雙環(huán)型壓電超聲電的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種雙環(huán)型壓電超聲電機，其結構是在圓筒形的定子支座中裝有定子，在所述定子支座的兩側端口上分別扣接有軸承支座，在兩個所述軸承支座的芯孔中分別裝有軸承，轉子的兩端支撐連接在兩個所述軸承上；所述定子是在同心的外圓環(huán)與內圓環(huán)之間連接有沿圓周均布的三條徑向輻板，所述轉子穿接在所述定子的內圓環(huán)中，在所述定子內圓環(huán)的內圓面上設有撥動轉子用的矩形齒；在所述定子的兩個端面上分別粘貼有圓環(huán)形的壓電陶瓷片，所述壓電陶瓷片貼附在所述定子的外圓環(huán)上。本發(fā)明利用定子外圓環(huán)的徑向伸縮變形，可使電機定子的面內振動模態(tài)容易激發(fā)，壓電陶瓷片的極化不需分區(qū)，采用整體極化的方式即可工作，使制作成本降低，電機效率提高。
【專利說明】雙環(huán)型壓電超聲電機
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種壓電超聲電機，具體地說是一種雙環(huán)型壓電超聲電機。
【背景技術】
[0002]壓電超聲電機是一種不同于傳統(tǒng)電磁電機的新型電機。該種電機利用壓電陶瓷的逆壓電效應，通過高頻電壓激發(fā)定子的超聲振動，利用定子的振動位移，驅動與之接觸的轉子中的。壓電超聲電機具有不受磁干擾、結構形式多樣化等優(yōu)點，在醫(yī)學檢測儀器、微小型機器人等領域有很好的應用前景。目前已有的壓電超聲電機分為行波型和駐波型兩類。行波型電機通過兩相電壓分別激發(fā)兩個同階的彎曲模態(tài)，這兩個同階彎曲模態(tài)合成行波以推動轉子轉動。駐波型電機通常是利用兩種不同振動模態(tài)下定子的位移驅動轉子。
[0003]ZLOl 127037.3號專利公開一種“薄型行波超聲電機”，該電機依靠粘接在環(huán)形定子上的壓電陶瓷片激發(fā)定子的兩個面內振動模態(tài)，兩個面內振動模態(tài)疊加成行波，推動轉子轉動。該電機雖然具有薄型化的優(yōu)點，但電機定子的面內振動模態(tài)不易激發(fā)，導致壓電陶瓷片的極化分區(qū)十分復雜。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的就是提供一種雙環(huán)型壓電超聲電機，以解決現有壓電超聲電機存在的定子面內振動模態(tài)不易激發(fā)和壓電陶瓷片極化分區(qū)復雜的問題。
[0005]本發(fā)明是這樣實現的:一種雙環(huán)型壓電超聲電機，在圓筒形的定子支座中裝有定子，在所述定子支座的兩側端口上分別扣接有軸承支座，在兩個所述軸承支座的芯孔中分別裝有軸承，轉子的兩端支撐連接在兩個所述軸承上；所述定子是在同心的外圓環(huán)與內圓環(huán)之間連接有沿圓周均布的三條徑向輻板，所述轉子穿接在所述定子的內圓環(huán)中，在所述定子內圓環(huán)的內圓面上設有撥動轉子用的矩形齒；在所述定子的兩個端面上分別粘貼有圓環(huán)形的壓電陶瓷片，所述壓電陶瓷片貼附在所述定子的外圓環(huán)上。
[0006]所述定子與所述定子支座通過螺紋連接，所述螺紋為細牙螺紋，以保證定子的位置精確。
[0007]所述壓電陶瓷片采用不分區(qū)整體極化的方式工作。
[0008]在每個所述輻板對面、正對所述輻板的一個矩形齒位于所對所述輻板中心對稱線的一側。
[0009]本發(fā)明電機定子采用同心的雙圓環(huán)形式，內、外圓環(huán)之間通過120°等角度分布的三條徑向輻板相連接，電機的轉子與定子內環(huán)的內圓周面相接觸。壓電陶瓷片粘接在定子的外圓環(huán)的表面，通過壓電陶瓷片在定子外圓環(huán)表面的激勵，實現定子內環(huán)的復合變形，利用特定模態(tài)下定子內環(huán)的復合變形，推動電機轉子的轉動。
[0010]相比于已有的壓電超聲電機，本發(fā)明利用特殊模態(tài)下定子外圓環(huán)產生單一徑向伸縮變形，而定子內圓環(huán)產生扭轉、彎曲、徑向伸縮復合變形的特點，利用粘接于定子外圓環(huán)的壓電陶瓷片，激發(fā)出外圓環(huán)的徑向伸縮變形，通過輻板的動力傳遞，激發(fā)定子內圓環(huán)的復合變形。這樣只要使定子外圓環(huán)產生徑向伸縮變形，即可實現轉子的旋轉運動，使電機可以單向驅動。因為只利用定子外圓環(huán)的徑向伸縮變形，由此使得本發(fā)明電機定子的面內振動模態(tài)容易激發(fā)，壓電陶瓷片的極化不需分區(qū)，采用整體極化的方式即可工作，這樣就可使壓電陶瓷片的制作工藝簡單，成本降低，并且也使電機效率得以提高。
[0011]本發(fā)明適用于微小型機電裝置的驅動與控制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明的結構示意圖。
[0013]圖2是定子的結構示意圖。
[0014]圖3是圖2所示定子的A-A向剖視圖。
[0015]圖4、圖5是定子振動模態(tài)的振型圖。
[0016]圖中:1、定子，2、轉子，3、軸承支座，4、壓電陶瓷片，5、軸承，6、端蓋，7、外圓環(huán)，8、內圓環(huán)，9、輻板，10、矩形齒，11、定子支座。
【具體實施方式】
[0017]如圖1所示，在圓筒形的定子支座11中裝有定子1，定子I的外圓面與定子支座11的內圓面通過螺紋連接，該螺紋為細牙螺紋，以保證定子的安裝和位置的精確。在定子支座11的兩側端口上分別封接固定有圓蓋式的軸承支座3，可封閉端口并防止定子I的左右移動。在兩個軸承支座3的芯孔中分別裝有軸承5，轉子2為階梯軸，穿過定子I的內圈，轉子2兩端支撐連接在兩個軸承5上。轉子2的右端伸出，以輸出動力。在兩個軸承5的外端分別封接有端蓋6。在定子I的兩個端面上分別粘貼有圓環(huán)形的壓電陶瓷片4，壓電陶瓷片4不分極化區(qū)，而是采用整體極化的方式工作。
[0018]如圖1一圖3所示，定子I是在外圓環(huán)7與內圓環(huán)8之間連接有沿圓周均布的三條徑向輻板9，外圓環(huán)7與內圓環(huán)8同心設置，三條輻板9間的夾角為120°。壓電陶瓷片4是貼附在定子I的外圓環(huán)7的兩側端面上的。轉子2穿接在定子I的內圓環(huán)中，在定子內圓環(huán)7的內圓面上設有一圈均布的矩形齒(圖2中簡略繪制)，用以撥動轉子2。矩形齒在定子內圓環(huán)7上的排布方式是:在每個輻板9對面、正對該輻板的一個矩形齒10正好位于所對的輻板的中心對稱線的左側。其作用就可以形成一種對轉子2的偏心扭力矩，從而可以更好地驅動轉子旋轉。
[0019]本實施例中，定子I采用厚度為6 mm的同心雙圓環(huán)形金屬板，夕卜圓環(huán)7的內、外徑分別為Φ45 mm及Φ35 mm ;內圓環(huán)8的內、外徑分別為Φ24 mm及Φ30 mm，在內圓環(huán)8的內圈均勻設置齒高為l.0mm的矩形齒10 (可通過在內圓面間隔開槽的方式形成矩形齒)。連接內、外圓環(huán)的三條徑向幅板9的寬度均為4 mm。此電機定子I通過外圓周面上的細牙螺紋與定子支座11連接。兩片壓電陶瓷片4通過強力膠分別與定子外圓環(huán)7的左右端面粘接在一起，壓電陶瓷片4的內、外徑分別為Φ35 mm及Φ44 mm，厚為0.5 mm。壓電陶瓷片4采用不分區(qū)整體極化的方式工作。為防止定子松動，可在定子外圓環(huán)7的右端面與右側的軸承支座3之間安裝蝶型彈簧。轉子2為一階梯軸形零件，穿接于定子I的內圓環(huán)8中。轉子2與定子內圓面配合部分的公稱直徑亦為Φ24 mm，動力輸出端的直徑為Φ 12 mm，軸上設置鍵槽，可向外輸出轉矩。[0020]電機旋轉工作時，給壓電陶瓷片4輸入頻率等于電機旋轉頻率的正弦交變電壓，則壓電陶瓷片4激發(fā)定子外圓環(huán)7產生徑向伸縮，三條徑向輻板9產生彎曲變形，而定子I的內圓環(huán)8則產生面內的彎曲變形。利用有限元分析軟件計算得到如圖4和圖5所示的定子振動模態(tài)的振型圖。利用上述變形時定子內圓面上的矩形齒10的切向擺動與法向擺動，即可推動轉子2旋轉。
[0021]本發(fā)明的具體工作機理如下:
定子I的振動周期為T，當時間t = O時，定子內圓面上的所有矩形齒10均處于各自的平衡位置。
[0022]在O〈 t〈 T/4的時段，由于徑向位移，靠近三個波峰處的矩形齒10與轉子2接觸(三個矩形齒的位置見圖2)，與此同時，上述三個矩形齒產生逆時針方向的切向位移，所以可以推動轉子2順時針轉動。
[0023]當t = T/4時，所有矩形齒10至各自的最大位移處。
[0024]在T/4 < t < T/2的時間段內，上述三個矩形齒與轉子脫離接觸，同時沿切向順時針擺轉，所以不能推動轉子。
[0025]當t = T/2時，所有矩形齒10回到各自的平衡位置。
[0026]在T/2〈 t〈 3T/4的時段內，上述三個矩形齒的徑向位移使其脫離與轉子的接觸，因此不能推動轉子。
[0027]當t = 3T/4時，所有矩形齒10至各自的反向最大位移處。
[0028]在T/2〈 t〈 3T/4的時段內，上述三個矩形齒的徑向位移指向圓心，但未與轉子接觸，不能推動轉子。
[0029]當t = T時，所有矩形齒10回到各自的平衡位置。
[0030]因此在一個周期內，上述三個矩形齒有四分之一周期推動轉子，使電機持續(xù)工作。
【權利要求】
1.一種雙環(huán)型壓電超聲電機，其特征是，在圓筒形的定子支座中裝有定子，在所述定子支座的兩側端口上分別扣接有軸承支座，在兩個所述軸承支座的芯孔中分別裝有軸承，轉子的兩端支撐連接在兩個所述軸承上；所述定子是在同心的外圓環(huán)與內圓環(huán)之間連接有沿圓周均布的三條徑向輻板，所述轉子穿接在所述定子的內圓環(huán)中，在所述定子內圓環(huán)的內圓面上設有撥動轉子用的矩形齒；在所述定子的兩個端面上分別粘貼有圓環(huán)形的壓電陶瓷片，所述壓電陶瓷片貼附在所述定子的外圓環(huán)上。
2.根據權利要求1所述的雙環(huán)型壓電超聲電機，其特征是，所述定子與所述定子支座通過螺紋連接，所述螺紋為細牙螺紋。
3.根據權利要求1所述的雙環(huán)型壓電超聲電機，其特征是，所述壓電陶瓷片采用不分區(qū)整體極化的方式工作。
4.根據權利要求1所述的雙環(huán)型壓電超聲電機，其特征是，在每個所述輻板對面、正對所述輻板的一個矩形齒位于所對所述輻板中心對稱線的一側。
【文檔編號】H02N2/12GK103595293SQ201310588402
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月21日 優(yōu)先權日:2013年11月21日
【發(fā)明者】郭輝, 郝紫陽, 張軍偉 申請人:河北大學