CN101572505B

CN101572505B - 一种旋转与直线两用超声电动机

Info

Publication number: CN101572505B
Application number: CN2009100586093A
Authority: CN
Inventors: 郭辉; 李讯波
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2029-03-16
Also published as: CN101572505A

Abstract

本发明公开了一种旋转与直线两用超声电动机，包括带齿条型中心孔的方形板体式定子及位于中心孔内的组合式转子，设于定子底面上环形压电陶瓷片，在陶瓷片上等弧度分为四个电极区、并将以中心为对称的两个极性相反的电极区分为一组，定子底面四边的中部还各设有一楔形驱动足；当同时给两组电极接通给定频率的交变电压时、电机作旋转运动；而当交替、单独给其中一组电极输入相应频率的交变电压时，电机则可分别作相互垂直的两自由度的直线运动；因而该发明具有功能多，综合性能强，旋转工作时输出力矩较大，有效地扩大了电机的应用范围，可为机电***等的小型化提供更为广泛的动力支持等特点。克服了背景技术存在的功能单一、适用范围窄等缺陷。

Description

一种旋转与直线两用超声电动机

技术领域

本发明属于超声应用领域中的一种电动力机，特别是一种可实现旋转与直线运动的超声电动机。该超声电动机作为微型动力装置可广泛应用于微、小型机器人及微、小型机电***等。

背景技术

超声电动机是一种工作原理有别于电磁电机的新型电动力机。这种电动机在给定的高频交变电压(流)的作用下，利用压电陶瓷的逆压电效应，首先通过粘接于定子的压电陶瓷片激发定子产生微观高频超声振动，然后利用摩擦力驱动与定子接触的转子或滑动件、进而带动电机运动。现有的超声电动机按照运动方式可以分为旋转型电机和直线型电机两大类。发明人在专利号为ZL01127037.3、发明名称为《薄形行波超声电机》的专利文献中公开了一种将压电陶瓷片粘贴于薄型金属圆环上组成定子，两块半圆形金属薄板组成转子并置于定子环内，通过弹簧的压力将其与定子环内侧面(压力)接触，形成面内弯曲驻波，从而制得其轴向不产生变形的旋转式超声电动机，该电机虽然具有薄型化等优点，但却存在面内驻波不易被激发，电机输出力矩较小且只能实现旋转运动等缺陷；而在专利号为01245063.3、发明名称为《直线型驻波超声电机》的专利文献中公开了一种由底部设有两个齿(爪)的定子及设于定子顶部的压电陶瓷片组成的超声电机，该电机虽然结构简单，但却存在只能作单向的直线运动；因而，上述超声电机均存在功能单一、只能提供旋转或者直线一种运动，综合性能差，适用范围窄等缺陷。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种旋转与直线两用超声电动机，在同一台电机上既能提供旋转运动又能提供两自由度的直线运动；以达到有效提高超声电动机的综合性能，扩大其使用功能和应用范围，为机电***等的小型化提供动力支持等目的。

本发明的解决方案是采用中心带圆孔的方形金属薄板作为定子，且沿中心孔内环面顺轴向设置齿条，定子薄板底面设四个楔形驱动足，在各驱动足与中心孔之间的定子底面上设置分为两个电极组(区)的环形压电陶瓷片，电机转子嵌装于定子中心孔内圈。当同时给压电陶瓷片两组分别接通给定频率的正弦和余弦高频交变电压时，在电机定子上分别激发出两个弯曲驻波，这两个驻波叠加为行波，在此行波作用下通过定子中心孔内小齿条的推动、使嵌装于定子中心孔内的转子转动；当单独给其中一组压电陶瓷片输入另一给定相应频率的交变电压时，则激发电动机定子产生另一个驻波，利用此驻波作用下定子薄板底面两个楔形驱动足的移动，带动电机沿工作面直线运动；而当单独给另一组压电陶瓷片输入与前一组相同频率的交变电压时，通过定子底面另外两个驱动足的移动，则可使电机沿着与前一运动方向垂直的直线方向运动；从而实现其发明目的。因此，本发明包括带齿条型中心孔的定子及位于该中心孔内的转子，以及设于定子上的环形压电陶瓷片，关键在于定子为方形金属板体式定子，在板体式定子底面四边的中部各设有一楔形驱动足，环形压电陶瓷片设于各驱动足与中心孔之间的定子底面上，且在环形压电陶瓷片上通过镀(涂)银的方式将陶瓷片等弧度分设为四个相互独立的电极区，并将以中心为对称的两个电极区作为一组、每组又将其设为极性相反的两极；而转子则为上、下两个梯形轴体组合而成的组合式转子；环形压电陶瓷片采用粘接式紧固于定子底面，组合式转子则嵌入式置于定子的中心孔内并通过定位销将其轴向固定。

上述四个相互独立的电极区，每个电极区设置一个整体式电极。而所述组合式转子，在转子上还设有动力输出轴或动力输出孔。所述楔形驱动足，位于同一轴线上两个楔形驱动足的角度相等、且方向相同。

本发明由于在定子板底面四边的中部各设有楔形驱动足，同时将压电陶瓷片等弧度分设为四个相互独立的电极(区)，并将以中心为对称的两个电极区作为一组、每组又将其设为极性相反的两极。当同时给压电陶瓷片两组分别接通给定频率的交变电压时设于定子中心孔内的转子转动；当交替单独给其中一组压电陶瓷片输入相应频率的交变电压时，电机则可沿工作面作相互垂直的两自由度的直线运动；又因本发明板块式定子设有中心孔、转子顺中心孔轴向设置，在旋转工作时形成的驻波为沿轴向的驻波，中心孔在轴和径向均产生形变，驻波激发容易，且输出力矩较大。因而，本发明具有在同一台电机上既能提供旋转运动、又能提供两自由度的直线运动，其功能多，综合性能强，旋转工作时输出力矩较大，有效地扩大了电机的应用范围，可为机电***等的小型化提供更为广泛的动力支持等特点。

附图说明

图1为本发明电机的结构示意图；

图2为图1的仰视图及压电陶瓷片极化分组(区)方式图；

图3为电机旋转工作时定子及其中心孔形变模式图；

图4为电机作直线运动时定子在一个周期内的变形机理及移动原理示意图。

图中：1.定子，1～1.楔形驱动足，2.压电陶瓷片(其中：A₁、A₂及B₁、B₂分别为同一组极性相反的两电极)，3～1.转子下体，3～2.转子上体，3～3.动力输出孔，4.定位销，5.弹簧。

具体实施方式

本实施例中：定子1采用(长×宽×厚)52×52×6mm的方形金属板，其上中心孔直径为Φ26mm、中心孔内环面上顺轴向均匀设置齿高为0.5mm的齿条，四个楔形驱动足1～1(宽×高)3×3mm、楔形角为45°同向设置；压电陶瓷片2通过强力胶与定子底面粘结成一体，其内、外径分别为Φ30mm及Φ50mm、厚0.5mm，其上通过镀银的方式将陶瓷片按90°分设为A₁、A₂及B₁、B₂四个相互独立的电极区，其中A₁、A₂及B₁、B₂分别为同一组极性相反的两电极，即当A₁、B₁为正极(或负极)时，A₂、B₂则为负极(或正极)；转子上、下体3～2、3～1大端直径为Φ28mm，小端与定子中心孔配合部公称直径亦为Φ26mm，高度为6mm，动力输出孔3～3直径Φ10mm、其上设一键槽，转子上、下体3～2、3～1均对应设置3个直径Φ4mm的定位孔，各孔中心线相距180°；各定位销4直径亦为Φ4mm，其上通过压力弹簧5自动调节转子上、下体3～2、3～1与定子1的轴向接触压力。

本实施例运行时：当要求电机旋转工作时，给压电陶瓷片的A₁、A₂及B₁、B₂两组分别输入频率等于电机旋转频率的正弦和余弦交变电压，则两组压电陶瓷片分别激发出两个沿轴向的弯曲驻波，中心孔在轴向和径向均产生如图3所示的形变(该图为通过有限元软件ANSYS自动设置的变形系数计算所成的图，而实际变形量为10^-6m)；由于A₁、A₂及B₁、B₂两组电极在压电陶瓷圆环上的设置方式、使两个驻波的相位相差四分之一个波长，因此，两个弯曲驻波叠加成行波，并利用此行波下定子中心孔圆周面上齿条的切向位移与法向位移推动转子转动。直线工作时，可按要求的运动方向选用压电陶瓷片A₁、A₂及B₁、B₂两组中对应的一组作为工作组，输入相应频率的交变电压，则在压电陶瓷片的激发下定子板体产生如下变形：定子板体上、下两面沿左——右及前——后方向均呈平面——曲面形(即呈双曲面的复合曲面形)——平面的周期性变形。图4所示即为定子在一个周期(T)内不同时刻的变形特征及产生直线运动的机理，图中所示正面为前端面形变示意图(由有限元软件计算所成图形)。即当：

时间t＝0时，定子静止于平衡位置，各点位移均为零；

在0＜t＜T/4的时间段内，定子产生复合弯曲变形，定子驱动足1向下弯曲，驱动足2和3受定子弯曲影响产生向右的摆动，驱动足4向上弯曲；驱动足1向下弯曲时，与地面接触点的运动速度可以分解为水平分量与竖直分量，由于水平速度分量较大，因此驱动足 1能够克服摩擦力向右移动；同理驱动足2和3在此时间段内也能够向右移动。

当t＝T/4时，各驱动足运动至极限位置；

在T/4＜t＜T/2时间段内，定子反向变形，驱动足1斜向上运动，与此同时驱动足2和3右端下落，驱动足4向下弯，因为驱动足2和3右端的下落，使电机向右移动S₁；

当t＝T/2时，各驱动足运动至平衡位置；

在T/2＜t＜3T/4时间段内，定子驱动足1向上弯曲，驱动足4向下弯曲，驱动足4向下弯曲时，与地面接触点的运动速度同样可以分解为水平分量与竖直分量，因为驱动足4的水平速度分量较小，竖直速度分量较大，导致驱动足4不能够克服摩擦力向左移动，水平位移为零；而由有限元计算结果，定子板体弯曲导致板体水平(投影)长度缩小，因而，导致驱动足2和3向右移动；

在3T/4＜t＜T的时间段内，定子驱动足1转为向下运动，驱动足2和3的左端下落，使电机最终向右移动S₂；

当t＝T时，各驱动足运动至平衡位置，电机定子完成一个周期的运动，整个运动周期里在驱动足的带动下，定子向右移动距离为S₁+S₂。

由于定子为正方形板体，当选择压电陶瓷片中另一组电极工作时，则可使电机产生与上述方向垂直的直线运动。

Claims

1.一种旋转与直线两用超声电动机，包括带齿条型中心孔的定子及位于该中心孔内的转子，以及设于定子上的环形压电陶瓷片，其特征在于定子为方形金属板体式定子，在板体式定子底面四边的中部各设有一楔形驱动足，环形压电陶瓷片设于各驱动足与中心孔之间的定子底面上，且在环形压电陶瓷片上通过镀银的方式将陶瓷片等弧度分设为四个相互独立的电极区，并将以中心为对称的两个电极区作为一组、每组又将其设为极性相反的两极；而转子则为上、下两个梯形轴体组合而成的组合式转子；环形压电陶瓷片采用粘接式紧固于定子底面，组合式转子则嵌入式置于定子的中心孔内并通过定位销将其轴向固定。

2.按权利要求1所述旋转与直线两用超声电动机，其特征在于所述四个相互独立的电极区，每个电极区为一个整体式电极。

3.按权利要求1所述旋转与直线两用超声电动机，其特征在于所述组合式转子，在转子上还设有动力输出轴或动力输出孔。

4.按权利要求1所述旋转与直线两用超声电动机，其特征在于所述楔形驱动足，其位于同一轴线上两个楔形驱动足的角度相等、且方向相同。