一种杆状弯曲行波型超声电机的制作方法

本发明涉及一种超声电机，尤其涉及一种杆状弯曲行波型超声电机。

背景技术：

超声电机(Ultrasonic Motor或简称为USM)是一种利用压电材料的逆压电效应，激发出弹性体(定子)在超声频域(大于20KHz)范围的微观振动，利用弹性体谐振放大，并通过定、转子之间的摩擦作用转换成转子的旋转或直线运动的新型电机。

与传统的电磁型电机相比，超声电机结构简单、设计灵活，没有线圈和磁极，响应速度快、控制精度高、单位体积能量密度大、扭矩密度大、耐高低温/真空、良好的电磁兼容性等特点。超声电机涉及到多学科、多领域的交叉，目前在工业控制系统、智能机器人、汽车专用电气设备、仪器仪表、核电、医疗设备、航空航天等领域有着十分广阔的应用前景，近年来备受国内外科学界和工业界的重视，是当前微驱动控制领域的一个研究热点。因此，研究和设计超声电机，具有重要的科学意义。

然而目前的超声电机装配比较难，因为压电陶瓷需要黏结，还得等胶干透才能进行下一个工艺流程，因而组装工艺变得复杂。

技术实现要素：

针对上述技术缺陷，本发明提供一种杆状弯曲行波型超声电机，其整体结构设计简洁、装配简单，压电陶瓷不需粘接，减少了组装工艺的复杂性，装配工艺容易实现自动化，本发明的杆状弯曲行波型超声电机特别适宜对电机的重量、体积、性能等方面有特殊要求的应用场合。

本发明的解决方案是：一种杆状弯曲行波型超声电机，其包括转子、定子、输出轴、若干压电陶瓷片、若干电极片；该定子包括基座、定位轴、上配重块、中间配重块、下配重块；定位轴一端的端面上固定基座，自远离基座的方向下配重块、电极片一、压电陶瓷片一、电极片二、压电陶瓷片二、电极片三、中间配重块、电极片四、压电陶瓷片三、电极片五、压电陶瓷片四、电极片六、上配重块依次套在且定位在定位轴的另一端上；转子呈套筒状，且一端开口而另一端封闭，输出轴安装在转子的封闭端，转子自该定子具有基座的一侧套在该定子上，且转子的内壁与中间配重块直接接触；

其中，电极片一、压电陶瓷片一、电极片二、压电陶瓷片二、电极片三为一组组件，电极片四、压电陶瓷片三、电极片五、压电陶瓷片四、电极片六为另一组组件，以组为单位对这两组组件的压电陶瓷片进行分别极化，且为相互反相极化：向两组组件的电极片分别通入两相相位相差90度的交变电压，使这两组组件的压电陶瓷片激发出所需要的振动模态。

作为上述方案的进一步改进，转子的侧壁上均匀开始有与转子的轴线平行的若干间隙；该杆状弯曲行波型超声电机还包括预紧装置，预紧装置固定在转子的外侧壁上，通过调节间隙的宽度来调节转子和该定子之间的预紧力。

进一步地，预紧装置为卡箍，通过若干紧固件调节该卡箍的直径大小，该卡箍套在转子的侧壁上。

再进一步地，该紧固件为螺钉。

作为上述方案的进一步改进，上配重块通过螺合的方式固定在定位轴上，以便与基座一起夹持定位下配重块、电极片一、压电陶瓷片一、电极片二、压电陶瓷片二、电极片三、中间配重块、电极片四、压电陶瓷片三、电极片五、压电陶瓷片四、电极片六。

作为上述方案的进一步改进，该杆状弯曲行波型超声电机还包括底座，定位轴一端的端面上固定基座，定位轴另一端依次套下配重块、电极片一、压电陶瓷片一、电极片二、压电陶瓷片二、电极片三、中间配重块、电极片四、压电陶瓷片三、电极片五、压电陶瓷片四、电极片六、上配重块之后固定在底座上。

作为上述方案的进一步改进，所有压电陶瓷片均呈环状。

作为上述方案的进一步改进，每组组件通过接电线与电源相连。

作为上述方案的进一步改进，转子的封闭端开设有安装孔，输出轴安装固定在所述安装孔上。

作为上述方案的进一步改进，基座面向输出轴的一侧上开设收容槽，输出轴的一端通过一个深沟球轴承安装在收容槽内，输出轴的另一端穿过转子的封闭端通过螺母安装在转子上。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：电机的定子由压电陶瓷片的逆压电效应产生超声波振动，转子和定子之间主要通过摩擦力传递运动，同时通过加一定的预紧力并在圆筒外加一个可通过螺钉调节直径大小的卡箍，构成预紧装置，通过调节螺钉，可控制预紧力的大小，调节输出扭矩及速度。而且，本发明的电机结构能够有效的消除传统杆状超声电机的径向线性滑动所带来的效率低下问题，增大了定子中点与端点的振幅，提高了中点驱动模式电机的输出性能。

附图说明

图1为本发明杆状弯曲行波型超声电机的立体结构示意图。

图2为图1中转子的结构示意图。

图3为图2中转子未剖视前的右视图。

图4为图1中预紧装置为剖视前的结构示意图。

图5为图4中预紧装置的局部剖视图。

图6为定子外圆面驱动转子椭圆运动的特点示意图。

图7为利用ANSYS软件的仿真定子振型图。

图8为图1中所有压电陶瓷加载电压的极化布局示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1至图5，本发明的超声电机设计为一种杆状弯曲行波型超声电机。超声电机包括转子9、定子、若干压电陶瓷片、若干电极片、输出轴1、预紧装置10、底座14。

该定子包括基座15、定位轴4、上配重块12、中间配重块7、下配重块8。定位轴4一端的端面上固定基座15，自远离基座15的方向下配重块8、电极片一23、压电陶瓷片一5、电极片二24、压电陶瓷片二16、电极片三25、中间配重块7、电极片四26、压电陶瓷片三17、电极片五18、压电陶瓷片四19、电极片六27、上配重块12依次套在且定位在定位轴4的另一端上。

其中，上配重块12可通过螺合的方式固定在定位轴4上，以便与基座15一起夹持定位下配重块8、电极片一23、压电陶瓷片一5、电极片二24、压电陶瓷片二16、电极片三25、中间配重块7、电极片四26、压电陶瓷片三17、电极片五18、压电陶瓷片四19、电极片六27。

底座14可以设置，也可以不设置，如果不设置，就需要借助外部设备进行安装，以便间接得到其相同功能作用的底座。定位轴4一端的端面上固定基座15，定位轴4另一端依次套下配重块8、电极片一23、压电陶瓷片一5、电极片二24、压电陶瓷片二16、电极片三25、中间配重块7、电极片四26、压电陶瓷片三17、电极片五18、压电陶瓷片四19、电极片六27、上配重块12之后固定在底座14上。

转子9呈套筒状，且一端开口而另一端封闭，输出轴1安装在转子9的封闭端，转子9自该定子具有基座15的一侧套在该定子上，且转子9的内壁与中间配重块7直接接触。

转子9的封闭端可开设有安装孔21，输出轴1可通过螺母2安装固定在所述安装孔21上。基座15面向输出轴1的一侧上可开设收容槽22，输出轴1的一端通过一个深沟球轴承3安装在收容槽22内，输出轴1的另一端穿过转子9的封闭端通过螺母2安装在转子9上。

电极片一23、压电陶瓷片一5、电极片二24、压电陶瓷片二16、电极片三25为一组组件，电极片四26、压电陶瓷片三17、电极片五18、压电陶瓷片四19、电极片六27为另一组组件，以组为单位对这两组组件的压电陶瓷片进行分别极化，且为相互反相极化：向两组组件的电极片分别通入两相相位相差90度的交变电压，使这两组组件的压电陶瓷片激发出所需要的振动模态。所有压电陶瓷片均可呈环状，每组组件可通过接电线11与电源相连。两组组件可以分别定义A相与B相。

请结合参阅图2及图3为了调节转子9和定子之间的预紧力，转子9的侧壁上均匀开始有与转子9的轴线平行的若干间隙20。请结合参阅图4及图5优选设置预紧装置10，预紧装置10固定在转子9的外侧壁上，通过调节间隙20的宽度来调节转子9和该定子之间的预紧力。预紧装置10可为卡箍，通过若干紧固件(如螺钉6)调节该卡箍的直径大小，该卡箍套在转子9的侧壁上。

本发明的杆状弯曲型超声电机，利用的是压电陶瓷的逆压电效应，激发转子9的微幅振动，通过定子与转子9之间的静摩擦力，转换为转子9的旋转运动，其中压电陶瓷片、定子、转子9和预紧装置10，都是超声电机的关键部件。下配重块8、电极片一23、压电陶瓷片一5、电极片二24、压电陶瓷片二16、电极片三25、中间配重块7、电极片四26、压电陶瓷片三17、电极片五18、压电陶瓷片四19、电极片六27、上配重块12，这些零件中间打有圆孔套在轴定位轴4上，通过上配重块12与定位轴4的螺纹联接，将各个零件压紧固定在定位轴4上。定位轴4的一端通过深沟球轴承3，连接输出轴1，通过套筒式转子9和螺母2固定，通过计算定位轴4的另一端伸出的长度，不会影响电机在工作时的共振模态，使整个电机通过螺母2固定，由于采用定子外圆面中点驱动，因此将转子9设计成一个壁厚为1mm的套筒类零件，采用LF3材料冲压制成。

转子9内壁与定子直接接触，通过预紧装置10，调节转子9与定子之间的预紧力，因此在转子9的圆筒壁上开四道槽即间隙20，有利于预紧装置10通过调节螺钉6控制卡箍内径，易于调节转子9与定子之间预紧力。为了便于控制所加预紧力的大小，可在螺钉6上设置弹簧28，可以通过测量弹簧28长度的变化，根据虎克定律计算。

本发明的杆状弯曲型超声电机，当两个在空间上相差90°且在时间相差90°相位的两个一阶弯曲振动同时激发时，定子上除节点外任一质点都沿椭圆轨迹运动。从理论上说，振子的任一表面都可作为驱动面，根据运动的合成与分解原理，将质点的空间椭圆运动，分解为有效椭圆运动和线性滑动。空间椭圆运动在垂直于驱动面的平面上的投影仍是椭圆，定义这个分运动为有效椭圆运动，而在另一坐标轴上的分运动为一往返的直线运动，称之为线性滑动，有效椭圆运动决定电机的输出性能，当有效椭圆运动的振幅越大，电机的速度越快，电机的效率就越高，相反线性滑动的幅度越大，电机的能量损耗就越大，电机的效率就越低。因此，线性滑动幅度与有效椭圆运动振幅，是衡量杆状弯曲型超声电机设计性能的重要参数，绘制外圆面沿轴向各点处有效椭圆运动与线性滑动幅度分布图，如图6所示。从图中可知：在外圆面驱动方式下，两端有效椭圆运动振幅最大，中点有效椭圆振幅小于两端有效椭圆运动振幅，但是中点无线性滑动，而两端线性滑动幅度也最大，得到中点线性滑动为0的结论。

利用ANSYS软件对圆柱体定子进行有限元谐响应分析，压电陶瓷选PZT-8材料常数，加电压VP-P为100V。沿定子Z轴方向在圆柱表面分别取若干个点，计算这些点在X，Y，Z三个方向的振幅，绘出轴向振幅曲线，如图7所示。定子两端的质点在X，Y方向的振幅最大，同时Z方向的振幅也最大即线性滑动最大，而定子中点在X，Y方向的振幅虽小于两端，但Z轴方向的振幅接近于0，即线性滑动为0。以上分析有效的验证了中点无线性滑动的理论分析结果。

如果采用外圆端面为驱动面，虽然有效椭圆运动的振幅较大，但是线性滑动也最大，电机的能量损耗也较大，电机的效率较低。而采用外面中点为驱动面，虽然有效椭圆运动的振幅略小于两端振幅，但是中点没有线性滑动，从根本上避免定子和转子间的滑动，提高了电机的效率。

因此，采用外圆面中点驱动，是比较理想的驱动方式，能够提高电机效率，进而提高电机的性能。

压电陶瓷片的极化布局如图8所示。当在A相压电陶瓷片上施加交变电压(sin)时，激发出左右方向的一阶弯曲振动；当在B相压电陶瓷片上施加相位相差90°的交变电压(cos)时，激发出前后方向的一阶弯曲振动。两相电压同时施加时，两个在时间和空间上相差90°的弯曲振动模态合成为一个绕定子轴线旋转的弯曲旋转行波，定子表面质点沿椭圆轨迹运动，并借助摩擦力驱动转子9转动。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。