專利名稱：一種薄型駐波旋轉(zhuǎn)超聲電動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超聲應(yīng)用領(lǐng)域中的電動(dòng)機(jī)，特別是一種薄型駐波旋轉(zhuǎn)超聲電動(dòng)機(jī)。該超聲 電動(dòng)機(jī)作為微型動(dòng)力裝置可廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)檢測(cè)儀器，微、小型機(jī)器人及微、小型機(jī)電系 統(tǒng)及航空航天等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超聲電動(dòng)機(jī)是一種工作原理有別于電磁電機(jī)的新型電動(dòng)力機(jī)，它利用壓電陶瓷的逆壓 電效應(yīng)，激發(fā)定子高頻超聲振動(dòng)產(chǎn)生的形變，然后通過定子與轉(zhuǎn)子之間的摩擦力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)動(dòng)并傳遞其動(dòng)力。此類電機(jī)具有低速大扭矩、低噪聲、不受電磁干擾、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)， 在醫(yī)學(xué)檢測(cè)儀器、微小型機(jī)器人、航空航天等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。目前己有的旋轉(zhuǎn)型 超聲電機(jī)可以分為以下兩類 一類是利用圓環(huán)定子的面外彎曲振動(dòng)模態(tài)，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是定子 與轉(zhuǎn)子沿定子軸向接觸；另一類則是利用圓環(huán)定子的面內(nèi)彎曲振動(dòng)模態(tài)，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是定子 與轉(zhuǎn)子沿定子的內(nèi)或外圓周面接觸。上述兩類超聲電機(jī)多利用行波驅(qū)動(dòng)，即給壓電陶瓷片 接通兩相交變電壓，分別激發(fā)兩個(gè)彎曲駐波，這兩個(gè)駐波合成為一個(gè)行波，此行波推動(dòng)轉(zhuǎn) 子轉(zhuǎn)動(dòng)。相對(duì)于行波驅(qū)動(dòng)，利用駐波驅(qū)動(dòng)可以顯著簡化驅(qū)動(dòng)電路，十分有利于電機(jī)的小型
化和微型化。在公開號(hào)為CN101030740A，發(fā)明名稱為《單相驅(qū)動(dòng)的彎曲旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)》的 專利文獻(xiàn)中，公開了一種機(jī)體的結(jié)構(gòu)呈錐狀的單相驅(qū)動(dòng)駐波旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，該電機(jī)依靠六 片沿軸向疊合在一起的壓電陶瓷片激發(fā)定子的振動(dòng)，六片壓電陶瓷片依靠壓緊螺母及壓軸 套固定在中軸上。該電機(jī)雖然具有輸出力矩較大等優(yōu)點(diǎn)，但電動(dòng)機(jī)的六片壓電陶瓷片按極 化分區(qū)要相互錯(cuò)開60度安裝，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且在壓電陶瓷片的壓緊過程中因壓緊螺母的 螺旋運(yùn)動(dòng)(旋轉(zhuǎn)力)極易造成壓電陶瓷片之間錯(cuò)位，難以保證相鄰壓電陶瓷片之間錯(cuò)位60 度的技術(shù)要求；此外，該電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子之間不帶任何定位裝置，這使得定子與轉(zhuǎn)子兩者 之間的接觸位置精度受到影響，進(jìn)而影響電機(jī)轉(zhuǎn)矩和速度的穩(wěn)定性；因而，此類旋轉(zhuǎn)超聲 電動(dòng)機(jī)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)定子與轉(zhuǎn)子之間的接觸位置精度要求高，安裝較困難，電機(jī)轉(zhuǎn)矩 和速度的穩(wěn)定性差等缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是研究設(shè)計(jì)一種薄型駐波旋轉(zhuǎn)超聲電動(dòng)機(jī)，以達(dá)到簡化電機(jī)本體及其驅(qū) 動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)，降低電機(jī)的厚度，提高電機(jī)效率及轉(zhuǎn)矩和速度的穩(wěn)定性、并實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)， 使電機(jī)更趨小型化、微型化，為機(jī)電系統(tǒng)等的小型化、微型化提供動(dòng)力支持等目的。本發(fā)明的解決方案是針對(duì)背景技術(shù)存在的缺陷，在定子與轉(zhuǎn)子的配合方式上，采用定 子的外圓周面(外環(huán)面)與轉(zhuǎn)子的內(nèi)環(huán)面壓力接觸式配合，以傳遞動(dòng)力并克服定子與轉(zhuǎn)子 通過軸截面重疊式配合方式帶來的電機(jī)厚度過大的缺點(diǎn)；采用定子的面外彎曲模態(tài)，以避 免定子面內(nèi)模態(tài)不易激發(fā)及輸出扭矩較小的缺陷；利用單相電壓在環(huán)形定子上激發(fā)的彎曲 駐波以實(shí)現(xiàn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)將上、下兩個(gè)環(huán)面上的壓電陶瓷片錯(cuò)位設(shè)置實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)，以 簡化電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路、有效提高電機(jī)效率，更有利于電動(dòng)機(jī)的小型化和微型化，從而實(shí)現(xiàn) 其目的。因此，本發(fā)明薄型駐波旋轉(zhuǎn)超聲電動(dòng)機(jī)包括電動(dòng)機(jī)定子，帶傳動(dòng)(旋轉(zhuǎn))軸的轉(zhuǎn) 子，固定(壓緊)機(jī)構(gòu)，壓電陶瓷片，關(guān)鍵在于在電動(dòng)機(jī)底部還設(shè)有一帶中心孔的機(jī)座， 電動(dòng)機(jī)定子為設(shè)有中心孔且在其外環(huán)面上順軸向設(shè)有齒條的環(huán)狀定子，壓電陶瓷片為兩個(gè) 環(huán)形片且分別設(shè)于定子的上、下兩個(gè)環(huán)面上；帶傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)子采用上、下兩部分組合而成 的組合式轉(zhuǎn)子，在上、下轉(zhuǎn)子的外圓周面上設(shè)有螺紋、在兩轉(zhuǎn)子之間還設(shè)有一碟形彈簧， 傳動(dòng)軸設(shè)于上轉(zhuǎn)子外側(cè)的端面上、其內(nèi)側(cè)面的中部設(shè)有一梯形圓孔，下轉(zhuǎn)子為帶梯形中心 孔的環(huán)狀下轉(zhuǎn)子，上、下轉(zhuǎn)子均通過其梯形孔的階梯面及大徑內(nèi)環(huán)面分別與設(shè)于其內(nèi)的定 子外環(huán)面相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)式配合；而固定機(jī)構(gòu)為帶內(nèi)螺紋的連接定位套，上、下轉(zhuǎn)子及設(shè)于其內(nèi) 的定子，碟形彈簧均通過連接定位套與上、下轉(zhuǎn)子外圓周面上的螺紋可調(diào)式連接成一體， 而定子又通過定位螺釘與機(jī)座緊固連接，兩壓電陶瓷片通過粘結(jié)分別與定子的上、下環(huán)面 緊固成一體、并通過導(dǎo)線分別與機(jī)座及電源連接。
上述電動(dòng)機(jī)定子外環(huán)面上順軸向設(shè)有齒條，其齒條為梯形齒條或矩形齒條、或弧形齒 條。所述分別設(shè)于定子上、下兩個(gè)環(huán)面上的(兩片)壓電陶瓷片，各壓電陶瓷片等弧度分 為6-16個(gè)電極區(qū)，各電極區(qū)按正負(fù)相間的規(guī)律排列；而上、下兩個(gè)壓電陶瓷片則按對(duì)應(yīng)電 極之間(投影)重疊并錯(cuò)開一個(gè)齒厚的位置緊固于定子的上、下兩個(gè)環(huán)面上。所述帶中心 孔的機(jī)座，在機(jī)座上還設(shè)有下部壓電陶瓷片電源線引出孔，而上部壓電陶瓷片電源線則經(jīng) 定子和機(jī)座中心孔引出。
本發(fā)明由于采用螺紋連接定位套將上、下轉(zhuǎn)子及定子，碟形彈簧連接成一體，通過定 子的外圓周面與轉(zhuǎn)子的內(nèi)環(huán)面壓力接觸式配合、以傳遞動(dòng)力，采用定子的圓環(huán)面外彎曲模 態(tài)以提高激發(fā)的敏感性，利用單相電壓在環(huán)形定子上激發(fā)的一個(gè)彎曲駐波即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)旋 轉(zhuǎn)；因而，本發(fā)明具有電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡單，效率高、轉(zhuǎn)矩及速度的穩(wěn)定性好，并 可實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)，電機(jī)的厚度小、更趨小型化、微型化，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)檢測(cè)儀器，微、 小型機(jī)器人及微、小型機(jī)電系統(tǒng)及航空航天領(lǐng)域等特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明實(shí)施方式中壓電陶瓷片電極設(shè)置示意圖3為電機(jī)旋轉(zhuǎn)工作時(shí)定子形變模式圖(通過有限元軟件ANSYS自動(dòng)設(shè)置的變形系 數(shù)計(jì)算所成的圖，而實(shí)際變形量為10—6m);
圖4為本發(fā)明實(shí)施方式作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)定子在一個(gè)周期內(nèi)的變形機(jī)理及旋轉(zhuǎn)原理示意圖。
圖中1.定子，1~1.定子中心孔，2.傳動(dòng)軸，3、 5:壓電陶瓷片，3 1、 5~1:電源線， 4~1.上轉(zhuǎn)子，4~2.下轉(zhuǎn)子，6.機(jī)座，6 1.機(jī)座中心孔，6 2.電源線引出孔，7.定位螺釘，8. 碟形彈簧(片)，9.連接定位套。
具體實(shí)施例方式
本實(shí)施例中定子1采用內(nèi)徑(中心孔1~1)①10mm，外徑①50mm，厚度為6 mm的 金屬環(huán)，其外環(huán)面上順軸向均勻設(shè)置36條齒高、齒厚均為l.Omm的矩形齒條，壓電陶瓷片 3、 5的內(nèi)、外徑分別為①30咖及cD45im，厚為0.5 mm，其上通過鍍銀的方式將陶瓷片按 45°分設(shè)為八個(gè)相互獨(dú)立的電極區(qū)，八個(gè)電極區(qū)的極性呈正負(fù)相間的規(guī)律排列，兩壓電陶 瓷片3、 5通過強(qiáng)力膠與定子1的上、下環(huán)面粘結(jié)成一體；傳動(dòng)軸2直徑(D12 mm、高15 咖，其上設(shè)置鍵槽；上轉(zhuǎn)子4 l厚12mm、外徑(D60鵬，內(nèi)端(側(cè))面所設(shè)的梯形圓孔其 中與定子l配合部分(大徑)的公稱直徑亦為①50mm、小孔直徑cD46mm，軸向高分別為 3mm及1.5nm;下轉(zhuǎn)子4 2厚(軸向高)為5 mm、所設(shè)梯形中心孔與定子1配合部分(大 徑)的公稱直徑亦為①50mm、小孔直徑亦為cD46mm，軸向高則分別為3 mm及2 mm，上、 下轉(zhuǎn)子4~1、 4 2的外圓面上均設(shè)同一旋向及模數(shù)的細(xì)牙螺紋；機(jī)座6采用邊長為70mm、 厚為3mm的正方形金屬板，其上中心孔6~1直徑巾6mm、電源線引出孔6~2直徑02 mm， 四角各設(shè)一直徑為①5 mm的螺栓孔、作為與配套設(shè)備連接用；定位螺釘7采用3個(gè)直徑①3 mm的螺釘、間隔120°設(shè)置；.碟形彈簧8采用環(huán)片式碟形彈簧以維持電機(jī)上、下轉(zhuǎn)子4~1、 4 2與定子1之間的接觸壓力并防止各部件松動(dòng)；連接定位套9軸向高18.5Mi、外徑①65 mm、內(nèi)壁為與上、下轉(zhuǎn)子4~1、 4~2配合的細(xì)牙螺紋。該駐波旋轉(zhuǎn)超聲電動(dòng)機(jī)的具體工作 機(jī)理如下
將上部壓電陶瓷片3與單相交變電壓的電源接通，如圖4所示(定子在一個(gè)周期內(nèi)的 變形機(jī)理及旋轉(zhuǎn)原理示意圖)，定子的振動(dòng)周期為T，當(dāng)時(shí)間1=0時(shí)，定子外圓周面的所 有齒條均處于各自的平衡位置。
在(KKT/4的時(shí)間段,由于小齒的徑向擺動(dòng)，距波峰位置最近齒條a、 c、 e、 g的下端與轉(zhuǎn)子壓力接觸，距波谷位置最近齒條b、 d、 f、 h的上端與轉(zhuǎn)子壓力接觸，與此同時(shí)齒條a、
c、 e、 g沿切平面產(chǎn)生逆時(shí)針方向的擺轉(zhuǎn)，齒條b、 d、 f、 h則產(chǎn)生順時(shí)針方向的擺轉(zhuǎn)，所
以齒條a、 c、 e、 g的下端和齒條b、 d、 f、 h的上端同時(shí)向右推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)； 當(dāng)1=174時(shí)，齒條a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 h至各自的最大位移處； 在174<1<172的時(shí)間段內(nèi)，齒條a、 c、 e、 g下端與轉(zhuǎn)子脫離接觸，同時(shí)齒條沿切平面
產(chǎn)生順時(shí)針方向的擺轉(zhuǎn)，齒條b、 d、 f、 h上端也與轉(zhuǎn)子脫離接觸，同時(shí)齒條沿切平面產(chǎn)生
逆時(shí)針方向的擺轉(zhuǎn)；
當(dāng)t^T/2時(shí)，齒條a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 h回到各自的平衡位置； 在T/2〈K3T/4的時(shí)間段內(nèi)，齒條a、 c、 e、 g的上端與轉(zhuǎn)子接觸，齒條b、 d、 f、 h的
下端與轉(zhuǎn)子接觸，同時(shí)齒條a、 c、 e、 g沿切平面產(chǎn)生順時(shí)針的擺轉(zhuǎn)，齒條b、 d、 f、 h產(chǎn)
生逆時(shí)針的擺轉(zhuǎn)，仍推動(dòng)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)動(dòng)；
當(dāng)1=3174時(shí)，齒條a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 h至各自的最大位移處；
在T/2<t<3T/4的時(shí)間段內(nèi)，齒條a、 c、 e、 g上端與轉(zhuǎn)子脫離接觸，同時(shí)沿切平面產(chǎn)
生逆時(shí)針方向的擺轉(zhuǎn)，齒條b、 d、 f、 h下端與轉(zhuǎn)子脫離接觸，同時(shí)沿切平面產(chǎn)生順時(shí)針的
擺轉(zhuǎn)；
當(dāng)t二T時(shí)，齒條a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 h回到各自的平衡位置。 當(dāng)接通下部壓電陶瓷片5的電源時(shí)，則推動(dòng)轉(zhuǎn)子反向轉(zhuǎn)動(dòng)。
權(quán)利要求
1. 一種薄型駐波旋轉(zhuǎn)超聲電動(dòng)機(jī)，包括電動(dòng)機(jī)定子，帶傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)子，固定機(jī)構(gòu)，壓電陶瓷片，其特征在于在電動(dòng)機(jī)底部還設(shè)有一帶中心孔的機(jī)座，電動(dòng)機(jī)定子為設(shè)有中心孔且在其外環(huán)面上順軸向設(shè)有齒條的環(huán)狀定子，壓電陶瓷片為兩個(gè)環(huán)形片且分別設(shè)于定子的上、下兩個(gè)環(huán)面上；帶傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)子采用上、下兩部分組合而成的組合式轉(zhuǎn)子，在上、下轉(zhuǎn)子的外圓周面上設(shè)有螺紋、在兩轉(zhuǎn)子之間還設(shè)有一碟形彈簧，傳動(dòng)軸設(shè)于上轉(zhuǎn)子外側(cè)的端面上、其內(nèi)側(cè)面的中部設(shè)有一梯形圓孔，下轉(zhuǎn)子為帶梯形中心孔的環(huán)狀下轉(zhuǎn)子，上、下轉(zhuǎn)子均通過其梯形孔的階梯面及大徑內(nèi)環(huán)面分別與設(shè)于其內(nèi)的定子外環(huán)面相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)式配合；而固定機(jī)構(gòu)為帶內(nèi)螺紋的連接定位套，上、下轉(zhuǎn)子及設(shè)于其內(nèi)的定子，碟形彈簧均通過連接定位套與上、下轉(zhuǎn)子外圓周面上的螺紋可調(diào)式連接成一體，而定子又通過定位螺釘與機(jī)座緊固連接，兩壓電陶瓷片通過粘結(jié)分別與定子的上、下環(huán)面緊固成一體、并通過導(dǎo)線分別與機(jī)座及電源連接。
2. 按權(quán)利要求1所述薄型駐波旋轉(zhuǎn)超聲電動(dòng)機(jī)，其特征在于電動(dòng)機(jī)定子外環(huán)面上順軸 向設(shè)置的齒條為梯形齒條或矩形齒條、或弧形齒條。
3. 按權(quán)利要求1所述薄型駐波旋轉(zhuǎn)超聲電動(dòng)機(jī)，其特征在于所述分別設(shè)于定子上、下 兩個(gè)環(huán)面上的壓電陶瓷片，各壓電陶瓷片等弧度分為6-16個(gè)電極區(qū)，各電極區(qū)按正負(fù)相間 的規(guī)律排列；而上、下兩個(gè)壓電陶瓷片則按對(duì)應(yīng)電極之間重疊并錯(cuò)開一個(gè)齒厚的位置緊固 于定子的上、下兩個(gè)環(huán)面上。
4. 按權(quán)利要求1所述薄型駐波旋轉(zhuǎn)超聲電動(dòng)機(jī)，其特征在于在機(jī)座上還設(shè)有下部壓電 陶瓷片電源線引出孔，而上部壓電陶瓷片電源線則經(jīng)定子和機(jī)座中心孔引出。
全文摘要
該發(fā)明屬于一種薄型駐波旋轉(zhuǎn)超聲電動(dòng)機(jī)，包括設(shè)有中心孔及齒條的環(huán)狀定子，設(shè)于定子上、下環(huán)面的壓電陶瓷片，帶傳動(dòng)軸的組合式轉(zhuǎn)子及位于上、下轉(zhuǎn)子之間的碟形彈簧，連接定位套，機(jī)座。該電機(jī)由于采用螺紋連接定位套將上、下轉(zhuǎn)子及定子，碟形彈簧連接成一體，通過定子的外圓周面與轉(zhuǎn)子的內(nèi)環(huán)面壓力接觸式配合、以傳遞動(dòng)力，采用定子的圓環(huán)面外彎曲模態(tài)以提高激發(fā)的敏感性，利用單相交變電壓激發(fā)的彎曲駐波即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)；因而，具有電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，效率高、轉(zhuǎn)矩及速度的穩(wěn)定性好，并可實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)，電機(jī)的厚度小、更趨小型化、微型化，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)檢測(cè)儀器，微、小型機(jī)器人及微、小型機(jī)電系統(tǒng)及航空航天等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H02N2/10GK101546967SQ20091005921
公開日2009年9月30日 申請(qǐng)日期2009年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月8日
發(fā)明者李迅波, 路素銀, 輝 郭 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)