CN101388620B

CN101388620B - 夹心式圆筒定子及使用该定子的超声电机

Info

Publication number: CN101388620B
Application number: CN2008100648682A
Authority: CN
Inventors: 陈维山; 刘英想; 刘军考; 谢涛; 石胜君
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2008-07-07
Filing date: 2008-07-07
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2028-07-07
Also published as: CN101388620A

Abstract

夹心式圆筒定子及使用该定子的超声电机，它涉及压电超声电机技术领域。它解决了现有超声电机存在由于采用金属弹性体粘贴压电陶瓷薄片的方式进行激励而导致的机械输出能力受制约的问题。夹心式圆筒定子中的偶数个驱动组件固定在圆筒的外侧壁上，每对悬臂梁中间均固定有两对压电陶瓷片，圆筒的内侧均匀分布若干梳状驱动齿。使用该定子的超声电机中的带轴转子和无轴转子为圆台形，分别从定子的圆筒的上方和下方嵌入；胀圈安装在带轴转子和无轴转子的外表面，其内表面具有与带轴转子、无轴转子的外表面相同的锥度，膨胀环安装在胀圈的外表面，通过碟形弹簧和锁紧螺母实现转子组件的预紧。本发明具有机电耦合效率高、可实现大力矩输出的优点。

Description

夹心式圆筒定子及使用该定子的超声电机

技术领域

本发明涉及一种夹心式圆筒定子及使用该定子的超声电机，属于压电超声电机技术领域。

背景技术

压电超声电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应，在弹性体中激励出超声频段内的振动，在弹性体表面特定点或特定区域形成具有特定轨迹的质点运动，进而通过定子、转子之间的摩擦耦合将质点的微观运动转换成转子的宏观运动，具有低速大转矩、无需变速机构、无电磁干扰、响应速度快和断电自锁等优点，作为一种压电驱动器有着十分广泛的应用。出于激励原理的简单性和理论分析方法的简便性，目前压电超声电机大多采用金属弹性体粘贴压电陶瓷薄片的方式进行激励，由于受压电陶瓷的d₃₁模式机电耦合效率和陶瓷材料抗拉强度低，以及胶层的强度和疲劳寿命等的限制，这样的激励方式使得超声电机的机械输出能力受到严重制约。

发明内容

为了解决现有超声电机存在的由于采用金属弹性体粘贴压电陶瓷薄片的方式进行激励而导致的机械输出能力受制约的问题，本发明提供了一种夹心式圆筒定子及使用该定子的超声电机。

夹心式圆盘定子，它由驱动圆筒和偶数个驱动组件组成；所述驱动圆筒由圆筒、薄壁环和法兰组成；所述薄壁环设置在圆筒和法兰之间；所述圆筒的中心轴、薄壁环的中心轴和法兰的中心轴位于同一轴线上；所述驱动组件由两个悬臂梁、四片压电陶瓷片、调整垫片、铜片电极、预紧螺钉、预紧螺母和绝缘套组成；所述两个悬臂梁的侧端面与圆筒的外表面固定连接，四片压电陶瓷片装设在所述两个悬臂梁之间，两对压电陶瓷片之间装设有调整垫片，在每相邻两片压电陶瓷片之间、压电陶瓷片与调整垫片之间以及悬臂梁与压电陶瓷片之间分别装设有铜片电极；在所述压电陶瓷片、调整垫片和铜片电极三个部件分别和预紧螺钉之间装设有绝缘套；所述四片压电陶瓷片沿厚度方向极化且相邻两个压电陶瓷片的极化方向相反；所述悬臂梁、压电陶瓷片、调整垫片和铜片电极通过预紧螺钉和预紧螺母紧固连接成一体。

使用夹心式圆筒定子的超声电机，它由夹心式圆筒定子、转子组件、外罩、轴承座、轴承预紧盖、轴承、第一螺钉组、第二螺钉组和第三螺钉组组成；所述转子组件由带轴转子、无轴转子、联接键、橡胶垫、碟形弹簧、锁紧螺母、胀圈和膨胀环组成；所述带轴转子和无轴转子为圆台形，带轴转子的细端和无轴转子的细端分别从夹心式圆筒定子圆筒的下方和上方嵌入并通过联接键相连；胀圈安装在带轴转子和无轴转子的外表面；膨胀环安装在胀圈的外表面；所述轴承座通过第一螺钉组固定在夹心式圆筒定子法兰上；所述带轴转子通过安装在轴承座上的轴承与夹心式圆筒定子转动联接，轴承通过轴承预紧盖和第二螺钉组实现预紧；转子组件通过装设在无轴转子上端面的橡胶垫、碟形弹簧和锁紧螺母实现预紧；外罩通过第三螺钉组装设在夹心式圆筒定子法兰上。

本发明提供的夹心式圆筒定子，压电陶瓷元件采用夹心结构，采用压电陶瓷高机电耦合效率的d₃₃模式工作，解决粘贴压电陶瓷片式压电超声电机机电耦合效率低、机械输出能力差的问题，并通过圆筒和悬臂梁的一体化构型简化了结构，提高了圆筒弹性体表面质点振动轨迹的可控性。当圆筒工作在n阶弯曲振动模态时，夹心式圆筒定子所含驱动组件的个数最多为2(n-1)，其中n∈{2，3，4，...}，任意两个驱动组件中心面之间的夹角θ₁满足：θ₁＝90°×m/n，其中m∈{3，...，4n-3}，所有驱动组件分为两组进行激励，同组任意两个驱动组件中心面之间的夹角θ₂满足：θ₂＝180°×m/n，其中m∈{2，...，2n-2}；可根据实际需要的输出力矩和尺寸限制灵活的选择圆筒定子弯振模态的阶数和驱动组件的个数。利用压电陶瓷片的纵向振动，通过控制输入激励信号，实现两组驱动组件在定子圆筒上激励出两个幅值相等、在时间和空间上均相差π/2的弯振模态响应，两个弯振模态响应叠加在定子圆筒上形成行波，进而定子驱动齿表面质点产生椭圆运动轨迹，通过和转子组件之间的摩擦耦合实现转子的宏观运动输出。本发明通过调整压电陶瓷片矩形截面两边比值、圆筒内径尺寸、圆筒外径尺寸、以及圆筒的高度实现驱动组件纵振固有频率和圆筒弯振固有频率之间的简并。薄壁环可以实现弹性支撑和振动隔离，将定子组件与外部零件的联接对圆筒的弯曲振动模态的影响程度降到最低。

本发明提供的使用夹心式圆筒定子的超声电机通过叠形弹簧和锁紧螺母施加预紧力，由于带轴转子、无轴转子和胀圈之间的锥面的作用，预紧力通过胀圈向外径向传递给膨胀环，进而引起膨胀环的径向膨胀，实现了转子组件和定子组件的预紧，同时使得带轴转子、无轴转子和胀圈之间过盈配合，最终实现了转子组件的转动输出；胀圈轴向开有通槽，保证了预紧力转化为沿周向均布的径向力，从而有效的传递到膨胀环上；膨胀环是很薄的金属环，在胀圈产生的沿周向均布的径向力的作用下产生径向膨胀，从而使得转子组件压紧定子，保证了膨胀环和定子驱动齿表面的良好接触；定子组件和转子组件之间采用柱面驱动，增加了定子组件和转子组件的接触区域，可有效的提高电机的输出力矩；通过安装在轴承座上的轴承实现了转子组件的支撑，可降低径向载荷对电机输出特性的影响。

本发明提供的定子和超声电机具有结构简单、设计灵活、机电耦合效率高、可实现大力矩输出、性能稳定、易于控制、可系列化生产的优点。

附图说明

图1为本发明提出的夹心式圆筒定子包含4个驱动组件1-8时的结构示意图；图2为图1的横剖视图；图3为夹心式圆筒定子中驱动圆筒1-1的结构示意图；图4为夹心式圆筒定子中的4个驱动组件1-8的压电陶瓷片1-8-2的极化方向示意图；图5为夹心式圆筒定子的超声电机的纵剖视图；图6是使用夹心式圆筒定子的超声电机中胀圈2-7的结构示意图；图7是图1所示的夹心式圆筒定子中的驱动组件1-8激励信号输入示意图，其中图中输入的交流电压信号满足：V₁＝Acos(2πt/T)，V₂＝Asin(2πt/T)，V₀＝0，V₁为第一组夹心驱动组件的电压激励信号，V₂为第二组夹心驱动组件的电压激励信号，A为激励电压信号幅值，T为激励电压信号周期，t为时间，两组驱动组件的电压激励信号幅值相等、频率为驱动组件自身纵振谐振频率、相位差为+90°；图8至图11是夹心式圆筒定子中的驱动组件1-8采用如图7所示交流电压信号激励时，一个完整振动周期内的振型变化示意图，为定子周向展开图，具体为定子五阶弯振模态的振型变化示意图；图8是t＝nT(n＝0，1，2...)时刻的定子振型示意图；图9是t＝(n+1/4)T(n＝0，1，2...)时刻的定子振型示意图；图10是t＝(n+1/2)T(n＝0，1，2...)时刻的定子振型示意图；图11是t＝(n+3/4)T(n＝0，1，2...)时刻的定子振型示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图4说明本实施方式，本实施方式由驱动圆筒1-1和偶数个驱动组件1-8组成；所述驱动圆筒1-1由圆筒1-1-1、薄壁环1-1-2和法兰1-1-3组成；所述薄壁环1-1-2设置在圆筒1-1-1和法兰1-1-3之间；所述圆筒1-1-1的中心轴、薄壁环1-1-2的中心轴和法兰1-1-3的中心轴位于同一轴线上；所述驱动组件1-8由两个悬臂梁1-8-1、四片压电陶瓷片1-8-2、调整垫片1-8-3、铜片电极1-8-4、预紧螺钉1-8-5、预紧螺母1-8-6和绝缘套1-8-7组成；所述两个悬臂梁1-8-1的侧端面与圆筒1-1-1的外表面固定连接，四片压电陶瓷片1-8-2装设在所述两个悬臂梁1-8-1之间，两对压电陶瓷片1-8-2之间装设有调整垫片1-8-3，在压电陶瓷片1-8-2之间、压电陶瓷片1-8-2与调整垫片1-8-3之间以及悬臂梁1-8-1与压电陶瓷片1-8-2之间分别装设有铜片电极1-8-4；在所述压电陶瓷片1-8-2、调整垫片1-8-3、铜片电极1-8-4和预紧螺钉1-8-5之间装设有绝缘套1-8-7；所述四片压电陶瓷片1-8-2沿厚度方向极化且相邻两个压电陶瓷片1-8-2的极化方向相反；所述悬臂梁1-8-1、压电陶瓷片1-8-2、调整垫片1-8-3和铜片电极1-8-4通过预紧螺钉1-8-5和预紧螺母1-8-6紧固连接成一体。当圆筒工作在n阶弯曲振动模态时，所述夹心式圆筒定子所含驱动组件(1-8)的个数最多为2(n-1)，其中n∈{2，3，4，...}，任意两个驱动组件(1-8)中心面之间的夹角θ₁满足：θ₁＝90°×m/n，其中m∈{3，...，4n-3}，所有驱动组件(1-8)分为两组进行激励，同组任意两个驱动组件(1-8)中心面之间的夹角θ₂满足：θ₂＝180°×m/n，其中m∈{2，...，2n-2}。

本实施方式所述的夹心式圆筒定子的工作原理是：所述驱动组件(1-8)采用与自身纵振谐振频率相同频率的交流电压来激励，所有驱动组件(1-8)分为两组进行激励，如图7～图11所示，两组驱动组件采用幅值相等、频率为驱动组件自身纵振谐振频率、相位差为+90°的交流电压信号激励时，利用压电陶瓷片的纵向振动实现在定子圆筒上激励出两个幅值相等、在时间和空间上均相差π/2的弯振模态响应，两个弯振模态响应叠加在定子圆筒上形成行波，驱动齿表面质点产生椭圆运动轨迹，进而通过驱动齿和转子之间的摩擦耦合实现转子的宏观运动输出；如果调整两路激励信号的相位差为-90°，可以改变行波的方向，最终实现电机转子反向运动；通过调整压电陶瓷片矩形截面两边比值、圆筒内径尺寸、圆筒外径尺寸、以及圆筒的高度实现驱动组件纵振固有频率和圆筒弯振固有频率之间的简并；薄壁环可以实现弹性支撑和振动隔离，将定子组件与外部零件的联接对圆筒的弯曲振动模态的影响程度降到最低；通过修磨调整垫片，实现电陶瓷片、调整垫片和铜片电极在预紧螺钉和预紧螺母施加的定值预紧力下的厚度和一对悬臂梁之间的槽宽相等。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点在于所述圆筒1-1-1、薄壁环1-1-2、法兰1-1-3和悬臂梁1-8-1采用一整块金属材料加工成一体件。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。采用这种结构能够达到减少能量损失的目的，有利于提高驱动齿表面质点振动轨迹的可控性。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同点在于两个悬臂梁1-8-1的两个中心面之间的距离为半个圆筒弯曲振动的波长。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图1～图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于所述圆筒1-1-1的内表面加工有连续梳状驱动齿1-1-4。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。增加连续梳状驱动齿1-1-4的目的在于放大夹心式圆筒定子圆筒1-1-1表面质点振动轨迹幅值，提高定子的机械输出特性。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同点在于所述悬臂梁1-8-1、压电陶瓷片1-8-2、调整垫片1-8-3以及铜片电极1-8-4与压电陶瓷片1-8-2的接触区域的横截面为矩形。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。这种形状可以很好地简化加工工艺。

具体实施方式六：结合图5、图6说明本实施方式，本实施方式由具体实施方式一所述的夹心式圆筒定子、转子组件2、外罩3、轴承座4、轴承预紧盖5、轴承6、第一螺钉组7、第二螺钉组8和第三螺钉组9组成；所述转子组件2由带轴转子2-1、无轴转子2-2、联接键2-3、橡胶垫2-4、碟形弹簧2-5、锁紧螺母2-6、胀圈2-7和膨胀环2-8组成；所述带轴转子2-1和无轴转子2-2为圆台形，带轴转子2-1的细端和无轴转子2-2的细端分别从夹心式圆筒定子圆筒1-1-1的下方和上方嵌入并通过联接键2-3相连；胀圈2-7安装在带轴转子2-1和无轴转子2-2的外表面；膨胀环2-8安装在胀圈2-7的外表面；所述轴承座4通过第一螺钉组7固定在夹心式圆筒定子法兰1-1-3上；所述带轴转子2-1通过安装在轴承座4上的轴承6与夹心式圆筒定子转动联接，轴承6通过轴承预紧盖5和第二螺钉组8实现预紧；转子组件2通过装设在无轴转子2-2上端面的橡胶垫2-4、碟形弹簧2-5和锁紧螺母2-6实现预紧；外罩3通过第三螺钉组装设在夹心式圆筒定子法兰1-1-3上。本实施方式中的使用夹心式圆筒定子的超声电机的夹心式圆筒定子和转子组件2之间采用柱面驱动，增加了夹心式圆筒定子和转子组件2的接触区域，有效的提高电机的输出力矩；通过安装在轴承座4上的轴承6实现了转子组件的支撑，降低径向载荷对电机输出特性的影响。外罩3实现了对电机的封装和保护。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同点在于胀圈2-7上开有平行于轴线方向的通槽；其它组成和连接方式与具体实施方式六相同。开有通槽的目的是使预紧力转化为沿周向均布的径向力，保证预紧力有效地传递到膨胀环2-8上。

具体实施方式八：结合图6说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式六不同点在于胀圈2-7内表面具有与带轴转子2-1外表面和无轴转子2-2外表面相同的锥度。其它组成和连接方式与具体实施方式六相同。这种结构可以保证通过碟形弹簧2-5和锁紧螺母2-6施加的预紧力通过胀圈2-7向外径向传递给膨胀环2-8，进而引起膨胀环的径向膨胀，实现了转子组件2和夹心式圆筒定子的预紧，保证了膨胀环2-8与夹心式圆筒定子驱动齿1-1-5表面的良好接触，同时使得带轴转子2-1、无轴转子2-2和胀圈2-7之间过盈配合，最终实现了转子组件2的转动输出。

Claims

1.夹心式圆筒定子，它由驱动圆筒(1-1)和偶数个驱动组件(1-8)组成；其特征在于所述驱动圆筒(1-1)由圆筒(1-1-1)、薄壁环(1-1-2)和法兰(1-1-3)组成；所述薄壁环(1-1-2)设置在圆筒(1-1-1)和法兰(1-1-3)之间；所述圆筒(1-1-1)的中心轴、薄壁环(1-1-2)的中心轴和法兰(1-1-3)的中心轴位于同一轴线上；所述驱动组件(1-8)由两个悬臂梁(1-8-1)、四片压电陶瓷片(1-8-2)、调整垫片(1-8-3)、铜片电极(1-8-4)、预紧螺钉(1-8-5)、预紧螺母(1-8-6)和绝缘套(1-8-7)组成；所述两个悬臂梁(1-8-1)的侧端面与圆筒(1-1-1)的外表面固定连接，四片压电陶瓷片(1-8-2)装设在所述两个悬臂梁(1-8-1)之间，两对压电陶瓷片(1-8-2)之间装设有调整垫片(1-8-3)，在压电陶瓷片(1-8-2)之间、压电陶瓷片(1-8-2)与调整垫片(1-8-3)之间以及悬臂梁(1-8-1)与压电陶瓷片(1-8-2)之间分别装设有铜片电极(1-8-4)；在所述压电陶瓷片(1-8-2)、调整垫片(1-8-3)和铜片电极(1-8-4)三个部件分别和预紧螺钉(1-8-5)之间装设有绝缘套(1-8-7)；所述四片压电陶瓷片(1-8-2)沿厚度方向极化且相邻两个压电陶瓷片(1-8-2)的极化方向相反；所述悬臂梁(1-8-1)、压电陶瓷片(1-8-2)、调整垫片(1-8-3)和铜片电极(1-8-4)通过预紧螺钉(1-8-5)和预紧螺母(1-8-6)紧固连接成一体。

2.根据权利要求1所述的夹心式圆筒定子，其特征在于所述圆筒(1-1-1)、薄壁环(1-1-2)、法兰(1-1-3)和悬臂梁(1-8-1)采用一整块金属材料加工成一体件。

3.根据权利要求1所述的夹心式圆筒定子，其特征在于两个悬臂梁(1-8-1)的两个中心面之间的距离为半个圆筒弯曲振动的波长。

4.根据权利要求1所述的夹心式圆筒定子，其特征在于所述圆筒(1-1-1)的内表面加工有连续梳状驱动齿(1-1-4)。

5.根据权利要求1所述的夹心式圆筒定子，其特征在于所述悬臂梁(1-8-1)、调整垫片(1-8-3)以及铜片电极(1-8-4)三个部件与压电陶瓷片(1-8-2)两两之间的接触区域为矩形。

6.使用权利要求1、2、3、4或5所述的夹心式圆筒定子的超声电机，它由夹心式圆筒定子、转子组件(2)、外罩(3)、轴承座(4)、轴承预紧盖(5)、轴承(6)、第一螺钉组(7)、第二螺钉组(8)和第三螺钉组(9)组成；其特征在于所述转子组件(2)由带轴转子(2-1)、无轴转子(2-2)、联接键(2-3)、橡胶垫(2-4)、碟形弹簧(2-5)、锁紧螺母(2-6)、胀圈(2-7)和膨胀环(2-8)组成；所述带轴转子(2-1)和无轴转子(2-2)为圆台形，带轴转子(2-1)的细端和无轴转子(2-2)的细端分别从夹心式圆筒定子圆筒(1-1-1)的下方和上方嵌入并通过联接键(2-3)相连；胀圈(2-7)安装在带轴转子(2-1)和无轴转子(2-2)的外表面；膨胀环(2-8)安装在胀圈(2-7)的外表面；所述轴承座(4)通过第一螺钉组(7)固定在夹心式圆筒定子法兰(1-1-3)上；所述带轴转子(2-1)通过安装在轴承座(4)上的轴承(6)与夹心式圆筒定子转动联接，轴承(6)通过轴承预紧盖(5)和第二螺钉组(8)实现预紧；转子组件(2)通过装设在无轴转子(2-2)上端面的橡胶垫(2-4)、碟形弹簧(2-5)和锁紧螺母(2-6)实现预紧；外罩(3)通过第三螺钉组装设在夹心式圆筒定子法兰(1-1-3)上。

7.根据权利要求6所述的使用夹心式圆筒定子的超声电机，其特征在于胀圈(2-7)上开有平行于胀圈(2-7)轴线方向的通槽。

8.根据权利要求6所述的使用夹心式圆筒定子的超声电机，其特征在于胀圈(2-7)内表面具有与带轴转子(2-1)外表面和无轴转子(2-2)外表面相同的锥度。