CN103208943B - 一种单激励旋转超声电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单激励旋转超声电机，转子包括转盘和设置在转盘表面的摩擦层；定子包括超声振动换能器、椭圆振动模态转换器和设置在椭圆振动模态转换器前端的摩擦驱动块；超声振动换能器包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板，前盖板和螺栓通过螺纹联接；椭圆振动模态转换器设置在前盖板的前端，其整体为圆柱形，上下两侧开设有三个错位分布的矩形缺口，可以将超声振动换能器产生的纵向超声振动转换为椭圆振动模态转换器末端及摩擦驱动块的椭圆振动，并驱动转子进行连续旋转运动。

Description

一种单激励旋转超声电机

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，尤其是涉及一种单激励旋转超声电机。

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，直接驱动负载。因其具有体积小、重量轻、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，在医疗、航空航天、机器人、MEMS 等技术领域得到了日益广泛的应用。

目前已有的旋转型超声电机中，主要采用面外的弯曲振动模态复合成端面行波，并驱动转子转动，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等问题；另外，即使采用了面内振动模态，为了能够施加面内的径向预紧力，振子或转子的圆盘或圆环做成两个半圆盘或半圆环，中间通过弹簧联接成圆盘或圆环以施加面内的径向预紧力，目前也很难实现大转矩，且工作可靠性低。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，但电动机的六片压电陶瓷片按极化分区要相互错开60安装，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；因而，此类旋转超声电动机存在结构复杂，对定子与转子之间的接触位置精度要求高，制造安装较困难，电机转矩和速度的稳定性差等缺陷。

发明内容

本发明提供了一种新型的单激励旋转超声电机，目的是为了克服上述旋转超声电机中存在的不足。

一种单激励旋转超声电机，包括定子和转子，转子包括转盘和设置在转盘表面的摩擦层；定子包括超声振动换能器、椭圆振动模态转换器和摩擦驱动块；超声振动换能器包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板，前盖板和螺栓通过螺纹联接将后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板压紧固定，构成了单激励旋转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超声换能器的超声振动能量。

所述的椭圆振动模态转换器和前盖板制作成一个整体设置在前盖板的前端，或者利用一个附加的联接螺柱将椭圆振动模态转换器联接在前盖板的前端，椭圆振动模态转换器整体为圆柱形，其上下两侧开设有三个错位分布的矩形缺口，设置矩形缺口的目的是为了改变超声振动换能器的振动模态，使其纵向振动模态频率和弯曲振动模态频率接近或相等，将超声振动换能器产生的纵向超声振动转换为椭圆振动模态转换器末端的纵弯复合超声椭圆振动。所述的摩擦驱动块通过焊接或粘接方式设置在椭圆振动模态转换器的前端，摩擦驱动块与转盘上的摩擦层相接触。超声振动换能器的法兰盘用来安装定子和预压力装置，将定子和转子连接成一整体构成单激励旋转超声电机，经法兰盘固定后的超声振动换能器轴线与转盘平面的夹角为20度~160度。

当超声电源输出的超声电信号接入到超声振动换能器的电极片后，超声振动换能器即产生超声振动，超声振动能量从超声振动换能器传递到椭圆振动模态转换器末端后，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末端的纵弯复合超声椭圆振动；并驱动摩擦驱动块和椭圆振动模态转换器末端一起做超声椭圆振动，进而驱动转子进行连续旋转运动。相比现有文献介绍的单激励旋转超声电机，该旋转超声电机具有功率容量大、能量转换效率高、结构简单，制造容易、成本低、结构刚度大、控制驱动***简单和振动性能稳定等优点。

更进一步，所述的单激励旋转超声电机只有一组纵向振动压电陶瓷片。

更进一步，所述的单激励旋转超声电机只需一路超声电信号激励。

本发明采用了机械振动模态转换机理把超声换能器的纵向振动转换为椭圆振动模态转换器的纵弯复合超声椭圆振动，简化了单激励旋转超声电机的整体结构，大大降低了振动***的复杂程度，降低了制造、装配难度和生产成本，整个单激励旋转超声电机结构简单、制造容易，有利于微型化目标的实现；另外该发明仅需要一路控制电路及超声电信号进行激励，控制难度低，避免了两相或多相超声振动复合形成椭圆振动换能器的复杂超声电源开发费用，简化了控制电路及超声电源结构，降低了控制电路及超声电源成本，减小了控制电路及超声电源体积，易于实现控制电路及超声电源的微型化，集成化，提高了可靠性，工作性能更加稳定，应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的应用实例示意图。

图中标号说明：1.螺栓，2.后盖板，3.压电陶瓷片，4.电极片，5.前盖板，6. 椭圆振动模态转换器，7.矩形缺口，8.转盘，9.摩擦层，10摩擦驱动块，11.超声电源

具体实施方式

结合图1所示，一种单激励旋转超声电机，包括定子和转子，转子包括转盘8和粘接在转盘8表面的摩擦层9；定子包括超声振动换能器、椭圆振动模态转换器6和摩擦驱动块10；超声振动换能器包括螺栓1及依次套设在螺栓1上的后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4和前盖板5，前盖板5和螺栓1通过螺纹联接将后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4和前盖板5压紧固定。该单激励旋转超声电机只有一组纵向振动压电陶瓷片3，压电陶瓷换能器段直径30mm，压电陶瓷片3的材料为PZT-8，尺寸为：Ф30mm×Ф15mm×5mm，片数为2片。

所述的椭圆振动模态转换器6和前盖板5制作成一个整体设置在前盖板5的前端，椭圆振动模态转换器6整体为圆柱形，直径15mm，上下两侧开设有三个错位分布的矩形缺口7，三个矩形缺口7宽度为6mm，深度为3mm，三个矩形缺口7的中心距前端面的距离分别为15mm，25mm，35mm。所述的摩擦驱动块10通过粘接设置在椭圆振动模态转换器6的前端，摩擦驱动块10与转盘8上的摩擦层9相接触。利用超声振动换能器的法兰盘进行安装定子和预压力装置，将定子和转子连接成一整体构成单激励旋转超声电机，经法兰盘固定后的超声振动换能器轴线与转盘8平面的夹角为45度。

该单激励旋转超声电机定子固有频率为25.32KHz，阻抗为86欧姆，动态电阻为17欧姆，只需一路超声电信号激励，超声电源11输出电压范围为0-400V，电流范围为0-4A，输出频率为25.32±0.01KHz，且超声电源11在指定频率范围内具有自动频率跟踪功能。

结合图2所示，当超声电源输出的超声电信号接入到超声振动换能器的电极片4后，超声振动换能器即产生超声振动，超声振动能量从超声振动换能器传递到椭圆振动模态转换器6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6末端的纵弯复合超声椭圆振动；并驱动摩擦驱动块10和椭圆振动模态转换器6末端一起做超声椭圆振动。运行10分钟后***达到稳定振动状态，超声电源11的输出电压为240V，电流为1.45A，当摩擦驱动块和转子接触后，驱动转子进行连续旋转运动，直径为40mm的转盘8的边缘周向线速度峰值为56.2mm/s。

Claims (5)

1.一种单激励旋转超声电机，包括转子和定子，转子包括转盘和设置在转盘表面的摩擦层；其特征在于：所述的定子包括超声振动换能器、椭圆振动模态转换器和摩擦驱动块；超声振动换能器包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板，前盖板和螺栓通过螺纹联接将后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板压紧固定；所述的椭圆振动模态转换器设置在前盖板的前端，其整体为圆柱形，上下两侧开设有三个错位分布的矩形缺口，所述的摩擦驱动块设置在椭圆振动模态转换器的前端，经法兰盘固定后的超声振动换能器轴线与转盘平面的夹角为20度~160度；所述的单激励旋转超声电机只有一组纵向振动压电陶瓷片，只需一路超声电信号激励。

2.根据权利要求1所述的一种单激励旋转超声电机，其特征在于：所述的椭圆振动模态转换器和前盖板制作成一个整体设置在前盖板的前端。

3.根据权利要求1所述的一种单激励旋转超声电机，其特征在于：还包括一个联接螺柱，用于将椭圆振动模态转换器联接在前盖板的前端。

4.根据权利要求1所述的一种单激励旋转超声电机，其特征在于：所述的摩擦驱动块通过焊接设置在椭圆振动模态转换器的前端。

5.根据权利要求1所述的一种单激励旋转超声电机，其特征在于：所述的摩擦驱动块通过粘接设置在椭圆振动模态转换器的前端。