CN103607136B - 弯扭型压电超声电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种弯扭型压电超声电机，由前支座与后支座相对扣合成电机壳体，在所述前支座与所述后支座上分别开有孔口相对的芯孔，在两个所述芯孔中分别装有轴承，转子的两端支撑连接在两个所述芯孔中的所述轴承上；在所述前支座与所述后支座之间的扣合空腔中还装有定子，所述定子的形状是在外方内圆的外框与圆环状内框之间接有沿所述内框的圆周均布的四条辐板，四条所述辐板沿圆周的朝向相同，并分别与所述内框相切；所述定子内框的内圆面套接在所述转子的外圆面上；所述压电陶瓷片有四片，分贴在所述定子外框的四个端侧面上。本发明中定子弯曲变形与扭转变形的频率完全一致，所以有利于提高电机运行的稳定性，并且可以降低制作成本。

Description

弯扭型压电超声电机

技术领域

本发明涉及一种压电超声电机，具体地说是一种弯扭型压电超声电机。

背景技术

压电超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应，激发定子的超声振动，利用定子的振动变形作用，推动与之接触的转子旋转。压电超声电机具有响应迅速、易于小型化等优点，在微小型机电装置的驱动控制领域有着很好的应用前景。目前已有的超声电机分成行波型和驻波型两类。CN02217486.9号专利公开了一种“纵扭复合型超声波电机”，该电机是一种结构呈柱状的驻波旋转超声电机，该电机定子由下金属环、压电陶瓷扭振子、中间金属体、压电陶瓷、上金属环等组成。电机定转子通过芯轴相连，使定转子相互压紧，通过施加同频但不同相位的交流电信号，分别作用于纵振子和扭振子，且施加的电信号频率是定子整体的谐振频率，从而使定子产生纵振动和扭振动，以推动转子转动。该电机虽然具有输出力矩较大等优点，但电机定子的纵振和扭振的激发是分别依靠纵振和扭振两种振子，而且要求两种振子必须同频。但在电机工作过程中，因为发热等原因的影响，会发生频率漂移，而这种频率漂移就会使扭振与纵振不能保持同频，从而影响电机的工作稳定性。另外，扭振子的加工成本较高，使得压电超声电机的制作成本提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种弯扭型压电超声电机，以解决由于纵振子和扭振子的存在而使得压电超声电机的工作稳定性难以保证的问题。

本发明是这样实现的：一种弯扭型压电超声电机，由前支座与后支座相对扣合成电机壳体，在所述前支座与所述后支座上分别开有孔口相对的芯孔，在两个所述芯孔中分别装有轴承，转子的两端支撑连接在两个所述芯孔中的所述轴承上；在所述前支座与所述后支座之间的扣合空腔中还装有定子，所述定子的形状是在外方内圆的外框与圆环状内框之间接有沿所述内框的圆周均布的四条辐板，四条所述辐板沿圆周的朝向相同，并分别与所述内框相切；所述定子内框的内圆面套接在所述转子的外圆面上；所述压电陶瓷片有四片，分贴在所述定子外框的四个端侧面上。

所述定子中的四条所述辐板分别与所述外框上相邻的外侧边相平行。

所述压电陶瓷片与所述定子外框端侧面的大小和形状相同。

在所述定子内框的内圆面上开有若干与圆心线平行的凹槽，相邻所述凹槽的间距相等。

本发明将电机定子设计成为内、外框结合的双层嵌套式结构，四个压电陶瓷片粘接在定子外框的四个端侧面，利用压电陶瓷片的逆压电效应，使外框产生变形。当激励电压频率为给定值时，电机定子即出现给定模态。在此给定模态下，定子外框出现弯曲变形，定子内框出现扭转与弯曲兼有的复合变形，此复合变形中的弯曲变形使电机定子与转子在一个周期内分别保持1/4周期的接触状态，而扭转变形则使电机定子在一个周期内同样保持1/4周期的接触状态。上述两个变形的频率相同且相位相同，因此定子与转子接触的1/4周期，定子的扭转方向始终沿圆周的相同方向，由此带动电机转子实现连续转动。

本发明由于在给定模态下的弯曲变形与扭转变形均在双层嵌套式结构的定子上产生，没有传统的压垫超声电机中的纵振子与扭振子的结构设置，因而频率可以完全一致，有利于提高电机运行的稳定性。此外，由于定子外框在给定模态下的弯曲变形实现容易，因此使得压电陶瓷片的制作更加容易，激发效果更好，由此可降低制作成本，提高电机效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是电机定子的结构示意图。

图3是图2的A-A向剖视图。

图4是压电陶瓷片的极化分区图。

图5是定子振动模态的振型图。

图中：1、定子，2、转子，3、前支座，4、后支座，5、螺钉，6、轴承，7、端盖，8、外框，9、内框，10、辐板，11、凸齿棱，12、压电陶瓷片。

具体实施方式

本发明包括定子1，转子2。压电陶瓷片12粘贴于定子外框的四个端侧面，压电陶瓷片12与定子外框端侧面的形状、大小均相同。

如图1所示，本发明由定子1、转子2、前支座3、后支座4、压电陶瓷片12、端盖7和轴承6组成。前支座3与后支座4相对扣合，组成电机壳体；在前支座3与后支座4上分别开有孔口相对的芯孔，在两个芯孔中分别装有轴承6，转子2的两端支撑连接在两个芯孔中的轴承6上，在前、后支座的两个芯孔外侧扣盖有端盖7。在前支座3与后支座4之间的扣合空腔中还装有定子1。压电陶瓷片12粘贴在定子外框的端侧面上。压电陶瓷片12最好制成与定子外框的端侧面大小和形状相同的长条矩形片体，共有四片，分贴在定子外框的四个端侧面上。定子内框的内圆面套接在转子2的外圆面上。

如图2、图3所示，定子1为一薄板式零件，定子1的形状是在外方内圆的外框8与圆环状内框9之间接有四条辐板10，四条辐板10沿内框9的圆周均匀分布并沿圆周的朝向相同，四条辐板10分别与内框9相切。定子1中的四条辐板10最好分别与外框8上相邻的一条外侧边相平行。

本实施例中，定子1采用厚度为5㎜的金属板制作，定子外框8的边长为60㎜。在定子外框8的四角分别开有安装孔，用于在电机壳体上的安装定位。压电陶瓷片12的轮廓尺寸为6050.5㎜，其极化分区的方式如图4所示。定子内框9的内、外径分别为Φ32㎜及Φ40㎜，在内框9的内圆面上开有若干与圆心线平行的凹槽，相邻凹槽的间距相等，使两凹槽之间形成一个凸齿棱11，凸齿棱11的齿高为1.0㎜。连接内、外框的四条切向辐板10的宽度均为4㎜。转子2为一阶梯轴形零件，穿接于定子内框9中。转子2与定子内框9配合部分的公称直径亦为Φ32㎜，在转子2的动力输出端设置键槽，可向外输出转矩。

电机旋转工作时，给粘接于定子外框8端侧面上的四枚压电陶瓷片12输入频率等于电机旋转频率的正弦电压，激发外框8的每一条边分别产生弯曲变形，而定子内框9在此频率下则产生弯曲与沿周向的扭转。利用有限元分析软件计算得到如图5所示的定子振动模态的振型图。利用上述振型图中所示定子内环凸齿棱11的切向扭转与弯曲，即可推动转子2旋转。

本发明的具体工作机理是：

定子1的振动周期为T，当时间t=0时，电机尚未接通电源，电机处于静止状态，定子1各点均处于各自的平衡位置，定子1与转子2存在相互接触。此后电源接通，电机开始工作。

在0<t<T/4的时段内，由于压电陶瓷片12的激励作用，内框9由平衡位置沿径向均匀向外扩展，内框9的圆环内孔直径增大，定子1与转子2开始脱离接触。与此同时，内框9的圆环还沿圆周方向逆时针扭转。由于定子1与转子2脱离接触，所以内框9的逆时针扭转不能推动转子转动。

当t=T/4时，内框9的径向变形和逆时针扭转变形均达到最大值。

在T/4<t<T/2的时段内，内框9的各点由最大位移处移向平衡位置。即内框9的由最大变形位置沿径向均匀向圆心收缩，内框9的内孔直径减小，但定子与转子仍未接触。与此同时，内框9沿圆周方向顺时针扭转。因为定子1与转子2脱离接触，所以内框9的顺时针扭转不能推动转子转动。

当t=T/2时，定子各点回到各自的平衡位置。

在T/2<t<3T/4的时段内，内框9由平衡位置沿径向均匀向内扩展，内框9的内孔直径减小，定子1与转子2保持接触。与此同时，内框9还沿圆周方向顺时针扭转。由于定子1与转子2接触，所以内框9的顺时针扭转推动转子2转动。

当t=3T/4时，内框9的径向变形和逆时针扭转变形均达到反向最大值。

在T/2<t<3T/4的时段内，内框9沿径向均匀向外扩展，内框9的内孔直径增大，定子1与转子2脱离接触。同时，内框9还沿圆周方向逆时针扭转。由于定子1与转子2脱离接触，所以内框9的顺时针扭转不能推动转子。

当t=T时，定子1各点回到各自的平衡位置，一个运动周期结束。

Claims (4)

1.一种弯扭型压电超声电机，其特征是，由前支座与后支座相对扣合成电机壳体，在所述前支座与所述后支座上分别开有孔口相对的芯孔，在两个所述芯孔中分别装有轴承，转子的两端支撑连接在两个所述芯孔中的所述轴承上；在所述前支座与所述后支座之间的扣合空腔中还装有定子，所述定子的形状是在外方内圆的外框与圆环状内框之间接有沿所述内框的圆周均布的四条辐板，四条所述辐板沿圆周的朝向相同，并分别与所述内框相切；所述定子内框的内圆面套接在所述转子的外圆面上；压电陶瓷片有四片，分贴在所述定子外框的四个端侧面上。

2.根据权利要求1所述的弯扭型压电超声电机，其特征是，所述定子中的四条所述辐板分别与所述外框上相邻的外侧边相平行。

3.根据权利要求1或2所述的弯扭型压电超声电机，其特征是，所述压电陶瓷片与所述定子外框端侧面的大小和形状相同。

4.根据权利要求1或2所述的弯扭型压电超声电机，其特征是，在所述定子内框的内圆面上开有若干与圆心线平行的凹槽，相邻所述凹槽的间距相等。