一種薄片式扭轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)了一種薄片式扭轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)，能夠?qū)弘娞沾善a(chǎn)生的縱向與徑向振動(dòng)轉(zhuǎn)化成定子內(nèi)部波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的扭振模態(tài)，該扭振模態(tài)可使轉(zhuǎn)子獲得高轉(zhuǎn)速。本發(fā)明包括：一種薄片式扭轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)，包括轉(zhuǎn)軸(1)，所述轉(zhuǎn)軸(1)穿過(guò)卡槽墊片(2)、彈簧(3)、轉(zhuǎn)子(5)與定子(6)，卡槽墊片(2)通過(guò)轉(zhuǎn)軸(1)上的鍵槽鎖緊在轉(zhuǎn)軸(1)上，定子(6)上下表面貼有壓電陶瓷片(4)，定子(6)通過(guò)摩擦驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子(5)旋轉(zhuǎn)，定子(6)內(nèi)部連接波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由均勻分布的輻條狀梁與中心圓筒相切構(gòu)成。本發(fā)明適用于精密驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域。
【專利說(shuō)明】
一種薄片式扭轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及精密驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種薄片式扭轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲電機(jī)是一種壓電電機(jī)，其利用材料的逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)化為超聲電機(jī)定子的振動(dòng)能，再通過(guò)摩擦作用把振動(dòng)轉(zhuǎn)化為動(dòng)子的平面或空間運(yùn)動(dòng)。在微型飛行機(jī)器人中，主要采用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，研究表明，隨著尺寸的微型化直流電機(jī)的焦耳熱損耗急劇增加，直流電機(jī)的績(jī)效與質(zhì)量之間的矛盾使其已經(jīng)不再適用于更微小的飛行器。與傳統(tǒng)電磁電機(jī)相比，超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，能量密度大，易于微型化；電機(jī)響應(yīng)速度快，位置和速度控制性好可實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng);超聲電機(jī)在工作時(shí)不產(chǎn)生磁場(chǎng)，不受外磁場(chǎng)干擾，抗電磁干擾能力強(qiáng)，易于與微控電路匹配。
[0003]縱扭型超聲電機(jī)最為常見(jiàn)的工作模態(tài)是縱振和扭振的復(fù)合振動(dòng)模態(tài)，因此電機(jī)的縱向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的模態(tài)頻率要設(shè)計(jì)為相同。扭轉(zhuǎn)型電機(jī)可分為兩大類，模態(tài)轉(zhuǎn)換型與非模態(tài)轉(zhuǎn)換型；其中，非模態(tài)轉(zhuǎn)換型縱扭電機(jī)的壓電陶瓷片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易損壞且成本過(guò)高。而模態(tài)轉(zhuǎn)換型縱扭電機(jī)，存在問(wèn)題如斜槽式縱扭超聲電機(jī)則存在旋轉(zhuǎn)方向不可調(diào)節(jié)，陶瓷疊堆發(fā)熱嚴(yán)重，能量轉(zhuǎn)化效率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的實(shí)施例提供一種扭轉(zhuǎn)型超速電機(jī)，基于波導(dǎo)轉(zhuǎn)換原理，在電機(jī)定子內(nèi)部設(shè)計(jì)有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可將環(huán)形壓電陶瓷片所產(chǎn)生的縱向與徑向振動(dòng)高效的轉(zhuǎn)化成定子內(nèi)部波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的扭振模態(tài)，該扭振模態(tài)可使轉(zhuǎn)子獲得高轉(zhuǎn)速，并且可以使得壓電系統(tǒng)的尺寸可小型化到迷你尺寸。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的實(shí)施例采用如下技術(shù)方案:
[0006]第一方面，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種薄片式扭轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)，包括轉(zhuǎn)軸(I)，所述轉(zhuǎn)軸(I)穿過(guò)卡槽墊片(2)、彈簧(3)、轉(zhuǎn)子(5)與定子(6)，卡槽墊片(2)通過(guò)轉(zhuǎn)軸(I)上的鍵槽鎖緊在轉(zhuǎn)軸(I)上，定子(6)上下表面貼有壓電陶瓷片(4)，定子(6)通過(guò)摩擦驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子(5)旋轉(zhuǎn)，其特征在于:定子(6)內(nèi)部連接波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由8根均勻分布的輻條狀梁與中心圓筒相切構(gòu)成。
[0007]結(jié)合第一方面，在第一方面的第一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述轉(zhuǎn)子(5)通過(guò)彈簧
(3)壓緊在定子(6)的驅(qū)動(dòng)端面上，所述彈簧(3)通過(guò)鎖緊在轉(zhuǎn)軸上的卡槽墊片(2)調(diào)節(jié)所述薄片式扭轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)的預(yù)壓力系統(tǒng)的預(yù)壓力。
[0008]結(jié)合第一方面，在第一方面的第二種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述定子(6)驅(qū)動(dòng)面是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中圓筒的上底面和下底面，所述轉(zhuǎn)子(5)與所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)面通過(guò)彈簧(3)壓緊。
[0009]結(jié)合第一方面，在第一方面的第三種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述壓電陶瓷片(4)為環(huán)形陶瓷薄片，沿厚度方向極化，上下兩片壓電陶瓷片極化方向相反。
[0010]結(jié)合第一方面，在第一方面的第三種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，定子(6)上下膠結(jié)壓電陶瓷片的表面經(jīng)過(guò)研磨處理。
[0011]結(jié)合第一方面，在第一方面的第四種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述定子(6)材料為鈦合金或鈹青銅。
[0012]結(jié)合第一方面，在第一方面的第四種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，其特征在于，所述定子
(6)形狀為圓環(huán)形薄片。
[0013]本發(fā)明的實(shí)施例提供的薄片式扭轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)，基于波導(dǎo)轉(zhuǎn)換原理，在定子6內(nèi)部連接波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可將環(huán)形壓電陶瓷片所產(chǎn)生的縱向與徑向振動(dòng)高效的轉(zhuǎn)化成定子內(nèi)部波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的扭振模態(tài)，該扭振模態(tài)可使轉(zhuǎn)子獲得高轉(zhuǎn)速；同時(shí)，運(yùn)用該結(jié)構(gòu)的薄片式扭轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小，空間占有率低，輸出轉(zhuǎn)速高，可應(yīng)用于微型直升機(jī)馬達(dá)，進(jìn)一步地，可開(kāi)發(fā)為微型高速馬達(dá)。
【附圖說(shuō)明】
[0014]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。
[0015]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種薄片式扭轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖(對(duì)稱型)；
[0016]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種薄片式扭轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)的直線型定子結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種薄片式扭轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)的雙曲線型定子結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種薄片式扭轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖(非對(duì)稱型).’
[0019]圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的超聲電機(jī)一種對(duì)稱型定子結(jié)構(gòu)縱剖面示意圖；
[0020]圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的超聲電機(jī)一種非對(duì)稱型定子結(jié)構(gòu)縱剖面示意圖；其中，圖中其他數(shù)字標(biāo)識(shí)表示:1.轉(zhuǎn)軸、2.卡槽墊片、3.彈簧、4.壓電陶瓷、5.轉(zhuǎn)子、6.定子、7.波導(dǎo)梁、9.驅(qū)動(dòng)圓環(huán)、10.固定圓環(huán)、11.定子環(huán)、12.波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、13.驅(qū)動(dòng)圓筒。
【具體實(shí)施方式】
[0021]為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。下文中將詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0022]本發(fā)明的實(shí)施例提供一種扭轉(zhuǎn)型超速電機(jī)，基于波導(dǎo)轉(zhuǎn)換原理，在電機(jī)定子內(nèi)部設(shè)計(jì)有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可將環(huán)形壓電陶瓷片所產(chǎn)生的縱向與徑向振動(dòng)高效的轉(zhuǎn)化成定子內(nèi)部波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的扭振模態(tài)，該扭振模態(tài)可使轉(zhuǎn)子獲得高轉(zhuǎn)速，并且可以使得壓電系統(tǒng)的尺寸可小型化到迷你尺寸。
[0023]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的實(shí)施例采用如下技術(shù)方案:
[0024]第一方面，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種薄片式扭轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)，如圖1所示，包括轉(zhuǎn)軸I，所述轉(zhuǎn)軸I穿過(guò)卡槽墊片2、彈簧3、轉(zhuǎn)子5與定子6，卡槽墊片2通過(guò)轉(zhuǎn)軸I上的鍵槽鎖緊在轉(zhuǎn)軸I上，轉(zhuǎn)軸I在上下兩端開(kāi)有淺槽使卡槽墊片嵌入，定子6上下表面貼有壓電陶瓷片4，定子6通過(guò)摩擦驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子5旋轉(zhuǎn)；
[0025]定子6內(nèi)部連接波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由偶數(shù)個(gè)均勻分布的輻條狀梁與中心圓筒相切構(gòu)成，比如:波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以由8根均勻分布的輻條狀梁與中心圓筒相切構(gòu)成。
[0026]結(jié)合第一方面，在第一方面的第一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述轉(zhuǎn)子5通過(guò)彈簧3壓緊在定子6的驅(qū)動(dòng)端面上，所述彈簧3通過(guò)鎖緊在轉(zhuǎn)軸上的卡槽墊片2調(diào)節(jié)所述薄片式扭轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)的預(yù)壓力系統(tǒng)的預(yù)壓力。
[0027]如圖2所示，定子6的驅(qū)動(dòng)面為驅(qū)動(dòng)環(huán)9的上下兩表面，轉(zhuǎn)子5與驅(qū)動(dòng)環(huán)9經(jīng)彈簧3施加預(yù)壓力后緊密接觸，彈簧3經(jīng)卡槽墊片2調(diào)節(jié)預(yù)壓力，正常工況下定子6在驅(qū)動(dòng)環(huán)端面處呈現(xiàn)高速扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)摩擦驅(qū)動(dòng)上下兩對(duì)稱轉(zhuǎn)子5轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0028]如圖2所示，電機(jī)采用定子一階徑向振動(dòng)模態(tài)作為工作模態(tài)，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)采用8根直梁7相互成45°均布連接定子環(huán)11與驅(qū)動(dòng)環(huán)9。其中固定圓環(huán)10連接在定子外側(cè)，對(duì)定子起到支撐與振動(dòng)能量保持作用。
[0029]結(jié)合圖1和圖2，當(dāng)電機(jī)處于共振模態(tài)時(shí)梁結(jié)構(gòu)處于λ/4共振模態(tài)時(shí)，如圖1所示，上下兩壓電陶瓷片施加相同相位的激勵(lì)，所述激勵(lì)信號(hào)采用方波或鋸齒波，定子6會(huì)出現(xiàn)徑向收縮和舒張的振動(dòng)模式，當(dāng)定子6徑向收縮時(shí)內(nèi)部梁構(gòu)7朝驅(qū)動(dòng)圓環(huán)9切向收縮，驅(qū)動(dòng)圓環(huán)9縮緊并沿外部梁結(jié)構(gòu)7收縮方向旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)圓環(huán)9倒內(nèi)圓角，轉(zhuǎn)子5(圓柱形)倒外圓角，驅(qū)動(dòng)圓環(huán)鎖緊時(shí)與轉(zhuǎn)子緊密接觸依靠摩擦帶動(dòng)轉(zhuǎn)子5旋轉(zhuǎn)，定子6驅(qū)動(dòng)圓環(huán)9上的點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生空間上的橢圓運(yùn)動(dòng)。
[0030]如圖3所示，當(dāng)采用定子6—階徑向振動(dòng)模態(tài)和圓柱體13—階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)作為工作模態(tài)，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的連接梁結(jié)構(gòu)同圖2所示采用八根直梁相互成45°均布連接定子，驅(qū)動(dòng)環(huán)連接圓柱體13。
[0031]優(yōu)選地，圖3中，所述定子采用一階徑向振動(dòng)模態(tài)作為工作模態(tài)，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)12采用十根雙曲線梁均布連接定子6。
[0032]圖4所示電機(jī)結(jié)構(gòu)為本發(fā)明基于相同原理下的另一種形式(非對(duì)稱型)。
[0033]結(jié)合第一方面，在第一方面的第二種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述定子6驅(qū)動(dòng)面是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中圓筒的上底面和下底面，所述轉(zhuǎn)子5與所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)面通過(guò)彈簧3壓緊。
[0034]結(jié)合第一方面，在第一方面的第三種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述壓電陶瓷片為環(huán)形陶瓷薄片，沿厚度方向極化，上下兩片壓電陶瓷片極化方向相反。
[0035]結(jié)合第一方面，在第一方面的第三種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，定子上下膠結(jié)壓電陶瓷片的表面經(jīng)過(guò)研磨處理。經(jīng)研磨處理使壓電陶瓷片4與定子表面充分膠合。
[0036]結(jié)合第一方面，在第一方面的第四種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述定子6材料為鈦合金或鈹青銅。優(yōu)選地，在本發(fā)明實(shí)施例中定子的制作材料使用鈦合金，因?yàn)殁伜辖鹈芏刃?，可有效降低超聲電機(jī)的質(zhì)量。
[0037]結(jié)合第一方面，在第一方面的第四種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述定子6形狀為圓環(huán)形薄片。
[0038]進(jìn)一步地，本實(shí)施例中，所述電機(jī)定子梁?jiǎn)卧部稍O(shè)計(jì)為變截面梁:如圖5(對(duì)稱型)、圖6(非對(duì)稱性)。
[0039]如圖5所示，變截面梁設(shè)計(jì)可使梁結(jié)構(gòu)沿其軸線方向的伸長(zhǎng)量大于等截面梁，起到振幅放大效果。如圖6所示，非對(duì)稱梁結(jié)構(gòu)可使驅(qū)動(dòng)圓環(huán)旋轉(zhuǎn)的工作角速度增大，即增大轉(zhuǎn)速。
[0040]本發(fā)明的實(shí)施例提供的薄片式扭轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)，基于波導(dǎo)轉(zhuǎn)換原理，在定子6內(nèi)部連接波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可將環(huán)形壓電陶瓷片所產(chǎn)生的縱向與徑向振動(dòng)高效的轉(zhuǎn)化成定子內(nèi)部波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的扭振模態(tài)，該扭振模態(tài)可使轉(zhuǎn)子獲得高轉(zhuǎn)速；同時(shí)，運(yùn)用該結(jié)構(gòu)的薄片式扭轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小，空間占有率低，輸出轉(zhuǎn)速高，可應(yīng)用于微型直升機(jī)馬達(dá)，進(jìn)一步地，可開(kāi)發(fā)為微型高速馬達(dá)。
[0041]以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種薄片式扭轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)，其特征在于，包括:轉(zhuǎn)軸(I)，轉(zhuǎn)軸(I)穿過(guò)卡槽墊片(2)、彈簧(3)、轉(zhuǎn)子(5)和定子(6); 卡槽墊片(2)通過(guò)轉(zhuǎn)軸(I)上的鍵槽鎖緊在轉(zhuǎn)軸(I)上，轉(zhuǎn)軸(I)在上下兩端開(kāi)有淺槽使卡槽墊片(2)嵌入； 定子(6)上下表面貼有壓電陶瓷片(4)，定子(6)通過(guò)摩擦驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子(5)旋轉(zhuǎn)； 定子(6)內(nèi)部連接波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由偶數(shù)個(gè)均勻分布的輻條狀梁與中心圓筒相切構(gòu)成。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄片式扭轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)，其特征在于，轉(zhuǎn)子(5)通過(guò)彈簧(3)壓緊在定子(6)的驅(qū)動(dòng)端面上，彈簧(3)通過(guò)鎖緊在轉(zhuǎn)軸上的卡槽墊片(2)調(diào)節(jié)所述薄片式扭轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)的預(yù)壓力。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄片式扭轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)，其特征在于，定子(6)驅(qū)動(dòng)面是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中圓筒的上底面和下底面，轉(zhuǎn)子(5)與所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)面通過(guò)彈簧(3)壓緊。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄片式扭轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)，其特征在于，壓電陶瓷片(4)為環(huán)形陶瓷薄片，沿厚度方向極化，且上下兩片壓電陶瓷片極化方向相反。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的薄片式扭轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)，其特征在于，定子(6)上下膠結(jié)壓電陶瓷片的表面經(jīng)過(guò)研磨處理。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄片式扭轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)，其特征在于，定子(6)形狀為圓環(huán)形薄片;定子(6)材料為鈦合金或鈹青銅。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄片式扭轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)，其特征在于，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由8根均勻分布的輻條狀梁與中心圓筒相切構(gòu)成。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄片式扭轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)，其特征在于，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由8根直梁(7)相互成45°均布連接定子環(huán)(11)與驅(qū)動(dòng)環(huán)(9)，驅(qū)動(dòng)環(huán)(9)連接圓柱體(13)。9.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的薄片式扭轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)，其特征在于，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)12采用10根雙曲線梁均布連接定子(6)。
【文檔編號(hào)】H02N2/00GK106059378SQ201610543170
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年7月11日
【發(fā)明人】楊穎 , 皮奧特爾·瓦西爾耶夫, 邱建敏, 謝爾蓋·鮑, 羅廷, 達(dá)柳斯·馬澤卡, 金家楣, 王平, 王一平
【申請(qǐng)人】南京航空航天大學(xué)