CN111327229A - 一种高转矩密度超声电机 - Google Patents

Abstract

本发明属于超声电机技术领域，具体涉及一种高转矩密度超声电机。本发明包括定子和转子，其特征在于：定子包括定子振动体、粘贴在定子振动体底部的硬质陶瓷片、粘贴在硬质陶瓷片底部的压电陶瓷片；硬质陶瓷片为氧化铝陶瓷片或碳化硅陶瓷片或氮化铝陶瓷片；定子振动体采用聚醚醚酮、聚醚砜、碳纤维增强型聚苯硫醚及碳纤维增强型聚醚醚酮中的一种材料或多种材料的混合。本发明利用在定子振动体与压电陶瓷片之间设置硬质陶瓷片，实现超声电机定子振动体产生的驱动力的提高，利用硬质陶瓷片厚度小、重量低的特点，在提高定子振动体驱动力的同时，重量并没有明显增加。从而提高电机的转矩密度和输出功率密度。

Description

一种高转矩密度超声电机

技术领域

本发明属于超声电机技术领域，具体涉及一种高转矩密度超声电机。

背景技术

超声电机是利用压电陶瓷超声频率的振动实现驱动的新型电机。与传统电磁电机相比，超声电机具备结构紧凑、设计灵活、响应快、断电自锁、不受电磁干扰等性能优势。另外，超声电机的转速低，无需齿轮机构调节速比，易于与机电系统集成。目前，超声电机应用于光学调焦设备、机器人、航空航天、微型机械等领域。可以说，超声电机技术是处于当今世界高新技术之一。在实际应用中，人们总希望使用的超声电机体积小、重量轻、效率高、价格便宜等。特别是用于航空航天、潜艇、电动汽车等特殊场合的超声电机，由于空间的限制，希望使用的超声电机体积更小、重量更轻、效率更高，也就是要求电动机有较高的转矩密度或功率密度。

目前，为提高超声电机的转矩密度和功率密度，通过将一种低机械损耗的功能性树脂材料聚苯硫醚粘贴在压电陶瓷表面，制作成具有双层复合结构定子的超声电机。聚苯硫醚树脂的低密度导致超声电机的低重量，使超声电机的转矩密度或功率密度有所提高，但聚苯硫醚树脂低弹性模量导致振动体刚度不足，因此该电机的转矩密度和功率密度还不能达到更高的要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的因聚苯硫醚树脂低弹性模量导致振动体刚度不足，使超声电机的转矩密度或功率密度达不到更高要求的缺陷，提供了一种高转矩密度超声电机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高转矩密度超声电机包括定子和转子，其特征在于：所述定子包括定子振动体、粘贴在所述定子振动体底部的硬质陶瓷片、粘贴在所述硬质陶瓷片底部的压电陶瓷片；所述硬质陶瓷片为氧化铝陶瓷片或碳化硅陶瓷片或氮化铝陶瓷片；所述定子振动体采用聚醚醚酮、聚醚砜、碳纤维增强型聚苯硫醚及碳纤维增强型聚醚醚酮中的一种材料或多种材料的混合。

进一步地，还包括基座和主轴；所述主轴一端固定在所述基座上，另一端设置有紧定螺母；所述定子振动体套设在所述主轴上且通过螺母与所述主轴固定连接；所述转子通过轴承与所述主轴转动连接；所述紧定螺母与所述所述轴承之间的所述主轴上套设有弹簧。

进一步地，所述定子振动体包括固定圆盘和设置在固定圆盘外围的对接振动体；所述对接振动体上均匀设置有多个凹槽，所述凹槽的延伸方向与所述主轴的轴向平行。

进一步地，所述对接振动体的未开槽部分厚度为所述定子厚度的1/4；所述固定圆盘的厚度小于所述定子厚度的1/10。

进一步地，所述硬质陶瓷片和压电陶瓷片均为圆环型；所述硬质陶瓷片、压电陶瓷片及定子振动体的外径相同，且通过环氧树脂粘贴固定。

进一步地，所述硬质陶瓷片的厚度为所述定子厚度的1/8，所述硬质陶瓷片的内径为外径的2/3。

进一步地，所述转子为外边沿设置有凸缘的圆盘，所述凸缘与所述对接振动体外边沿接触。

进一步地，所述螺母与所述固定圆盘之间安装有垫片。

进一步地，所述主轴与所述基座通过螺纹固定连接。

更近一步地，所述压电陶瓷片的电极均分为12等份；所述压电陶瓷片上其第1份、第5份、第9份加载sin驱动电压，第2份、第6份、第10份加载cos驱动电压，第3份、第7份、第11份加载-sin驱动电压，第4份、第8份、第12份加载-cos驱动电压。

本发明的一种高转矩密度超声电机的有益效果是：

1、本发明利用在定子振动体与压电陶瓷片之间设置硬质陶瓷片，使之形成三层复合结构定子的超声电机，利用硬质陶瓷材料的弹性模量远高于定子振动体材料，实现超声电机定子振动体产生的驱动力的提高。

2、本发明利用硬质陶瓷片厚度小、重量低的特点，在提高定子振动体驱动力的同时，重量并没有明显增加。从而提高电机的转矩密度和输出功率密度。本发明将硬质陶瓷片的厚度设计为定子厚度的1/8，其内径是外径的2/3，在保证定子振动体有足够驱动力的同时又避免了定子振动体出现应力集中的现象。

3、本发明的对接振动体上开设有多个凹槽，且对接振动体未开槽部分的厚度是定子厚度的1/4，有助于减少机械磨损同时能放大转动对接振动体上质点的振动位移。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例的整体结构图；

图2是本发明实施例的定子安装顺序图；

图3是本发明实施例的定子安装剖面图；

图4是本发明实施例的压电陶瓷片的电极分布图；

图5是本发明实施例的超声电机工作流程图。

图中:1、定子，11、定子振动体，111、固定圆盘，112、对接振动体，113、凹槽，12、硬质陶瓷片，13、压电陶瓷片，2、转子，21、凸缘，3、基座，4、主轴，5、螺母，51、垫片，6、轴承，7、弹簧，8、紧定螺母。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1-图5所示的本发明的一种高转矩密度超声电机的具体实施例，包括一种高转矩密度超声电机，包括定子1和转子2，其特征在于：定子1包括定子振动体11、粘贴在定子振动体11底部的硬质陶瓷片12、粘贴在硬质陶瓷片12底部的压电陶瓷片13；硬质陶瓷片12为氧化铝陶瓷片或碳化硅陶瓷片或氮化铝陶瓷片；定子振动体11采用聚醚醚酮、聚醚砜、碳纤维增强型聚苯硫醚及碳纤维增强型聚醚醚酮中的一种材料或多种材料的混合，本发明定子振动体11采用聚苯硫醚树脂材料。高转矩密度超声电机还包括基座3和固定在基座3上的主轴4；基座3上设置有螺纹孔，主轴4通过螺纹连接固定在基座3上，保证整个超声电机的稳定性。定子振动体11套设在主轴4上且通过螺母5与主轴4固定连接；在螺母5与定子振动体11之间安装有垫片51，增大接触面积,减小压力,防止松动,保护定子振动体11和螺母5不受磨损。

在本发明实施例中，如图1所示的主轴4一端固定在基座3上，另一端设置有紧定螺母8，转子2通过轴承6与主轴4转动连接；紧定螺母8与轴承6之间的主轴4上套设有弹簧7。定子振动体11包括固定圆盘111和设置在固定圆盘111外围的对接振动体112；固定圆盘111的厚度小于定子1厚度的1/10，对接振动体112上均匀设置有多个凹槽113，凹槽113的延伸方向与主轴4的轴向平行，对接振动体的未开槽部分厚度为定子1厚度的1/4，该结构设计降低了定子振动体11共振频率下的模态阶数，有助于减少机械磨损，提高使用寿命；同时可放大振动位移，有利于提高电机的机械性能，从而增大驱动效果。

本发明实施例中，整个定子振动体11为一个中空的圆盘结构，且转子2为外边沿设置有凸缘21的圆盘，凸缘21与对接振动体112外边沿接触，减少转子2在转动过程中，因摩擦面过大，而减少机械能的转化。其中硬质陶瓷片12和压电陶瓷片13均为圆环型，硬质陶瓷片12、压电陶瓷片13及定子振动体11的外径相同，且通过环氧树脂粘贴固定，因环氧树脂粘合剂在粘贴硬质陶瓷片12与定子振动体11、硬质陶瓷片12与压电陶瓷片13的过程中厚度比较薄，所以在实施例中将环氧树脂粘合剂的厚度忽略不计。

如图1-图3的本实施例中硬质陶瓷片12的厚度为定子1厚度的1/8，该设计保证超声电机定子振动体11具有足够的驱动力，硬质陶瓷片12的内径是外径的2/3，以避免定子振动体11出现应力集中的现象。

目前，通常通过将一种低机械损耗的功能性树脂材料聚苯硫醚粘贴在压电陶瓷片13表面，制作成具有双层复合结构定子的超声电机。功能性树脂材料聚苯硫醚作为超声电机定子振动体11使超声电机的重量降低，有利于提高超声电机的转矩密度和功率密度，但是聚苯硫醚树脂的弹性模量低，使定子振动体11的刚度不足，本发明实施例中在聚苯硫醚树脂材料做成的定子振动体11和压电陶瓷片13的中间粘贴一层硬质陶瓷片12，形成三层复合结构定子的超声电机，由于硬质陶瓷片12的厚度小，重量低，三层复合结构定子1的超声电机与双层结构定子1的超声电机相比，重量没有明显增加。因此，使用三层复合结构的定子1可提高电机的转矩密度和输出功率密度。如下表所示在驱动电压为250Vpp的条件下,对聚苯硫醚树脂粘连氧化铝陶瓷片再粘连压电陶瓷片的三层结构定子1的超声电机和聚苯硫醚树脂粘连压电陶瓷片的双层结构定子1的超声电机的性能进行了测试和对比。如下表所示，三层结构定子1的超声电机的最大输出转矩和最大输出功率分别是双层结构定子1的超声电机的5倍和13倍。从下表中的对比数据可以看出，本发明三层结构定子1的超声电机性能更好，有较高的转矩密度或功率密度。

本发明实施例与普通超声电机性能对比表：

如图4将压电陶瓷片13均分为12等份，为方便区分，依次标记为1-12共12个数字；压电陶瓷片13上其第1份、第5份、第9份加载sin驱动电压，第2份、第6份、第10份加载cos驱动电压，第3份、第7份、第11份加载-sin驱动电压，第4份、第8份、第12份加载-cos驱动电压。综合图1-图5所示，相邻的两个区域施加不同的驱动电压，通过压电陶瓷片13的逆压电效应，分别激励出两个振动的驻波，由于相邻两个区域施加的驱动电压相位相差90°，假设波长为λ，就形成相差λ/2相位差的波，使其对接振动体112表面的质点产生行波，形成椭圆运动，调节紧定螺母8给弹簧7一个预压力F，在预压力F的作用下弹簧7紧紧的压在转子2上的轴承6上，通过轴承6将预压力施加到转子2上，使转子2和对接振动体112之间形成摩擦力，这种摩擦力推动转子2转动。转子2除了主要结构材料外，在转子2的表面还粘结有摩擦材料，这有助于提高超声电机的性能，降低噪音、提高输出力矩、延长电机的使用寿命，本发明摩擦材料为环氧树脂基摩擦材料，制作成本低且耐磨性较好。

应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种高转矩密度超声电机，包括定子(1)和转子(2)，其特征在于：所述定子(1)包括定子振动体(11)、粘贴在所述定子振动体(11)底部的硬质陶瓷片(12)、粘贴在所述硬质陶瓷片(12)底部的压电陶瓷片(13)；所述硬质陶瓷片(12)为氧化铝陶瓷片或碳化硅陶瓷片或氮化铝陶瓷片；所述定子振动体(11)采用聚醚醚酮、聚醚砜、碳纤维增强型聚苯硫醚及碳纤维增强型聚醚醚酮中的一种材料或多种材料的混合。

2.根据权利要求1所述的一种高转矩密度超声电机，其特征在于：还包括基座(3)和主轴(4)；所述主轴(4)一端固定在所述基座(3)上，另一端设置有紧定螺母(8)；所述定子振动体(11)套设在所述主轴(4)上且通过螺母(5)与所述主轴(4)固定连接；所述转子(2)通过轴承(6)与所述主轴(4)转动连接；所述紧定螺母(8)与所述所述轴承(6)之间的所述主轴(4)上套设有弹簧(7)。

3.根据权利要求1所述的一种高转矩密度超声电机，其特征在于：所述定子振动体(11)包括固定圆盘(111)和设置在固定圆盘(111)外围的对接振动体(112)；所述对接振动体(112)上均匀设置有多个凹槽(113)，所述凹槽(113)的延伸方向与所述主轴(4)的轴向平行。

4.根据权利要求3所述的一种高转矩密度超声电机，其特征在于：所述对接振动体(112)的未开槽部分厚度为所述定子(1)厚度的1/4；所述固定圆盘(111)的厚度小于所述定子(1)厚度的1/10。

5.根据权利要求3所述的一种高转矩密度超声电机，其特征在于：所述转子(2)为外边沿设置有凸缘(21)的圆盘，所述凸缘(21)与所述对接振动体(112)外边沿接触。

6.根据权利要求1所述的一种高转矩密度超声电机，其特征在于：所述硬质陶瓷片(12)和压电陶瓷片(13)均为圆环型；所述硬质陶瓷片(12)、压电陶瓷片(13)及定子振动体(11)的外径相同，且通过环氧树脂粘贴固定。

7.根据权利要求1所述的一种高转矩密度超声电机，其特征在于：所述硬质陶瓷片(12)的厚度为所述定子(1)厚度的1/8，所述硬质陶瓷片(12)的内径为外径的2/3。

8.根据权利要求2所述的一种高转矩密度超声电机，其特征在于：所述螺母(5)与所述固定圆盘(111)之间安装有垫片(51)。

9.根据权利要求2任一项所述的一种高转矩密度超声电机，其特征在于：所述主轴(4)与所述基座(3)通过螺纹固定连接。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种高转矩密度超声电机，其特征在于：所述压电陶瓷片(13)的电极均分为12等份；所述压电陶瓷片(13)上其第1份、第5份、第9份加载sin驱动电压，第2份、第6份、第10份加载cos驱动电压，第3份、第7份、第11份加载-sin驱动电压，第4份、第8份、第12份加载-cos驱动电压。

Images