CN104362897A - 一种单电信号驱动旋转超声电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单电信号驱动旋转超声电机，包括心轴和依次套设在所述心轴上的后盖板、压电陶瓷片、电极片、椭圆振动模态转换器、摩擦盘、轴承、弹簧和螺母，所述心轴、后盖板、压电陶瓷片、电极片、椭圆振动模态转换器构成所述超声电机的定子部分；所述摩擦盘和轴承构成超声电机的转子部分；所述弹簧和螺母构成超声电机转子部分和定子部分的正压预紧力调整机构。本发明通过直梁和斜梁复合特殊设计的椭圆振动模态转化器，利用一组压电陶瓷的纵向振动模式实现了定子驱动齿端面质点的椭圆轨迹运动，驱动转子旋转。具有结构简单，制造容易，易于微型化，集成化，成本低、控制难度小等优点，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及利用压电陶瓷逆压电效应的超声电机领域，尤其是涉及一种利用超声椭圆振动的单电信号驱动的旋转超声电机。
背景技术
旋转超声电机是20世纪80年代迅速发展和应用的一种新型微电机，是利用压电材料的逆压电效应实现电能-机械能转换的机电耦合装置，通过定子和转子之间的摩擦作用，把弹性体的微幅振动转换成转子的宏观旋转运动，直接推动负载。目前已有的旋转型超声电机中，普遍存在驱动力矩小，轴向体积大、定转子的内外径接触区磨损差别大、工作可靠性低等问题。
单电信号驱动模态转换型超声电机也是超声电机的一种，它是利用一组压电陶瓷元件的驱动，通过特殊结构的模态转换器使定子产生具有两种振动模态分量的复杂振动。如果这两个振动模态之间存在一定的相位差且频率相近，定子和转子接触界面上定子的端面质点就会产生椭圆轨迹振动，从而通过定子和转子之间的摩擦获得转子的运动和扭矩。
在公开号为CN101860259A，发明名称为《单电信号激励旋转超声电机》的专利文献中，公开了一种利用利用窗形错位模态转换器将夹心式振子产生纵向振动转换为驱动齿质点椭圆振动，进而驱动转子转动的超声电机，该发明控制驱动系统简单，装配容易，但是其窗形错位模态转换器制造难度较大，生产成本较高，制约了其在工业生产中的推广和应用。
在公开号为CN101030740A，发明名称为《单相驱动的弯曲旋转超声电机》的专利文献中，公开了一种机体的结构呈锥状的单相驱动驻波旋转超声电机，该电机依靠六片沿轴向叠合在一起的压电陶瓷片激发定子的振动，六片压电陶瓷片依靠压紧螺母及压轴套固定在中轴上。该电机虽然具有输出力矩较大等优点，但其结构复杂，且在压电陶瓷片的压紧过程中因压紧螺母的螺旋运动(旋转力)极易造成压电陶瓷片之间错位，难以保证相邻压电陶瓷片之间错位60度的技术要求；此外，该电机定子与转子之间不带任何定位装置，这使得定子与转子两者之间的接触位置精度受到影响，进而影响电机转矩和速度的稳定性；此类旋转超声电动机存在结构复杂，制造安装较困难，成本较高、电机转矩和速度的稳定性差等问题。
发明内容
本发明提供了一种新型的单电信号驱动的旋转超声电机，目的是为了克服上述旋转超声电机中存在的不足，提供一种结构简单、输出功率大，成本低、寿命长、电机输出转矩大的单电信号驱动的旋转超声电机。
一种单电信号驱动旋转超声电机，其特征在于：包括心轴和依次套设在心轴上的后盖板、压电陶瓷片、电极片、椭圆振动模态转换器、摩擦盘、轴承、弹簧和螺母；所述心轴、后盖板、压电陶瓷片、电极片、椭圆振动模态转换器构成所述超声电机的定子部分，心轴和椭圆振动模态转换器通过螺纹联接后将后盖板、压电陶瓷片、电极片和椭圆振动模态转换器压紧固定，构成了超声电机的能量转换部分，将超声电源输出的超声电能转换为定子部分的超声振动能量。
所述的椭圆振动模态转换器为一体化结构，包括下端的圆柱体部分和上端的驱动齿部分，所述驱动齿部分在圆周方向均布设置在圆柱体部分的上端，驱动齿的数量为3-12个，每个驱动齿沿径向方向的投影为直梁和斜梁的复合结构，直梁的几何中心轴线和圆柱体部分的轴线平行，直梁的一端与圆柱体部分的前端联接，另一端悬伸；斜梁的一端和圆柱体部分的前端偏离直梁轴线的一侧联接，另一端和直梁的中间部位联接，斜梁的几何中心轴线和直梁的几何中心轴线成0-90度夹角，直梁和斜梁与圆柱体部分的联接处均为圆弧过渡联接。
使驱动齿形成直梁和斜梁复合结构的目的是为了改变椭圆振动模态转换器的振动模态，使驱动齿的纵向振动模态频率和弯曲振动模态频率接近或相等，由于直梁和斜梁复合结构的存在，超声电机的能量转换部分产生的纵向超声振动在传递到斜梁后，在斜梁根部分解为一部分纵向振动分量和一部分弯曲振动分量，当斜梁分解的纵向振动分量和弯曲振动分量传递到直梁后，和直梁上传播的纵向振动相复合，最终在直梁末端形成具有一定相位差的纵向振动分量和弯曲振动分量复合的超声椭圆振动，即转换为椭圆振动模态转换器驱动齿末端沿超声电机圆周切向的纵弯复合超声椭圆振动。
所述摩擦盘和轴承构成超声电机的转子部分；所述弹簧和螺母构成超声电机转子部分和定子部分的正压预紧力调整机构。
更进一步，所述椭圆振动模态转换器驱动齿末端粘接有A摩擦材料。
更进一步，所述摩擦盘上与驱动齿相接触的端面粘接有B摩擦材料。
更进一步，所述后盖板和所述心轴可以制造成分体式结构或一体化结构。
本发明定子采用夹心式换能器结构，利用特殊设计的椭圆振动模态转化器，利用一组压电陶瓷的纵向振动模式实现了定子驱动齿端面质点的椭圆轨迹运动，驱动转子旋转，具有结构简单，功率容量大，制造容易，装配难度低等优点；另外本发明只需要一组控制电路及其驱动电源，控制驱动系统简单，制造容易，控制难度小，可靠性高；同时本发明具有体积小、重量轻、易于微型化、集成化、成本低、低速大扭矩、噪声小、响应快、定位精度高、无电磁干扰和环境适应性强等优点，应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的零部件三维分解示意图。
图3是本发明的椭圆振动模态转换器三维结构示意图。
图4是本发明的应用实例示意图。
图中标号说明：1.心轴，2.后盖板，3.压电陶瓷片，4.电极片，5.椭圆振动模态转换器，6.A摩擦材料，7. B摩擦材料，8.摩擦盘，9.轴承，10.弹簧，11.螺母，12.超声电源。
具体实施方式
结合图1、2、3、4所示，本发明的单电信号驱动旋转超声电机，包括心轴1和依次套设在心轴1上的后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4、椭圆振动模态转换器5、摩擦盘8、轴承9、弹簧10和螺母11；所述心轴1、后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4、椭圆振动模态转换器5构成所述超声电机的定子部分，通过心轴1上的外螺纹和椭圆振动模态转换器5的内螺纹进行联接，把后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4和椭圆振动模态转换器5压紧固定，构成了超声电机的能量转换部分，可将超声电源12输出的超声电能转换为超声电机的超声振动能量，所述后盖板2和所述心轴1制造成分体式结构。
椭圆振动模态转换器5为一体化结构，包括下端的圆柱体部分和上端的驱动齿部分，驱动齿部分在圆周方向均布设置在圆柱体部分的上端，驱动齿的数量为6个，每个驱动齿沿径向方向的投影为直梁和斜梁的复合结构，每个驱动齿沿径向方向的投影为直梁和斜梁的复合结构，直梁的几何中心轴线和圆柱体部分的轴线平行，直梁的一端与圆柱体部分的前端联接，另一端悬伸；斜梁的一端和圆柱体部分的前端偏离直梁轴线的一侧联接，另一端和直梁的中间部位联接，斜梁的几何中心轴线和直梁的几何中心轴线成30度夹角，直梁和斜梁与圆柱体部分的联接处均为圆弧过渡联接,圆弧半径为1mm。
驱动齿沿径向方向投影的直梁宽度为2mm，高度为7mm，驱动齿沿径向方向投影的斜梁宽度为1.5mm，驱动齿末端粘接有A摩擦材料6。
摩擦盘8和轴承9构成超声电机的转子部分，摩擦盘8和轴承9通过过渡配合连接一起后套设在心轴1上，摩擦盘8上与驱动齿相接触的端面粘接有B摩擦材料7；所述弹簧10和螺母11构成超声电机转子部分和定子部分的正压预紧力调整机构，通过调节螺母11在心轴1上的位置可以改变弹簧10的压缩量，从而调节电机转子对电机定子的预压力，预压力设定为6N。
单电信号驱动旋转超声电机外径10mm，长度53mm，所用压电陶瓷为PZT-8，尺寸为Ф10×Ф5×2mm，固有频率为101.5KHz，阻抗为56欧姆，动态电阻为17欧姆，超声电源12输出电压范围为0-400V，电流范围为0-4A，输出频率为101.5±0.01KHz，且超声电源12在指定频率范围内具有自动频率跟踪功能。
结合图4所示，运行时，单电信号驱动旋转超声电机的电极片4接入超声电源12输出的电信号后，由于压电陶瓷片3的逆压电效应，压电陶瓷片3将会产生纵向超声振动，即将超声电源12输出的电能转换为超声振动能量，并驱动整个定子进行纵向超声振动，当超声振动能量从定子传递到椭圆振动模态转换器5驱动齿末端后，转换为具有一定相位差的纵向振动和弯曲振动复合的纵弯复合超声椭圆振动，即转换为椭圆振动模态转换器5驱动齿末端沿超声电机圆周切向的纵弯复合超声椭圆振动，驱动齿末端和摩擦盘8相接触，进而驱动转子进行旋转运动，超声电机连续运行30分钟后，超声电源12输出电压为100V，电流为0.24A，转子旋转速度为536r/min，运行状态良好。
Claims (4)
1.一种单电信号驱动旋转超声电机，其特征在于：包括心轴和依次套设在心轴上的后盖板、压电陶瓷片、电极片、椭圆振动模态转换器、摩擦盘、轴承、弹簧和螺母；所述心轴、后盖板、压电陶瓷片、电极片、椭圆振动模态转换器构成所述超声电机的定子部分，心轴和椭圆振动模态转换器通过螺纹联接后将后盖板、压电陶瓷片、电极片和椭圆振动模态转换器压紧固定；所述摩擦盘和轴承构成超声电机的转子部分；所述弹簧和螺母构成超声电机转子部分和定子部分的正压预紧力调整机构；所述的椭圆振动模态转换器为一体化结构，包括下端的圆柱体部分和上端的驱动齿部分，所述的驱动齿部分在圆周方向均布设置在圆柱体部分的上端，驱动齿的数量为3-12个，每个驱动齿沿径向方向的投影为直梁和斜梁的复合结构，直梁的几何中心轴线和圆柱体部分的轴线平行，直梁的一端与圆柱体部分的前端联接，另一端悬伸；斜梁的一端和圆柱体部分的前端偏离直梁轴线的一侧联接，另一端和直梁的中间部位联接，斜梁的几何中心轴线和直梁的几何中心轴线成0-90度夹角，直梁和斜梁与圆柱体部分的联接处均为圆弧过渡联接。
2.根据权利要求1所述的单电信号驱动旋转超声电机，其特征在于：所述后盖板和所述心轴制作成分体式结构或一体化结构。
3.根据权利要求1或2所述的单电信号驱动旋转超声电机，其特征在于：所述椭圆振动模态转换器驱动齿末端粘接有A摩擦材料。
4.根据权利要求1或2所述的单电信号驱动旋转超声电机，其特征在于：所述摩擦盘上与驱动齿相接触的端面粘接有B摩擦材料。
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