貼片式縱扭模態復合型超聲電機制造技術

本發明專利技術公開了一種貼片式縱扭模態復合型超聲電機，包括定子、轉子和預壓力機構，其中，所述定子包括定子金屬基體和粘貼在定子金屬基體上的縱振壓電片和扭振壓電片，所述定子基體為，在中空圓柱體上切出均布的四個平面，用于粘貼縱振壓電片和扭振壓電片，所述縱振壓電片和扭振壓電片均對稱安裝，成對使用；所述轉子包括上轉子、下轉子和轉子軸，所述上轉子和下轉子通過轉子軸組成一個同步旋轉的整體，所述轉子通過預壓力機構壓緊在定子的兩個端面上，縱振壓電片和扭振壓電片在定子上激勵出縱振和扭振的復合振動，定子通過摩擦驅動轉子旋轉。本發明專利技術實現調速和雙向驅動，并具有成本低、精度高、制作簡單等優點，利于微型化和產業化。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及超聲波應用裝置
，具體是一種貼片式縱扭模態復合型超聲電機。
技術介紹
超聲電機是一種壓電電機，其利用壓電材料的逆壓電效應，把電能轉化為超聲電機的定子的振動能，再通過摩擦作用把振動能轉化為運動部件的旋轉或者直線運動。它一般主要由定子、轉子(動子)及預壓力機構等組成。與傳統電磁電機相比，超聲波電機具有許多特點和優點，比如結構緊湊，能量密度(轉矩/質量)大，易于微型化；低速大力矩，無需齒輪減速機構，可以實現直接驅動；電機響應速度快，并且能實現斷電自鎖；位置和速度控制性好，位移分辨率高；超聲波電機是通過振動摩擦進行能量轉換的，在轉換過程中不產生磁場，亦不受外界磁場干擾，抗電磁干擾能力強；安靜無噪聲，超聲波電機工作在超聲頻段，由于不需要齒輪等減速機構，所以可以安靜無噪聲的運行；設計靈活，結構形式多樣化。超聲電機重量輕，結構緊湊，驅動電壓低等特點，使其特別適合用于設備和機構的直接驅動，而不需要減速機構?？v扭復合型超聲電機是超聲電機的一種重要類型。其利用了定子的縱向振動和扭轉振動，這兩種振動的復合使得定子驅動端面的質點產生橢圓運動，再通過定子、轉子之間的摩擦作用驅動轉子轉動。與行波型超聲電機相比，相同直徑下，縱扭復合型超聲電機能提供大得多的扭矩，其定子驅動端面質點的發向和切向振動可分別由縱振、扭振壓電元件獨立激發而成，這樣就可以通過改變縱振、扭振兩相的輸入電壓的大小，方便地控制電機的機械輸出特性。縱扭型超聲電機基本上可以分為兩大類，一類是縱扭模態復合型，另一類是模態轉換型。圖1為一種縱扭型超聲電機的結構示意圖，電機的定子為細長軸型，電機采用兩組壓電陶瓷片，在定子上激勵出一階的縱向振動和二階的扭轉振動。在設計時，將定子的一階縱向振動模態頻率和二階扭轉振動模態頻率設計為相同，電機的工作模態為一階縱向振動模態和二階扭轉振動模態的復合振動模態。工作時，兩相激勵信號的頻率相同，且為定子的復合振動頻率。有些縱扭電機將縱振壓電陶瓷片和扭振壓電陶瓷片分別裝在定子、轉子上，其工作效果也與圖1所示電機類似，沒有本質區別。如圖2(a)和(b)所示，縱振陶瓷片比較簡單，為上下方向(軸向)極化，上下方向加電場的圓片。扭振陶瓷片要相對復雜很多。圖2(a)為縱扭型電機所用的扭轉型壓電陶瓷片，其由8個扇形小片21、22、23、24、25、26、27和28粘接而成。211為每個小片的極化方向。29為壓電陶瓷上所施加的激勵電場的方向。利用壓電陶瓷的dl5逆壓電效應，可在陶瓷片上產生一個扭轉角210。扭轉型壓電陶瓷片存在結構過于復雜，加工成本高，容易失效且不容易微型化等缺點，嚴重影響了縱扭電機的普及。為了解決這些問題，人們提出了模態轉換型縱扭超聲電機。如圖3所示，Yukiyasu Kato在美國專利(US6469419B2)中提出的斜槽式模態轉換式樣縱扭超聲電機，定子上的斜槽起到將縱向振動轉化為扭轉振動的作用。34為一組縱振壓電陶瓷片，36為定子的二階扭轉振動模態,37為定子的一階縱向振動模態。另外，Akio Kumada還提出了一種斜梁模態轉化型的縱扭電機(US4642509)，其同樣采用縱振壓電陶瓷片激勵出定子的縱向振動，靠斜梁轉化為扭轉振動。但這兩種電機都存在旋轉方向不可調，且力矩速度調節困難等問題。微型化也是超聲波電機的一個發展趨勢。減少壓電陶瓷的的加工制作困難，簡化電機結構并在狹小的空間里獲得大力矩是一個迫切需要解決的難題。
技術實現思路
本專利技術針對現有技術中存在的上述不足，提供了一種貼片式縱扭模態復合型超聲電機。本專利技術是通過以下技術方案實現的。一種貼片式縱扭模態復合型超聲電機，包括定子、轉子和預壓力機構，其中，所述定子包括定子金屬基體和粘貼在定子金屬基體上的縱振壓電片和扭振壓電片，所述定子基體為，在中空圓柱體上切出均布的四個平面，用于粘貼縱振壓電片和扭振壓電片，所述縱振壓電片和扭振壓電片均對稱安裝，成對使用；所述轉子包括上轉子、下轉子和轉子軸，所述上轉子和下轉子通過轉子軸組成一個同步旋轉的整體，所述轉子通過預壓力機構壓緊在定子的兩個端面上，縱振壓電片和扭振壓電片在定子上激勵出縱振和扭振的復合振動，定子通過摩擦驅動轉子旋轉。所述定子通過縱振壓電片和扭振壓電片的激勵形成一階縱振和一階扭轉振動復合振動模態，作為工作模態，其中，所述一階縱振模態和一階扭轉振動模態頻率相同，并通過該頻率對電機進行激勵，所述在定子上激勵出的縱、扭振動的相位差接近90度。所述定子的扭振壓電片上表面電極分成上左、上右、下左、下右四部分，下表面被完整電極，扭振壓電片任意兩個不相鄰的區域極化方向相同，另外兩個不相鄰區域則與上述極化方向相反，激勵時四個區域施加相同的交變電場，在定子金屬基體上激勵出一階彎曲變形，扭振壓電片成對使用，將彎曲變形轉化為扭轉變形。所述預壓力系統包括彈簧、軸承和卡箍，所述轉子的一端由軸承支撐，其另一端由彈簧壓緊在定子端面上，軸承的一端端面貼緊在定子中部的安裝面上，其另一端與轉子軸的端面貼合，所述彈簧通過卡箍鎖緊。所述軸承的軸向安裝表面設置在定子高度的中部。所述超聲電機的夾持位置位于定子中部的外表面，并采用柔性夾持方式。所述定子通過縱振壓電片和扭振壓電片形成一階縱振和二階扭轉振動復合振動模態的工作模態，其中，所述一階縱振模態和二階扭轉振動模態頻率相同，并通過該頻率對電機進行激勵，所述在定子上激勵出的縱、扭振動的相位差接近90度。所述定子的扭振壓電片上表面電極分成左右兩部分，下表面被完整電極，扭振壓電片左右兩部分極化方向相反，施加相同的交變激勵信號，貼在定子金屬基體的兩側，單片使用時，在定子金屬基體上激勵二階彎曲變形，成對使用時，則將定子金屬基體的彎曲變形將轉化為二階扭轉變形。所述預壓力系統包括彈簧和卡箍，所述轉子通過彈簧壓緊在定子的兩個端面上，且同步旋轉，所述彈簧通過卡箍鎖緊。所述定子和/或轉子上設有齒槽，所述齒槽的齒端設有摩擦副。所述縱振壓電片和扭振壓電片為壓電陶瓷材料或壓電單晶。本專利技術提供的貼片式縱扭模態復合型超聲電機，使用一組對稱的彎曲型壓電貼片激勵定子的扭轉振動，采用另一組縱振壓電貼片激勵定子的扭轉振動，從而在定子上激勵出縱扭振動，通過摩擦面驅動轉子旋轉，能實現調速和雙向驅動。本專利技術結構簡單、成本低、易于加工、調速方便、容易微型化，在生物、醫療、微機械、自動控制、光學鏡頭、機器人和航空航天國防科技等領域有著廣闊的應用前景。附圖說明圖1為現有技術縱扭電機圖，圖中，11為轉子，12為定子，13為軸，14為螺母，15為彈簧，16為軸承，17為摩擦材料，18為縱振壓電片，19為支撐盤，110為扭振壓電片，111為螺栓；圖2為現有技術扭轉壓電陶瓷片的極化和拼裝，其中，(a)為扭轉壓電陶瓷片的拼裝和變形示意圖，(b)為扭轉壓電陶瓷片的極化示意圖，圖中，21、22、23、24、25、26、27和28為扇形壓電陶瓷小片，29為電場施加方向，210為施加電場后壓電陶瓷的扭轉角，211為扇形壓電陶瓷小片的極化方向；圖3為現有技術開斜槽的模態轉換型縱扭超聲電機，圖中，31為轉子，32為轉子上的斜槽，33為定子配重塊，34為縱振壓電陶瓷片，35為定子上的斜槽，36為定子的二階扭轉模態振型，37為定子的一階縱振模態振型；圖4為本專利技術縱向振動陶瓷片及本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種貼片式縱扭模態復合型超聲電機，其特征在于，包括定子、轉子和預壓力機構，其中，所述定子包括定子金屬基體和粘貼在定子金屬基體上的縱振壓電片和扭振壓電片，所述定子基體為，在中空圓柱體上切出均布的四個平面，用于粘貼縱振壓電片和扭振壓電片，所述縱振壓電片和扭振壓電片均對稱安裝，成對使用；所述轉子包括上轉子、下轉子和轉子軸，所述上轉子和下轉子通過轉子軸組成一個同步旋轉的整體，所述轉子通過預壓力機構壓緊在定子的兩個端面上，縱振壓電片和扭振壓電片在定子上激勵出縱振和扭振的復合振動，定子通過摩擦驅動轉子旋轉。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：鹿存躍，徐亮，楊明，
申請(專利權)人：上海交通大學，
類型：發明
國別省市：