变化，无论是在详细的描述和/或在权利要求书中，这样的术语都指与术语“包括”同样方式的广范围。

除非另外规定，本文使用的所有术语(包含技术的和科学的术语)，与本发明所属领域有关的熟练技术人员一般理解的意义相同。还应当理解，这些术语，诸如在一般使用的字典中定义的那些术语，应当被解释成具有的意义与相关领域文本中它们的意义相符，而不应按理想化的或过分正式的意义进行解释，除非本文明确地如此定义。

Claims (12)

1.一种压电电机，包括：

定子，具有限定旋转轴的定子心轴；

环形压电单元，具有相对的上和下表面及内和外边缘，所述环形压电单元被夹持在所述定子上并围绕所述旋转轴，且所述环形压电单元包括压电材料；

环形波壳，被夹持在所述环形压电单元的外边缘上；

转子，可旋转地和机械地被偶联到所述定子心轴，所述转子有转子内圆周表面；

多个弹性推板，所述多个弹性推板的每一个有机械地被偶联到所述环形波壳的第一端，以及延伸到并与所述转子内圆周表面接触的第二端；和

其中所述外边缘半径(R_p)至少是所述内边缘半径(r_p)的两倍，其中所述环形压电单元的环形宽度(R_p-r_p)至少是所述环形压电单元的厚度的两倍，且其中所述波壳可用于沿所述径向方向把所述环形压电单元的振荡传递到所述多个推板，以引起所述转子围绕所述旋转轴的旋转运动。

2.权利要求1的压电电机，还包括：

电源，被耦合到所述环形压电单元的所述上和下表面，所述电源提供交变电压，用于诱发跨越所述环形宽度的第一阶纵向振动模式。

3.权利要求2的压电电机，其中所述交变电压有等于c_p/2(R_p-r_p)的频率(F_r ^P)，这里c_p是声波在所述压电材料中的传播速度。

4.权利要求1的压电电机，其中所述波壳包括有肋断面的圆柱体，所述肋断面沿所述波壳的周边有高的刚度。

5.权利要求4的压电电机，其中所述多个推板被机械地偶联到所述波壳的所述肋断面。

6.权利要求5的压电电机，其中所述肋断面包括多个狭槽，用于机械地夹持所述多个推板。

7.权利要求6的压电电机，其中所述多个推板的至少一个被夹持在所述多个狭槽的每一个中。

8.权利要求1的压电电机，还包括至少一个凸缘，用于把所述环形压电单元夹持在所述定子上。

9.权利要求7的压电电机，还包括至少一个弹性衬垫，被安排在所述凸缘和所述环形压电单元之间。

10.权利要求1的压电电机，其中所述环形压电单元的所述上和所述下表面，与所述凸缘和所述定子在半径等于(R_p-r_p)/2的位置上接触。

11.权利要求1的压电电机，其中所述环形压电单元中的所述压电材料沿垂直于所述上和下表面的径向方向被极化。

12.权利要求1的压电电机，其中所述压电材料包括锆钛酸铅锶陶瓷(PZT)材料。

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