CN102208881B - 具有离合和位移放大机构的盘式超声波电机及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有离合和位移放大机构的盘式超声波电机，包括呈圆盘形结构的定子、以及套装在定子外壁上并形成滑动配合的盘形转子构成，其特征在于，所述定子的一端端面上设置有延伸至转子内壁的离合压电条凹槽，所述离合压电条凹槽的侧壁分别连通有位置相对的旋转力臂凹槽和弹簧凹槽，所述旋转力臂凹槽远离离合压电条凹槽的一侧连通有驱动压电条凹槽；所述离合压电条凹槽内设置有离合压电条，旋转力臂凹槽内设置有旋转力臂，弹簧凹槽内设置有弹簧，驱动压电条凹槽内设置有驱动压电条。本发明还公开了一种基于上述具有离合和位移放大机构的盘式超声波电机该电机的工作方法。本发明推力大、效率高、损耗小、能够超低速运行、使用寿命长。

Description

具有离合和位移放大机构的盘式超声波电机及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种适用于机械设备、精密测量、计量、办公自动化设备、工业电器、家用电器、机器人、汽车、航空航天设备等各种场合的定位和驱动的具有离合和位移放大机构的盘式超声波电机及其工作方法。

背景技术

超声波电机是利用压电材料晶体在外电场作用下发生形变，以此为驱动力来产生运动的电动机。这种超声波电机有以下特点：

1、它不需要像传统感应式电机那样，是根据载流导体在磁场中受到电动力的原理，把电能转换为直线运动的机械能。

2、没有定子和转子部分的线圈和铁心，结构简单、体积小、重量轻、制造方便。

3、不受磁场影响、不产生电磁波。

4、力矩大、响应快，可超低速运行，速度易于控制。

5、步距小、精度高。

超声波电机适用于精密测量、计量、办公自动化设备、工业电器、家用电器、机器人、汽车、航空航天设备等各种场合的定位和驱动。

超声波电机的工作原理是利用压电材料的逆压电效应。如果将压电晶体置于外电场中，由于电场作用会引起晶体内部正负电荷重心位移，这一极化位移又导致晶体发生形变。如果外加电场的极性与压电体的极化方向一致，则压电体与电场垂直方向的长度增长；反之，当外加电场的极性与压电体的极化方向相反，则压电体与电场垂直方向的长度缩短。去除电场后，压电体恢复常态。重复地给压电体施加电场和去除电场，压电体就会重复地产生位移。这种位移就是超声波电机工作的动力。

但是，现有的超声波电机由于结构和力传递方式的原因，存在推力小、效率低、损耗大、寿命短、难以做到低速和超低速运行等缺陷，需要改进。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种推力大、效率高、损耗小、能够超低速运行、使用寿命长的具有离合和位移放大机构的盘式超声波电机。

本发明的另一目的是提供一种基于上述具有离合和位移放大机构的盘式超声波电机的工作方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：主要由呈圆盘形结构的定子、以及套装在定子外壁上并形成滑动配合的盘形转子构成，其特征在于，所述定子的一端端面上设置有延伸至转子内壁的离合压电条凹槽，所述离合压电条凹槽的侧壁分别连通有位置相对的旋转力臂凹槽和弹簧凹槽，所述旋转力臂凹槽远离离合压电条凹槽的一侧连通有驱动压电条凹槽；所述离合压电条凹槽内设置有离合压电条，旋转力臂凹槽内设置有旋转力臂，弹簧凹槽内设置有弹簧，驱动压电条凹槽内设置有驱动压电条；所述离合压电条包括顺时针离合压电条和逆时针径向压电条，旋转力臂包括顺时针旋转力臂和逆时针旋转力臂，弹簧一包括顺时针弹簧和逆时针弹簧，驱动压电条包括顺时针驱动压电条和逆时针驱动压电条；所述离合压电条凹槽、与离合压电条凹槽连通并位于其逆时针旋转方向一侧的旋转力臂凹槽、与离合压电条凹槽连通并位于其顺时针旋转方向一侧的弹簧凹槽、与旋转力臂凹槽远离离合压电条凹槽一侧连通的驱动压电条凹槽、设置在离合压电条凹槽内的顺时针离合压电条，设置在旋转力臂凹槽内的顺时针旋转力臂，设置在弹簧凹槽内的顺时针弹簧，设置在驱动压电条凹槽内的顺时针驱动压电条构成顺时针旋转驱动单元；所述离合压电条凹槽、与离合压电条凹槽连通并位于其顺时针旋转方向一侧的旋转力臂凹槽、与离合压电条凹槽连通并位于其逆时针旋转方向一侧的弹簧凹槽、与旋转力臂凹槽远离离合压电条凹槽一侧连通的驱动压电条凹槽、设置在离合压电条凹槽内的逆时针径向压电条，设置在旋转力臂凹槽内的逆时针旋转力臂，设置在弹簧凹槽内的逆时针弹簧一，设置在驱动压电条凹槽内的逆时针驱动压电条构成逆时针旋转驱动单元；所述顺时针旋转驱动单元和逆时针旋转驱动单元均至少为一个；所述旋转力臂凹槽内设置有旋转力臂转轴，旋转力臂套设在旋转力臂转轴上且能绕其转动；所述离合压电条凹槽内还设置有吸铁，且该吸铁设置在离合压电条远离转子内壁的一端。 

当电机只需单方向运行的功能时只设立顺时针旋转驱动单元或逆时针旋转驱动单元，当需要正反向运行的功能时则顺时针旋转驱动单元和逆时针旋转驱动单元都要设置，即顺时针旋转驱动单元和逆时针旋转驱动单元均至少为一个。

作为本发明的一种优选方式，顺时针旋转驱动单元和逆时针旋转驱动单元都为一个；本发明中的顺时针旋转驱动单元和逆时针旋转驱动单元的数目不限于此，也可根据实际需要另行选择。

现有的用于制造压电条的压电材料或元件，每次通断电周期的位移（伸缩）只能做到器件尺寸的千分之几或百分之几，如要增加每次通断电周期的位移（伸缩），必然增加压电条的长度或使用量，提高电机的制造成本。为了克服上述缺点，提高每个动作周期的位移行程，降低制造成本，本发明主张了位移放大机构，方法是：采用旋转力臂和旋转力臂转轴构成位移放大机构，旋转力臂靠近驱动压电条的一端的力臂小于另一端力臂的长度，驱动压电条的位移就被放大，调整旋转力臂两端的长度，即可调整位移放大的比例；同上述原理，旋转力臂靠近驱动压电条的一端的力臂大于另一端力臂的长度，驱动压电条的位移就缩小，驱动力就被放大。

所述定子的外壁上设置有定子端盖。

所述离合压电条、驱动压电条均通过电源线与外部电源相连，所述外部电源为电机的供电电源和控制电源；电源装置和控制装置按照预先的设定分别对电机各离合压电条、驱动压电条的通电的时间、矢量、频率以及逻辑顺序进行控制，从而控制电机的速度、推力、位移、运行方向；上述参数可预先设置且可根据使用要求随时修改。

所述旋转力臂凹槽内设置有旋转力臂转轴，旋转力臂套设在旋转力臂转轴上且能绕其转动。

所述离合压电条凹槽内还设置有吸铁，且该吸铁设置在离合压电条远离转子内壁的一端，与吸铁平面相邻的离合压电条凹槽壁上设置有导磁体，永久电磁吸铁与导磁体相吸，使得离合压电条的位置始终靠近远离转子内壁的一端。 

离合压电条凹槽的一侧连通有弹簧凹槽，弹簧凹槽内设置弹簧，去除离合压电条的电场后，在弹簧的作用下，离合压电条、旋转力臂回复到初始状态。

上述离合压电条和驱动压电条为压电材料加工而成的压电零件，具有施加高频电场时往长度方向伸长，失去电场后恢复至自然状态的特性，由于压电材料属于现有成熟技术，在此不再赘述。

上述定子和转子零部件的材质可以是金属材料也可以是非金属材料。

基于上述具有离合和位移放大机构的盘式超声波电机的工作方法，其特征在于，包括顺时针旋转工作过程和逆时针旋转工作过程，其中：

顺时针旋转工作过程：电机初始状态下，给顺时针旋转驱动单元中的顺时针离合压电条通电，使其伸长，接近并挤压转子内壁，使顺时针离合压电条与转子内壁之间形成静摩擦配合；给顺时针旋转驱动单元中的顺时针驱动压电条通电，使其伸长，推动顺时针旋转驱动单元中的顺时针旋转力臂绕旋转力臂转轴旋转，进而推动顺时针离合压电条带动电机转子沿顺时针方向旋转；断开顺时针离合压电条的电源，顺时针离合压电条收缩，顺时针离合压电条与转子内壁分离，断开顺时针驱动压电条的电源，顺时针驱动压电条收缩，在顺时针弹簧的作用下，顺时针驱动压电条和顺时针旋转力臂逆时针运动回复到初始状态；

逆时针旋转工作过程：电机初始状态下，给逆时针旋转驱动单元中的逆时针径向压电条通电，使其伸长，接近并挤压转子内壁，使逆时针径向压电条与转子内壁之间形成静摩擦配合；给逆时针旋转驱动单元中的逆时针驱动压电条通电，使其伸长，推动顺时针旋转驱动单元中的逆时针旋转力臂绕旋转力臂转轴旋转，进而推动逆时针径向压电条带动电机转子沿逆时针方向旋转；断开逆时针径向压电条的电源，逆时针径向压电条收缩，逆时针径向压电条与转子内壁分离，断开逆时针驱动压电条的电源，逆时针驱动压电条收缩，在顺时针弹簧的作用下，逆时针驱动压电条和逆时针旋转力臂顺时针运动回复到初始状态；

重复上述顺时针旋转工作过程，转子即相对于定子进行顺时针方向旋转的连续运动；重复上述逆时针旋转工作过程，转子即相对于定子进行逆时针方向旋转的连续运动。

上述电机工作方法针对只有一个顺时针旋转驱动单元和一个逆时针旋转驱动单元的情况，在实际工作中常常根据需要设计多个顺时针旋转驱动单元和逆时针旋转驱动单元，其驱动原理均建立在上述方法的基础上，在此不再赘述。

综上所述，本发明的有益效果是：

（1）本发明相对于现有的超声波电机，在同等输入功率下具有更大的推力；

（2）本发明相对于现有的超声波电机，可以具有更高或更低的运行速度；

（3）本发明相对于现有的超声波电机，具有更高的工作效率；

（4）本发明相对于现有的超声波电机，工作损耗小，使用寿命更长；

（5）本发明通过设置位移放大机构，提高了每个动作周期的位移行程，从而满足电机的工作要求，弥补采用现有压电材料位移量小的缺陷，降低了电机的制造成本。

附图说明

图1为本发明的内部结构示意图；

图2为本发明的整体结构示意图。

附图中标记及相应的零部件名称：1—定子；2—转子；3-1—顺时针离合压电条；3-2—逆时针径向压电条；4-1—顺时针旋转力臂；4-2—逆时针旋转力臂；5-1—顺时针弹簧；5-2—逆时针弹簧；6-1—顺时针驱动压电条；6-2—逆时针驱动压电条；7—定子端盖；8—电源线；9—旋转力臂转轴；10—吸铁。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

实施例1：

如图1和2所示，本发明主要由呈圆盘形结构的定子1、以及套装在定子1外壁上并形成滑动配合的盘形转子2构成，所述定子1的外壁上设置有定子端盖7，用于对转子2进行限位，使其不能轴向串动；所述定子1的一端端面上设置有延伸至转子2内壁的离合压电条凹槽，所述离合压电条凹槽的侧壁分别连通有位置相对的旋转力臂凹槽和弹簧凹槽，即旋转力臂凹槽和弹簧凹槽优先在离合压电条凹槽的侧壁圆周上相隔180°，从而能更好的起到复位作用，本发明中旋转力臂凹槽和弹簧凹槽的相对位置并不局限于此，只要位置在离合压电条凹槽的侧壁上大体相对即可实现复位作用；所述旋转力臂凹槽远离离合压电条凹槽的一侧连通有驱动压电条凹槽；所述离合压电条凹槽内设置有离合压电条，旋转力臂凹槽内设置有旋转力臂，弹簧凹槽内设置有弹簧，驱动压电条凹槽内设置有驱动压电条。

所述离合压电条凹槽、与离合压电条凹槽连通并位于其逆时针旋转方向一侧的旋转力臂凹槽、与离合压电条凹槽连通并位于其顺时针旋转方向一侧的弹簧凹槽、与旋转力臂凹槽远离离合压电条凹槽一侧连通的驱动压电条凹槽、设置在离合压电条凹槽内的顺时针离合压电条3-1，设置在旋转力臂凹槽内的顺时针旋转力臂4-1，设置在弹簧凹槽内的顺时针弹簧5-1，设置在驱动压电条凹槽内的顺时针驱动压电条6-1构成顺时针旋转驱动单元；所述离合压电条凹槽、与离合压电条凹槽连通并位于其顺时针旋转方向一侧的旋转力臂凹槽、与离合压电条凹槽连通并位于其逆时针旋转方向一侧的弹簧凹槽、与旋转力臂凹槽远离离合压电条凹槽一侧连通的驱动压电条凹槽、设置在离合压电条凹槽内的逆时针径向压电条3-2，设置在旋转力臂凹槽内的逆时针旋转力臂4-2，设置在弹簧凹槽内的逆时针弹簧5-2，设置在驱动压电条凹槽内的逆时针驱动压电条6-2构成逆时针旋转驱动单元；所述顺时针旋转驱动单元和逆时针旋转驱动单元均至少为一个；当电机只需单方向运行的功能时只设立顺时针旋转驱动单元或逆时针旋转驱动单元，当需要双向运行的功能时则顺时针旋转驱动单元和逆时针旋转驱动单元都要设置，即顺时针旋转驱动单元和逆时针旋转驱动单元均至少为一个，具体数目可以根据实际需求进行设计，图1和2中所示的电机即为顺时针旋转驱动单元和逆时针旋转驱动单元均为一个的情况，图1中右半部分为顺时针旋转驱动单元，左半部分为逆时针旋转驱动单元。

所述旋转力臂凹槽内设置有旋转力臂转轴9，旋转力臂套设在旋转力臂转轴9上且能绕其转动，从而构成类似杠杆原理的位移放大机构，使得位移放大效果更加明显。

所述离合压电条凹槽内还设置有吸铁10，且该吸铁10设置在离合压电条远离转子2内壁的一端，与吸铁平面相邻的离合压电条凹槽壁上设置有导磁体，永久电磁吸铁10与导磁体相吸，使得离合压电条的位置始终靠近远离转子2内壁的一端。

现结合图1和图2所示的电机，其中：顺时针旋转驱动单元位于图1中右半部分，逆时针旋转驱动单元位于图1中左半部分，详细阐述本发明的工作原理及其过程，包括顺时针旋转工作过程和逆时针旋转工作过程，其中：

顺时针旋转工作过程：电机初始状态下，给顺时针旋转驱动单元中的顺时针离合压电条3-1通电，使其伸长，接近并挤压转子2内壁，使顺时针离合压电条3-1与转子2内壁之间形成静摩擦配合；给顺时针旋转驱动单元中的顺时针驱动压电条6-1通电，使其伸长，推动顺时针旋转驱动单元中的顺时针旋转力臂4-1绕旋转力臂转轴9旋转，进而推动顺时针离合压电条3-1带动电机转子2沿顺时针方向旋转；断开顺时针离合压电条3-1的电源，顺时针离合压电条3-1收缩，顺时针离合压电条3-1与转子2内壁分离，断开顺时针驱动压电条6-1的电源，顺时针驱动压电条6-1收缩，在顺时针弹簧5-1的作用下，顺时针驱动压电条6-1和顺时针旋转力臂4-1逆时针运动回复到初始状态；；

逆时针旋转工作过程：电机初始状态下，给逆时针旋转驱动单元中的逆时针径向压电条3-2通电，使其伸长，接近并挤压转子2内壁，使逆时针径向压电条3-2与转子2内壁之间形成静摩擦配合；给逆时针旋转驱动单元中的逆时针驱动压电条6-2通电，使其伸长，推动顺时针旋转驱动单元中的逆时针旋转力臂4-2绕旋转力臂转轴9旋转，进而推动逆时针径向压电条3-2带动电机转子2沿逆时针方向旋转；断开逆时针径向压电条3-2的电源，逆时针径向压电条3-2收缩，逆时针径向压电条3-2与转子2内壁分离，断开逆时针驱动压电条6-2的电源，逆时针驱动压电条6-2收缩，在顺时针弹簧5-1的作用下，逆时针驱动压电条6-2和逆时针旋转力臂4-2顺时针运动回复到初始状态；

重复上述顺时针驱动过程，转子2即相对于定子1进行顺时针方向旋转的连续运动；重复上述逆时针驱动过程，转子2即相对于定子1进行逆时针方向旋转的连续运动。

上述电机工作方法针对只有一个顺时针旋转驱动单元和逆时针旋转驱动单元的情况，在实际工作中，为了使得转子2的顺时针旋转和逆时针旋转的距离或转矩更大，常常根据需要设计多个顺时针旋转驱动单元和逆时针旋转驱动单元，使其连续的进行顺时针旋转和逆时针旋转，直至达到需求的运动距离或转矩，其驱动原理均建立在上述方法的基础上，在此不再赘述。

所述离合压电条、驱动压电条均通过电源线8与外部电源相连，电源装置和控制装置分别给离合压电条和驱动压电条提供电源；电源装置和控制装置按照预先的设定分别对离合压电条和驱动压电条的通电的时间、矢量、频率以及逻辑顺序进行控制，从而控制电机的速度、推力、位移、运行方向；上述参数可预先设置且可根据使用要求随时修改。

如上所述，便可较好的实现本发明。

Claims (4)

1.具有离合和位移放大机构的盘式超声波电机，主要由呈圆盘形结构的定子（1）、以及套装在定子（1）外壁上并形成滑动配合的盘形转子（2）构成，其特征在于，所述定子（1）的一端端面上设置有延伸至转子（2）内壁的离合压电条凹槽，所述离合压电条凹槽的侧壁分别连通有位置相对的旋转力臂凹槽和弹簧凹槽，所述旋转力臂凹槽远离离合压电条凹槽的一侧连通有驱动压电条凹槽；所述离合压电条凹槽内设置有离合压电条，旋转力臂凹槽内设置有旋转力臂，弹簧凹槽内设置有弹簧一，驱动压电条凹槽内设置有驱动压电条；所述离合压电条包括顺时针离合压电条（3-1）和逆时针径向压电条（3-2），旋转力臂包括顺时针旋转力臂（4-1）和逆时针旋转力臂（4-2），弹簧一包括顺时针弹簧（5-1）和逆时针弹簧（5-2），驱动压电条包括顺时针驱动压电条（6-1）和逆时针驱动压电条（6-2）；所述离合压电条凹槽、与离合压电条凹槽连通并位于其逆时针旋转方向一侧的旋转力臂凹槽、与离合压电条凹槽连通并位于其顺时针旋转方向一侧的弹簧凹槽、与旋转力臂凹槽远离离合压电条凹槽一侧连通的驱动压电条凹槽、设置在离合压电条凹槽内的顺时针离合压电条（3-1），设置在旋转力臂凹槽内的顺时针旋转力臂（4-1），设置在弹簧凹槽内的顺时针弹簧（5-1），设置在驱动压电条凹槽内的顺时针驱动压电条（6-1）构成顺时针旋转驱动单元；所述离合压电条凹槽、与离合压电条凹槽连通并位于其顺时针旋转方向一侧的旋转力臂凹槽、与离合压电条凹槽连通并位于其逆时针旋转方向一侧的弹簧凹槽、与旋转力臂凹槽远离离合压电条凹槽一侧连通的驱动压电条凹槽、设置在离合压电条凹槽内的逆时针径向压电条（3-2），设置在旋转力臂凹槽内的逆时针旋转力臂（4-2），设置在弹簧凹槽内的逆时针弹簧一（5-2），设置在驱动压电条凹槽内的逆时针驱动压电条（6-2）构成逆时针旋转驱动单元；所述顺时针旋转驱动单元和逆时针旋转驱动单元均至少为一个；所述旋转力臂凹槽内设置有旋转力臂转轴（9），旋转力臂套设在旋转力臂转轴（9）上且能绕其转动；所述离合压电条凹槽内还设置有吸铁（10），且该吸铁（10）设置在离合压电条远离转子（2）内壁的一端。

2.根据权利要求1所述的具有离合和位移放大机构的盘式超声波电机，其特征在于，所述定子（1）的外壁上设置有定子端盖（7）。

3.根据权利要求1所述的具有离合和位移放大机构的盘式超声波电机，其特征在于，所述离合压电条、驱动压电条均通过电源线（8）与外部电源相连。

4.基于权利要求1-3所述任一项的具有离合和位移放大机构的盘式超声波电机的工作方法，其特征在于，包括顺时针旋转工作过程和逆时针旋转工作过程，其中：

顺时针旋转工作过程：电机初始状态下，给顺时针旋转驱动单元中的顺时针离合压电条（3-1）通电，使其伸长，接近并挤压转子（2）内壁，使顺时针离合压电条（3-1）与转子（2）内壁之间形成静摩擦配合；给顺时针旋转驱动单元中的顺时针驱动压电条（6-1）通电，使其伸长，推动顺时针旋转驱动单元中的顺时针旋转力臂（4-1）绕旋转力臂转轴（9）旋转，进而推动顺时针离合压电条（3-1）带动电机转子（2）沿顺时针方向旋转；断开顺时针离合压电条（3-1）的电源，顺时针离合压电条（3-1）收缩，顺时针离合压电条（3-1）与转子（2）内壁分离，断开顺时针驱动压电条（6-1）的电源，顺时针驱动压电条（6-1）收缩，在顺时针弹簧（5-1）的作用下，顺时针驱动压电条（6-1）和顺时针旋转力臂（4-1）逆时针运动回复到初始状态；

逆时针旋转工作过程：电机初始状态下，给逆时针旋转驱动单元中的逆时针径向压电条（3-2）通电，使其伸长，接近并挤压转子（2）内壁，使逆时针径向压电条（3-2）与转子（2）内壁之间形成静摩擦配合；给逆时针旋转驱动单元中的逆时针驱动压电条（6-2）通电，使其伸长，推动顺时针旋转驱动单元中的逆时针旋转力臂（4-2）绕旋转力臂转轴（9）旋转，进而推动逆时针径向压电条（3-2）带动电机转子（2）沿逆时针方向旋转；断开逆时针径向压电条（3-2）的电源，逆时针径向压电条（3-2）收缩，逆时针径向压电条（3-2）与转子（2）内壁分离，断开逆时针驱动压电条（6-2）的电源，逆时针驱动压电条（6-2）收缩，在逆时针弹簧（5-2）的作用下，逆时针驱动压电条（6-2）和逆时针旋转力臂（4-2）顺时针运动回复到初始状态；

重复上述顺时针旋转工作过程，转子（2）即相对于定子（1）进行顺时针方向旋转的连续运动；重复上述逆时针旋转工作过程，转子（2）即相对于定子（1）进行逆时针方向旋转的连续运动。

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