纵弯夹心换能器式圆筒定子及使用该定子的超声电机

摘要

纵弯夹心换能器式圆筒定子及使用该定子的超声电机，涉及压电超声电机技术领域。它解决了现有超声电机定子存在的机械输出能力受制约的问题，以及采用多个换能器驱动存在的可控性差、效率低的问题。本发明的定子的圆筒的内侧均匀分布若干梳状驱动齿，所述梳状驱动齿的上下对称有上端锥面和下端锥面，纵弯夹心换能器的前端盖是截面为矩形并逐渐变细的四棱柱体，前端盖的小端面和圆筒外表面固定连接，前端盖与后端盖通过法兰固定连接，在前端盖和法兰、法兰和后端盖之间分别固定纵振压电陶瓷片、弯振压电陶瓷片。本发明的超声电机的带轴转子和无轴转子分别位于定子的圆筒内梳状驱动齿的上端锥面和下端锥面上。本发明可以应用到超声电机制作领域。

权利要求

1.纵弯夹心换能器式圆筒定子，包括驱动圆筒(1-6)和纵弯夹心换能器(1-8)，其特征在于驱动圆筒(1-6)包括圆筒(1-6-1)、薄壁环(1-6-2)和圆筒法兰(1-6-3)，在圆筒(1-6-1)与圆筒法兰(1-6-3)之间是薄壁环(1-6-2)，所述圆筒(1-6-1)、薄壁环(1-6-2)和圆筒法兰(1-6-3)同轴；纵弯夹心换能器(1-8)包括前端盖(1-6-4)、后端盖(1-1)、绝缘套(1-2)、一对弯振压电陶瓷片(1-3)、法兰(1-4)、一对纵振压电陶瓷片(1-5)和三个电极片(1-7)，所述前端盖(1-6-4)是与纵弯夹心换能器长度方向对称轴垂直的截面为矩形并逐渐变细的四棱柱体，所述前端盖(1-6-4)的厚度与圆筒(1-6-1)的高度相等，前端盖(1-6-4)小端面和圆筒(1-6-1)外表面固定连接，所述前端盖(1-6-4)的大端面的中心有一个带内螺纹的盲孔，后端盖(1-1)的中心是带有内螺纹的通孔，所述法兰(1-4)中心的两端带有螺柱(1-4-1)；法兰(1-4)通过所述螺柱(1-4-1)分别与前端盖(1-6-4)和后端盖(1-1)固定连接，一对纵振压电陶瓷片(1-5)套在前端盖(1-6-4)和法兰(1-4)之间的螺柱(1-4-1)上，一对弯振压电陶瓷片(1-3)套在法兰(1-4)和后端盖(1-1)之间的螺柱(1-4-1)上，在前端盖(1-6-4)和一个纵振压电陶瓷片(1-5)之间、两个纵振压电陶瓷片(1-5)之间、两个弯振压电陶瓷片(1-3)之间分别固定有电极片(1-7)，在所述法兰(1-4)的螺柱(1-4-1)与弯振压电陶瓷片(1-3)、纵振压电陶瓷片(1-5)、电极片(1-7)之间固定有绝缘套(1-2)。

2.根据权利要求1所述的纵弯夹心换能器式圆筒定子，其特征在于所述一对纵振压电陶瓷片(1-5)中的两片纵振压电陶瓷片的极化方向相反，所述一对弯振压电陶瓷片(1-3)中的两片弯振压电陶瓷片的极化方向相反，每片弯振压电陶瓷片对称切分成左半片(1-3-1)和右半片(1-3-2)，将极化方向相反的左半片(1-3-1)和右半片(1-3-2)重新组合在一起形成两片完整的压电陶瓷片。

3.根据权利要求1所述的纵弯夹心换能器式圆筒定子，其特征在于所述圆筒(1-6-1)的内侧均匀分布若干与所述圆筒(1-6-1)中心轴线平行的梳状驱动齿(1-6-7)，所述梳状驱动齿(1-6-7)的上下对称有上端锥面(1-6-6)和下端锥面(1-6-5)。

4.根据权利要求1所述的纵弯夹心换能器式圆筒定子，其特征在于所述前端盖(1-6-4)和驱动圆筒(1-6)采用一整块金属材料加工成圆筒/前端盖一体件。

5.根据权利要求1所述的纵弯夹心换能器式圆筒定子，其特征在于所述后端盖(1-1)、纵振压电陶瓷片(1-5)、弯振压电陶瓷片(1-3)和法兰(1-4)的与纵弯夹心换能器长度方向对称轴垂直的截面为矩形或圆形。

6.根据权利要求1所述的纵弯夹心换能器式圆筒定子，其特征在于所述法兰(1-4)和螺柱(1-4-1)是一体的结构。

7.使用纵弯夹心换能器式圆筒定子的超声电机，它包括定子、转子组件和基座(4)，

所述定子包括包括驱动圆筒(1-6)和纵弯夹心换能器(1-8)，其特征在于驱动圆筒(1-6)包括圆筒(1-6-1)、薄壁环(1-6-2)和圆筒法兰(1-6-3)，在圆筒(1-6-1)与圆筒法兰(1-6-3)之间是薄壁环(1-6-2)，所述圆筒(1-6-1)、薄壁环(1-6-2)和圆筒法兰(1-6-3)同轴；纵弯夹心换能器(1-8)包括前端盖(1-6-4)、后端盖(1-1)、绝缘套(1-2)、一对弯振压电陶瓷片(1-3)、法兰(1-4)、一对纵振压电陶瓷片(1-5)和三个电极片(1-7)，所述前端盖(1-6-4)是与纵弯夹心换能器长度方向对称轴垂直的截面为矩形并逐渐变细的四棱柱体，所述前端盖(1-6-4)的厚度与圆筒(1-6-1)的高度相等，前端盖(1-6-4)小端面和圆筒(1-6-1)外表面固定连接，所述前端盖(1-6-4)的大端面的中心有一个带内螺纹的盲孔，后端盖(1-1)的中心是带有内螺纹的通孔，所述法兰(1-4)中心的两端带有螺柱(1-4-1)；法兰(1-4)通过所述螺柱(1-4-1)分别与前端盖(1-6-4)和后端盖(1-1)固定连接，一对纵振压电陶瓷片(1-5)套在前端盖(1-6-4)和法兰(1-4)之间的螺柱(1-4-1)上，一对弯振压电陶瓷片(1-3)套在法兰(1-4)和后端盖(1-1)之间的螺柱(1-4-1)上，在前端盖(1-6-4)和一个纵振压电陶瓷片(1-5)之间、两个纵振压电陶瓷片(1-5)之间、两个弯振压电陶瓷片(1-3)之间分别固定有电极片(1-7)，在所述法兰(1-4)的螺柱(1-4-1)与弯振压电陶瓷片(1-3)、纵振压电陶瓷片(1-5)、电极片(1-7)之间固定有绝缘套(1-2)，所述定子的圆筒法兰(1-6-3)固定在基座(4)上，所述转子组件由带轴转子(2-1)、无轴转子(2-2)、联接键(2-3)、耐磨衬圈(2-4)、橡胶垫(2-5)、碟形弹簧(2-6)和锁紧螺母(2-7)组成；其中带轴转子(2-1)和无轴转子(2-2)为圆台形，所述带轴转子(2-1)和无轴转子(2-2)的细端分别嵌入定子的圆筒(1-6-1)的上端和下端，所述无轴转子(2-2)通过联接键(2-3)固定在带轴转子(2-1)的力矩输出轴(2-1-2)上，在带轴转子(2-1)和无轴转子(2-2)与梳状驱动齿(1-6-7)相接触的侧面分别固定有耐磨衬圈(2-4)，在无轴转子(2-2)的下面采用橡胶垫(2-5)、碟形弹簧(2-6)和锁紧螺母(2-7)实现带轴转子(2-1)和无轴转子(2-2)的预紧，所述带轴转子(2-1)、无轴转子(2-2)的侧面与定子的梳状驱动齿(1-6-7)的下端锥面(1-6-5)、上端锥面(1-6-6)的锥度相同，

所述圆筒(1-6-1)的内侧均匀分布若干与所述圆筒(1-6-1)中心轴线平行的梳状驱动齿(1-6-7)，所述梳状驱动齿(1-6-7)的上下对称有上端锥面(1-6-6)和下端锥面(1-6-5)。

8.根据权利要求7所述的使用纵弯夹心换能器式圆筒定子的超声电机，其特征在于所述耐磨衬圈(2-4)采用高分子摩擦材料制成。

9.根据权利要求7所述的使用纵弯夹心换能器式圆筒定子的超声电机，其特征在于，所述带轴转子(2-1)和无轴转子(2-2)上均匀分布有若干通孔(2-1-1)，所述通孔(2-1-1)与带轴转子(2-1)的力矩输出轴(2-1-2)平行。

说明书

技术领域

本发明涉及到一种纵弯夹心换能器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。此外，对于采用多个换能器驱动的压电超声电机，由于每个换能器在加工、粘贴以及装配等过程中很难保证完全一致，使其振动特性存在差异，进而引起定子表面质点振动轨迹的畸变，降低超声电机的机械输出能力和可控性。

发明内容

为了解决现有采用金属弹性体粘贴压电陶瓷薄片的方式进行激励的超声电机的定子存在的机械输出能力受制约的问题，以及采用多个换能器驱动存在的难以保证多个换能器完全一致而导致的定子表面质点振动轨迹的畸变，降低超声电机的机械输出能力和可控性的问题，本发明提供了一种纵弯夹心换能器式圆筒定子及使用该定子的超声电机。
本发明的纵弯夹心换能器式圆筒定子包括驱动圆筒和纵弯夹心换能器，驱动圆筒包括圆筒、薄壁环和圆筒法兰，在圆筒与圆筒法兰之间是薄壁环，所述圆筒、薄壁环和圆筒法兰同轴；纵弯夹心换能器包括前端盖、后端盖、绝缘套、一对弯振压电陶瓷片、法兰、一对纵振压电陶瓷片和三个电极片，所述前端盖是与纵弯夹心换能器长度方向对称轴垂直的截面为矩形并逐渐变细的四棱柱体，所述前端盖的厚度与圆筒的高度相等，前端盖小端面和圆筒外表面固定连接，所述前端盖的大端面的中心有一个带内螺纹的盲孔，后端盖的中心是带有内螺纹的通孔，所述法兰中心的两端带有螺柱；法兰通过所述螺柱分别与前端盖和后端盖固定连接，一对纵振压电陶瓷片套在前端盖和法兰之间的螺柱上，一对弯振压电陶瓷片套在法兰和后端盖之间的螺柱上，在前端盖和一个纵振压电陶瓷片之间、两个纵振压电陶瓷片之间、两个弯振压电陶瓷片之间分别固定有电极片，在所述法兰(1-4)的螺柱(1-4-1)与弯振压电陶瓷片(1-3)、纵振压电陶瓷片(1-5)、电极片(1-7)之间固定有绝缘套。
使用纵弯夹心换能器式圆筒定子的超声电机包括定子、转子组件和基座；所述定子是具体实施方式一至四任一实施方式所述的定子，所述定子的圆筒法兰固定在基座上，所述转子组件由带轴转子、无轴转子、联接键、耐磨衬圈、橡胶垫、碟形弹簧和锁紧螺母组成；带轴转子和无轴转子分别位于定子的圆筒内梳状驱动齿的上端锥面和下端锥面上，所述无轴转子通过联接键固定在带轴转子的力矩输出轴上，在带轴转子和无轴转子与梳状驱动齿相接触的侧面分别固定有耐磨衬圈，在无轴转子的下面采用橡胶垫、碟形弹簧和锁紧螺母实现带轴转子和无轴转子的预紧。
本发明的纵弯夹心换能器式圆筒定子中的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，解决了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。本发明采用沿厚度方向极化的弯振压电陶瓷片实现换能器的弯曲振动，采用沿厚度方向极化的纵振压电陶瓷片实现换能器的纵向振动；通过调整前端盖两个端面的面积比值、前端盖矩形截面两边比值、后端盖长度、圆筒内径尺寸以及圆筒外径尺寸实现换能器纵振固有频率、换能器弯振固有频率和圆筒弯振固有频率之间的简并；前端盖采用变截面设计起到振动能量的聚敛作用，可提高驱动齿表面质点的振幅和振速，使得电机性能得到提高；采用单个换能器在圆筒定子中激励出行波，避免采用多个换能器时存在的振动不一致问题，提高超声电机的机械输出能力和可控性；薄壁环可以实现弹性支撑和振动隔离，将定子组件与基座的联接对圆筒的弯曲振动模态的影响程度降到最低；换能器采用与自身谐振频率相同频率的交流电压来激励，弯振压电陶瓷片和纵振压电陶瓷片分别进行激励，如图7至10所示，弯振压电陶瓷片和纵振压电陶瓷片采用幅值相等、频率为换能器自身谐振频率、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在夹心换能器中激励出纵向振动和弯曲振动，进而实现在圆筒定子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上形成行波，驱动齿表面质点产生椭圆运动轨迹，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。本发明的超声电机中的转子表面粘接了耐磨衬圈，耐磨衬圈和驱动齿采用锥面接触，增加了接触区域，可提高输出力矩、延长使用寿命、有效的消除噪声；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。
本发明的纵弯夹心换能器式圆筒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是本发明所述的纵弯夹心换能器式圆筒定子的结构示意图，图2是图1所示的纵弯夹心换能器式圆筒定子的中心剖视图，图3是图1中两个纵振压电陶瓷片1-5和两个弯振压电陶瓷片1-3的极化方向示意图，图4是图1的定子与转子连接后固定在基座4上的结构示意图，图5本发明所述的超声电机的结构示意图，图6是图5的A-A剖视图，图7至图10是本发明的纵弯夹心换能器式圆筒定子在换能器的纵振压电陶瓷片和弯振压电陶瓷片采用幅值相等、频率为换能器自身谐振频率、相位差为+90°的交流电压信号激励情况下一个完整振动周期内的振型变化示意图(即：V1＝Acos(2πt/T)，V2＝Asin(2πt/T)，V0＝0，V1为纵振压电陶瓷片的电压激励信号，V2为弯振压电陶瓷片的电压激励信号，A为激励电压信号幅值，T为激励电压信号周期，t为时间)，该图为定子周向展开图，为定子五阶弯振模态的振型变化示意图，图7为t＝nT(n＝0，1，2...)时刻的定子振型示意图，图8为t＝(n+1/4)T(n＝0，1，2...)时刻的定子振型示意图，图9为 t＝(n+1/2)T(n＝0，1，2...)时刻的定子振型示意图，图10为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至图3说明本实施方式，本实施方式所述的纵弯夹心换能器式圆筒定子包括驱动圆筒1-6和纵弯夹心换能器1-8，驱动圆筒1-6包括圆筒1-6-1、薄壁环1-6-2和圆筒法兰1-6-3，在圆筒1-6-1与圆筒法兰1-6-3之间是薄壁环1-6-2，所述圆筒1-6-1、薄壁环1-6-2和圆筒法兰1-6-3同轴；纵弯夹心换能器1-8包括前端盖1-6-4、后端盖1-1、绝缘套1-2、一对弯振压电陶瓷片1-3、法兰1-4、一对纵振压电陶瓷片1-5和三个电极片1-7，所述前端盖1-6-4是截面为矩形并逐渐变细的四棱柱体，所述前端盖1-6-4的厚度与圆筒1-6-1的高度相等，前端盖1-6-4小端面和圆筒1-6-1外表面固定连接，所述前端盖1-6-4的大端面的中心有一个带内螺纹的盲孔，后端盖1-1的中心是带有内螺纹的通孔，所述法兰1-4中心的两端带有螺柱1-4-1；法兰1-4通过所述螺柱1-4-1分别与前端盖1-6-4和后端盖1-1固定连接，一对纵振压电陶瓷片1-5套在前端盖1-6-4和法兰1-4之间的螺柱1-4-1上，一对弯振压电陶瓷片1-3套在法兰1-4和后端盖1-1之间的螺柱1-4-1上，在前端盖1-6-4和一个纵振压电陶瓷片1-5之间、两个纵振压电陶瓷片1-5之间、两个弯振压电陶瓷片1-3之间分别固定有电极片1-7，在所述弯振压电陶瓷片1-3、纵振压电陶瓷片1-5、电极片1-7和法兰1-4的螺柱1-4-1之间固定有绝缘套1-2。
所述一对纵振压电陶瓷片1-5中的两片纵振压电陶瓷片的极化方向相反。
所述一对弯振压电陶瓷片1-3中的两片弯振压电陶瓷片的极化方向相反，每片弯振压电陶瓷片对称切分成左半片1-3-1和右半片1-3-2，将极化方向相反的左半片1-3-1和右半片1-3-2重新组合在一起形成两片完整的压电陶瓷片。
本实施方式的在圆筒1-6-1和圆筒法兰1-6-3之间是薄壁环1-6-2，所述薄壁环1-6-2可以实现弹性支撑和振动隔离的效果，能够将定子组件与基座的联接对圆筒1-6-1的弯曲振动模态的影响程度降到最低。
本实施方式中所述法兰1-4和螺柱1-4-1可以是一体的结构。
本实施方式的纵弯夹心换能器式圆筒定子在应用的时候，位于前端盖1-6-4和纵振压电陶瓷片1-5之间的电极片1-7与驱动电源的公共端V0连接，位于两个纵振压电陶瓷片1-5之间、两个弯振压电陶瓷片1-3之间的两个电极片1-7分别与驱动电源的两个驱动信号V1、V2连接。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的纵弯夹心换能器式圆筒定子的区别在于，所述圆筒1-6-1的内侧均匀分布若干与所述圆筒1-6-1中心轴线平行的梳状驱动齿1-6-7，所述梳状驱动齿1-6-7的上下对称有上端锥面1-6-6和下端锥面1-6-5。
本实施方式的圆筒1-6-1内增加了梳状驱动齿1-6-7，能够放大定子表面质点振动轨迹幅值。
本实施方式所述的梳状驱动齿1-6-7的上下对称有上端锥面1-6-6和下端锥面1-6-5，能够增加定子和转子之间的接触区域，提高输出力矩。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二所述的纵弯夹心换能器式圆筒定子的区别在于，所述前端盖1-6-4和驱动圆筒1-6采用一整块金属材料加工成圆筒/前端盖一体件。
本实施方式的前端盖1-6-4和驱动圆筒1-6为一体结构，起到了减少能量损失的目的，有利于提高梳状驱动齿1-6-7表面质点振动轨迹的可控性，使本实施方式所述的纵弯夹心换能器式圆筒定子的运行更稳定、可靠。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一或二或三所述的纵弯夹心换能器式圆筒定子的区别在于，所述后端盖1-1、纵振压电陶瓷片1-5、弯振压电陶瓷片1-3和法兰1-4的横截面为矩形或圆形。
具体实施方式五：结合图4至6说明本实施方式。本实施方式的使用纵弯夹心换能器式圆筒定子的超声电机包括定子、转子组件和基座4；所述定子的圆筒法兰1-6-3固定在基座4上，所述转子组件由带轴转子2-1、无轴转子2-2、联接键2-3、耐磨衬圈2-4、橡胶垫2-5、碟形弹簧2-6和锁紧螺母2-7组成；其中带轴转子2-1和无轴转子2-2为圆台形，所述带轴转子2-1和无轴转子2-2的细端分别嵌入定子的圆筒1-6-1的上端和下端，所述无轴转子2-2通过联接键2-3固定在带轴转子2-1的力矩输出轴2-1-2上， 在带轴转子2-1和无轴转子2-2与梳状驱动齿1-6-7相接触的侧面分别固定有耐磨衬圈2-4，在无轴转子2-2的下面采用橡胶垫2-5、碟形弹簧2-6和锁紧螺母2-7实现带轴转子2-1和无轴转子2-2的预紧。
本实施方式中所述的耐磨衬圈2-4采用高分子摩擦材料制成，增加摩擦力和电机的使用寿命。
本实施方式中所述的耐磨衬圈2-4和带轴转子2-1、无轴转子2-2是通过粘贴的方式固定的。
当所述定子采用具体实施方式二所述的结构的时候，所述带轴转子2-1、无轴转子2-2与所述带轴转子2-1、无轴转子2-2的侧面与定子的梳状驱动齿1-6-7的下端锥面1-6-5、上端锥面1-6-6的锥度相同，以保证转子与梳状驱动齿1-6-7为面接触。这种结构通过锥面配合实现转子组件的定位，并且增加了接触区域，能够提高输出力矩、延长使用寿命，还能够有效的消除噪声。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五所述的使用纵弯夹心换能器式圆筒定子的超声电机的区别在于，所述带轴转子2-1和无轴转子2-2上均匀分布有若干通孔2-1-1，所述通孔2-1-1与带轴转子2-1的力矩输出轴2-1-2平行。
本实施方式增加的通孔2-1-1能够减轻转子的质量，降低转子的转动惯量，改善电机动态特性。
本实施方式中的定子和转子组件通过装于基座4上的轴承7实现定位，降低径向载荷对电机输出特性的影响；所述定子的圆筒法兰1-6-3通过螺钉固定在基座4上；所述轴承7通过垫圈8、螺钉和端盖10实现预紧；所述基座4上加工有光孔4-1和螺纹孔4-2，外罩3通过螺钉固定在基座4上，实现了对电机的封装和保护，基座4上的光孔4-2用于实现电机在机械系统中的安装。